用規范模型追蹤法改善電動機速度控制系統的特性(1)

    程樹康  崔淑梅  (哈爾濱工業大學150001)

    【摘  要】針對伺服系統高速、高精度追蹤給定目標值這一目的，提出基于pi+滯后環節的有限時間控制的規范模型追蹤系統，并用于電動機速度控制系統。仿真結果表明，這一方法對于抑制電動機參數變化和轉矩干擾對響應的影響具有明顯的效果，文中簡述使用非線性的滯后環節的有限時間整定控制系統的幾種實現方式及特點。

【敘  詞】規范模型追蹤系統電動機速度控制特性

1有限時間整定控制系統的實

  現方式

    在眾多的工業應用中，要求具有對步進輸入的目標值不過沖及響應快的良好性能，為實現這個要求，提出了各種控制方法，而使用非線性的滯后環節的有限時間整定控制是其中的方法之一。

該方法應用在位置控制系統中提出了將滯后環節插入到速度反饋系統中的滯后反饋控制方案。對速度控制系統，則采用將過去pi控制中的p元件置換成滯后環節的滯后積分控制方式，以及在pi控制中并置滯后環節的pi+滯后環節控制二種方式。這些有限時間整定控制系統與過去的線性控制系統比較，由于增加了滯后環節，因而可以方便地實現對步進輸入、響應快、不過沖的良好性能。這種有限時間整定控制實現的前提條件是忽略控制對象的參數變動，即假定其參數總是定值。而實際控制時，由于控制對象參數精度不充分，特性隨時間變化，這些有限時間整定系統的響應將會由于參數的變化而惡化。這是由于在將控制對象模型化時對非線性特性進行了線性化處理，忽略了快速變化的動特性，在控制系統的設計時沒有考慮參數變化的影響。

為抑制參數變化的影響，提出了具有非線性規范模型的規范模型追蹤系統的方案。這種系統由規范模型和追蹤系統二部分構成，規范模型部分是滯后積分控制。這種系統即使在參數變化時也能得到良好的響應，干擾的影響也顯著抑制，但是，這種系統中由于其規范模型單步響應的整定時間取決于控制對象，因而在要求控制系統的整定時間時，仍不能取得滿意結果。

為了改善有限整定控制系統的特性。作為規范模型追蹤系統在電動機控制系統中的應用，又進一步發展為以pi+滯后環節作為規范模型的模型追蹤系統，如附圖所示。

在附圖所示的系統中，規范模型補償器在pi控制中加滯后環節。調節這個補償器，就可得到規范模型輸出所希望的有限整定響應。如果實際控制對象和理想控制對象相一致，那么追蹤系統的響應就和規范模型的響應相同。若實際控制對象變化，或有干擾及失真，則由系統內魯棒補償器抑制其影響，從而在保證系統穩定性的同時，追蹤理想的響應。

文中圍繞以pi+滯后環節為規范模型的規范模型追蹤系統構成的電動機速度控制系統為中心，介紹這種系統的原理和特點。后續各文中陸續介紹，以一次速度控制系統為例，說明有限時間整定的原理，以及有限時間整定控制系統中使用的非線性滯后環節的工作原理；以直流伺服電動機為控制對象的仿真，驗證有限時間整定原理的有效性，以及探討控制對象參數變化系統的影響；為了抑制控制對象參數變化的影響而提出的規范模型追蹤系統的原理，進而根據二自由度控制系統設計理論和h控制理論，討論二種規范模型的規范模型系統的設計方法；論述使用非線性規范模型的規范模型追蹤系統在電動機速度控制中的應用，以直流伺服電動機為控制對象，設計魯棒補償器，由仿真說明規范模型追蹤系統的有效性。

    (待續)

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