面向高性能伺服运动系统的鲁棒非线性控制技术

典型的运动控制系统要求具备快速、平稳的瞬态性能和稳态精确性，其中瞬态性能关系到系统的运行效率和安全性。迄今，控制技术的研究较多关注稳定性和稳态精度，而较少同时关注瞬态性能的优化，尤其缺乏一种有效的分析设计框架来保证控制系统大范围工作的性能鲁棒性。本项目拟在线性反馈＋非线性反馈的复合反馈控制技术的基础上，引入时间最优控制和扰动补偿机制，形成一种模块化的、可组态的鲁棒非线性控制方案，使含有时变扰动和不确定性的伺服运动系统能够实现对目标轨迹的快速、平稳、无静差的理想跟踪,且系统在大的工作范围内保持良好性能（鲁棒性）；将搭建基于直线电机的实验平台，来验证提出的控制技术，并开发支持软件包和研制嵌入式控制器产品。通过本项目的研究，为装备制造业提供高性能的运动控制解决方案，可推动产业升级、提高竞争力、利于节能环保，同时也拓展了反馈控制技术的方法体系，因而具有重要的理论意义和实用价值。

本项目（61174051）致力于研发高性能伺服运动控制技术，实现快速、平稳、准确且大范围鲁棒的伺服控制。针对伺服系统的扰动补偿问题，本项目采用基于“扩展状态观测器”（ESO）的控制方案，即把系统的扰动和不确定性归入一个扩展状态变量，并通过观测器对系统的未知扰动和未量测状态同时进行估计，并用于反馈和补偿。为实现快速的定点运动，本项目研究了近似时间最优伺服机制（PTOS）控制技术的具体实现和扩展方案。PTOS在跟踪误差较大的时候采用时间最优控制律，随后当误差进入预定的范围内则平滑转换为线性控制律，从而在快速性和鲁棒性之间达到一种折衷。为使PTOS能实际应用于速度受限的伺服系统，本项目提出在PTOS加速与减速段之间插入一个恒速调节环节，从而构成位置-速度协调控制方案。针对带有一个惯性环节的伺服系统模型，引入一个与速度有关的线性工作区域来取代原PTOS的与位置相关的线性工作区，得到了一种扩展PTOS控制律，可实现更精确的伺服控制。为克服线性控制固有的局限性（在限定的闭环带宽下，系统响应的快速性与底超调不能同时实现、而只能加以折衷），在扩展状态观测器的框架中引入了复合非线性反馈(CNF) 控制技术。CNF在线性控制的基础上加入非线性反馈，能实现动态阻尼调节。这种基于扩展状态观测器的复合非线性控制方案可用于对带有恒定或时变扰动（但其变化率有界）的伺服系统的定点跟踪控制，随后它也被扩展用于对曲线轨迹的跟踪控制。为实现伺服系统在大范围跟踪控制时具有理想的性能，并弥补PTOS控制在线性区域内的性能损失，以及CNF控制的可行工作区域（不变集）的局限性，本项目提出把这两种控制技术集成到一个基于扩展状态观测器（ESO）的模式切换控制（MSC）方案中，即利用PTOS进行初始阶段的快速目标跟踪，随后当系统状态进入预定范围（不变集）时则切换为CNF实现平稳的定位控制。分别在连续时间和离散时间域内给出了这种MSC控制方案的具体设计，并进行了理论分析。这些伺服控制方案被用在电机伺服系统中，实验结果表明了其有效性和应用前景。本项目共发表了二十多篇学术论文、申请了三项发明专利，目前正在进行工业应用推广。