《面向高性能伺服運動系統的魯棒非線性控制技術》是依託福州大學，由程國揚擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：面向高性能伺服運動系統的魯棒非線性控制技術
- 依託單位：福州大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：程國揚
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
典型的運動控制系統要求具備快速、平穩的瞬態性能和穩態精確性，其中瞬態性能關係到系統的運行效率和安全性。迄今，控制技術的研究較多關注穩定性和穩態精度，而較少同時關注瞬態性能的最佳化，尤其缺乏一種有效的分析設計框架來保證控制系統大範圍工作的性能魯棒性。本項目擬線上性反饋＋非線性反饋的複合反饋控制技術的基礎上，引入時間最優控制和擾動補償機制，形成一種模組化的、可組態的魯棒非線性控制方案，使含有時變擾動和不確定性的伺服運動系統能夠實現對目標軌跡的快速、平穩、無靜差的理想跟蹤,且系統在大的工作範圍內保持良好性能（魯棒性）；將搭建基於直線電機的實驗平台，來驗證提出的控制技術，並開發支持軟體包和研製嵌入式控制器產品。通過本項目的研究，為裝備製造業提供高性能的運動控制解決方案，可推動產業升級、提高競爭力、利於節能環保，同時也拓展了反饋控制技術的方法體系，因而具有重要的理論意義和實用價值。
結題摘要
本項目（61174051）致力於研發高性能伺服運動控制技術，實現快速、平穩、準確且大範圍魯棒的伺服控制。針對伺服系統的擾動補償問題，本項目採用基於“擴展狀態觀測器”（ESO）的控制方案，即把系統的擾動和不確定性歸入一個擴展狀態變數，並通過觀測器對系統的未知擾動和未量測狀態同時進行估計，並用於反饋和補償。為實現快速的定點運動，本項目研究了近似時間最優伺服機制（PTOS）控制技術的具體實現和擴展方案。PTOS在跟蹤誤差較大的時候採用時間最優控制律，隨後當誤差進入預定的範圍內則平滑轉換為線性控制律，從而在快速性和魯棒性之間達到一種折衷。為使PTOS能實際套用於速度受限的伺服系統，本項目提出在PTOS加速與減速段之間插入一個恆速調節環節，從而構成位置-速度協調控制方案。針對帶有一個慣性環節的伺服系統模型，引入一個與速度有關的線性工作區域來取代原PTOS的與位置相關的線性工作區，得到了一種擴展PTOS控制律，可實現更精確的伺服控制。為克服線性控制固有的局限性（在限定的閉環頻寬下，系統回響的快速性與底超調不能同時實現、而只能加以折衷），在擴展狀態觀測器的框架中引入了複合非線性反饋(CNF) 控制技術。CNF線上性控制的基礎上加入非線性反饋，能實現動態阻尼調節。這種基於擴展狀態觀測器的複合非線性控制方案可用於對帶有恆定或時變擾動（但其變化率有界）的伺服系統的定點跟蹤控制，隨後它也被擴展用於對曲線軌跡的跟蹤控制。為實現伺服系統在大範圍跟蹤控制時具有理想的性能，並彌補PTOS控制線上性區域內的性能損失，以及CNF控制的可行工作區域（不變集）的局限性，本項目提出把這兩種控制技術集成到一個基於擴展狀態觀測器（ESO）的模式切換控制（MSC）方案中，即利用PTOS進行初始階段的快速目標跟蹤，隨後當系統狀態進入預定範圍（不變集）時則切換為CNF實現平穩的定位控制。分別在連續時間和離散時間域內給出了這種MSC控制方案的具體設計，並進行了理論分析。這些伺服控制方案被用在電機伺服系統中，實驗結果表明了其有效性和套用前景。本項目共發表了二十多篇學術論文、申請了三項發明專利，目前正在進行工業套用推廣。
