间隙非线性伺服系统的高精度抗扰控制

High precision control problem for servo systems, in which backlash, parameter uncertainty and disturbance are involved, is studied in this proposal. The details are listed as follow. Firstly, known backlash dynamics and the speed difference constraint are introduced to work out the cooperatively multiple extended state observers. Thus it allows the observers to estimate the total effect, which combine the backlash nonlinearity, parameter uncertainty and external disturbance together, with realizable low bandwidths. Thereafter, the describing function method will be employed for the nonlinear system stability analysis and the development of the observer-parameter-tuning strategy. Finally, after the compensation of the total effect, a multi-objective ITAE optimal feedback controller will be designed to track step, ramp and parabolic signals with zero static error. In addition to that, a robust feed-forward compensator is also proposed to speed up the system response. After the breakthrough of the limitation, which backlash, uncertainty and disturbance in a whole have exerted on the high precision control for servo systems, the achieved control strategy can be applied further to the industrial practice, with the advantage of the unified structure, non-susceptible to backlash variation and excellent robustness.

本项目针对存在间隙非线性、参数不确定性和扰动条件下的伺服系统高精度控制问题,开展如下研究内容。首先，引入间隙的已知动态，并增加速度差约束条件，设计协同工作的多个扩张状态观测器，以可实现的较低带宽达到实时估计间隙、参数不确定性和扰动综合作用的目的。然后，采用描述函数法分析间隙大小变化时非线性系统的稳定性，获得能避免极限环振荡的扩张状态观测器参数整定策略。最后，在补偿间隙和扰动的基础上，设计满足ITAE多目标优化指标的反馈控制器，实现对于阶跃、斜坡、恒加速度等多种参考输入的无静差跟踪，并进一步设计系统约束条件下具有良好鲁棒性的前馈补偿器。本项目突破间隙非线性、系统不确定性和外部扰动的条件下，伺服系统的高动态、高精度控制问题，建立一套结构统一、对间隙变化不敏感、鲁棒性高的控制策略，该成果可推广用于工程实际。

本项目采用自抗扰控制的思想，针对大惯量伺服控制系统的高精度控制问题，充分考虑了影响伺服系统控制性能的共性因素，包括传动间隙这一非线性环节、被控对象参数不确定性、外界扰动等等，结合实际伺服系统的不同工况，开展高性能伺服系统控制算法结构设计和性能优化研究。首先，对于需要研究的问题进行分析和定位，对传动间隙进行建模，确定传动间隙的动态模型，将传动间隙导致的控制难题定位为一个二惯量控制问题，将其转化为两个惯量的位置和速度同步问题。基于该认识，在系统控制策略的设计中增加速度差约束条件，设计协同工作的两个扩张状态观测器，再设计整体的双环自抗扰控制器框架，以较低的观测器带宽达到实时估计间隙、参数不确定性和扰动综合作用的目的。然后，采用描述函数法分析当间隙大小变化时非线性伺服系统的稳定性，获得能避免极限环振荡的扩张状态观测器参数整定策略。最后，针对伺服系统的多种工作情况需求，在补偿间隙和扰动的基础上，设计满足ITAE多目标优化指标的反馈控制器，实现对于阶跃、斜坡、恒加速度等多种参考输入的无静差跟踪，并进一步设计系统约束条件下具有良好鲁棒性的前馈补偿器。本项目突破间隙非线性、系统不确定性和外部扰动的条件下，伺服系统的高动态、高精度控制问题，建立一套结构统一、对间隙变化不敏感、鲁棒性高的控制策略，经实验验证，当传动间隙小于3°时，传动间隙能够得到有效补偿，伺服系统控制性能优良。目前，该成果已在工程实际中得到应用。