直線永磁同步伺服系統(tǒng)的滑模一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

    仇翔，俞立，南余榮

    (浙江工業(yè)大學(xué)，杭州310014)

    摘要：針對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的直線永磁同步伺服系統(tǒng)，提出一種基于滑模控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)臺(tái)的雙自由度控制策略�；�模輸人控制器保證了系統(tǒng)對(duì)給定的快速跟蹤性能；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出反饋控制器對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外在阻力變化進(jìn)行抑制，并削弱了滑模控制引起的系統(tǒng)抖振。該控制策略很好地解決了直線永磁同步伺服系統(tǒng)的跟蹤性能和魯棒性能之間的矛盾。仿真結(jié)果表明該方案在保證伺服系統(tǒng)快速性的同時(shí)，對(duì)參數(shù)攝動(dòng)和阻力擾動(dòng)(尤其是非線性時(shí)變擾動(dòng))具有很好的魯棒性。

0引  言

    直線永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡稱PMLSM)是直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的推力裝置，將負(fù)載直接與PMLSM的動(dòng)子相連，消除了機(jī)械速度變換機(jī)構(gòu)所帶來的一些不良影響，如摩擦、機(jī)械后沖、彈性形變等，在高精度、微進(jìn)給伺服系統(tǒng)中成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)****選擇。但是，由于直線電機(jī)的動(dòng)子直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，負(fù)載變化和外部干擾將直接影響伺服系統(tǒng)的性能，同時(shí)，直線電機(jī)的端部效應(yīng)、系統(tǒng)參數(shù)(動(dòng)子質(zhì)量、粘滯摩擦系數(shù)等)的變化、摩擦阻力的非線性變化以及狀態(tài)的觀測(cè)噪聲等都會(huì)降低系統(tǒng)的伺服性能。為了保證系統(tǒng)的性能，傳統(tǒng)的PID控制已無法勝任，需要尋求新的控制方法使系統(tǒng)在保證快速跟蹤性能的同時(shí)，對(duì)不確定擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。

    常規(guī)的單自由度控制結(jié)構(gòu)很難同時(shí)保證系統(tǒng)對(duì)輸入的跟蹤性能和對(duì)擾動(dòng)的抗擾性能。雙自由度(2DOF)控制是通過對(duì)給定輸入響應(yīng)的控制器c1(s)和對(duì)擾動(dòng)響應(yīng)的控制器c2(s)進(jìn)行相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，可以解決跟蹤性能和抗擾性能之間的矛盾。

    滑模變結(jié)構(gòu)控制具有快速性、魯棒性和實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)對(duì)不確定參數(shù)、參數(shù)變化、數(shù)學(xué)描述的不確定性及外部擾動(dòng)具有不變性。但是在實(shí)際系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)在時(shí)間和空間上存在著滯后，滑模切換控制的不連續(xù)性將使系統(tǒng)產(chǎn)生“抖振”現(xiàn)象，并且“抖振”的幅度與系統(tǒng)參數(shù)變化的范圍及外部擾動(dòng)的幅值成正比關(guān)系�！岸墩瘛睂⒂绊懼苯域�(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的平穩(wěn)性和定位精度，增加能量損耗等。

    本文采用滑模控制方法來設(shè)計(jì)雙自由度控制系統(tǒng)中的輸人控制器c1(s)，從而得到一種具有強(qiáng)魯棒性的滑模雙自由度控制方案；采用具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來設(shè)計(jì)雙自由度控制系統(tǒng)的輸出反饋控制器c2(s)，通過在線學(xué)習(xí)能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，對(duì)參數(shù)攝動(dòng)和擾動(dòng)(尤其是非線性時(shí)變擾動(dòng))進(jìn)行有效的抑制補(bǔ)償，并且削弱滑模控制的抖振，提高伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

1 PMILSM的數(shù)學(xué)模型

  PMLSM的基本結(jié)構(gòu)及交流直線伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理詳見文獻(xiàn)，當(dāng)我們僅考慮基波分量，可以使用d-q軸模型。電壓及磁鏈方程為：

電磁推力表達(dá)式為：

對(duì)PMLsM進(jìn)行基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制，如

圖1所示，

即要求動(dòng)子電流矢量與定子永磁體磁場在空間上正交，電流內(nèi)環(huán)采用勵(lì)磁分量i_d=0的控制策略，電磁推力F_m與i_y成正比�？紤]到PMLsM存在端部效應(yīng)產(chǎn)生的等效阻力F_d．這里將其等效為負(fù)載阻力的一部分，總表示為F₁。則PMLSM的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：i_d、i_q為動(dòng)子電樞d軸、q軸電流；u_d、u_q為動(dòng)子電樞d軸、q軸電壓；L_d、L_q分別是動(dòng)子電樞d軸、q軸同步電感；R為動(dòng)子電樞電阻；M為動(dòng)子和動(dòng)子所帶負(fù)載的總質(zhì)量；B為粘滯摩擦系數(shù)；v為動(dòng)子速度；τ為極距；ψ為定子永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁鏈；K₁為電磁推力系數(shù)；F₁為負(fù)載阻力(含端部效應(yīng)產(chǎn)生的等效阻力)。

2滑模一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙自由度控制

由于滑模變結(jié)構(gòu)控制是通過高頻切換控制使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)過程中做有目的的改變，使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)不確定因素、參數(shù)變化、數(shù)學(xué)模型的不確定性及外部擾動(dòng)具有不確定性。同時(shí)，滑�？刂凭哂锌焖夙憫�(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，為了保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，引入滑模控制方法來設(shè)計(jì)輸入控制器。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來設(shè)計(jì)輸出反饋控制器，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，能夠?qū)Ω鞣N擾動(dòng)和模型的參數(shù)攝動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的