【摘要】針對低采樣率閉環(huán)控制系統(tǒng)中的非線性環(huán)節(jié)引起的摩擦和飽和等振動,提出了一種振動抑制方法。振動是指系統(tǒng)產生極限環(huán),造成了一系列持續(xù)振蕩。振動補償器的設計基于圓判據(jù)基礎之上,以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過和普通PI控制器相比較,驗證了所設計的振動補償器的有效性。
【關鍵詞】低采樣率;控制系統(tǒng);PI控制器;振動補償器
1.引言
如今,數(shù)字控制器被廣泛應用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中,如自動飛機著陸系統(tǒng),伺服電機的運動控制以及機械手控制系統(tǒng)等[1]。若數(shù)字控制器的采樣率較高,閉環(huán)控制系統(tǒng)可視為連續(xù)體系。在高精度運動的數(shù)字控制器中,采樣率是固定的并可能低至1kHz[2]。如果設置控制器的參數(shù)采樣率過低,那么閉環(huán)控制系統(tǒng)可能會變得不穩(wěn)定,從而導致振動。
在振動抑制方面,很多學者將振動的抑制策略主要從控制方法角度考慮,這是由于系統(tǒng)中的不確定性、非線性等因素影響而使控制器在控制過程中振動抑制性能下降所致。針對伺服系統(tǒng)的振動問題,國內專家學者們提出了很多抑制方法,如PI/PID控制[3,4],IIR濾波器控制[5]和加速度觀測器[6]等。
本文在分析閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎之上,提出了低采樣率控制系統(tǒng)的振動抑制方法,該方案與PI控制器結合使用,構成了一個振動補償器。本文對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提出的振動抑制方法進行了研究,并通過MATLAB仿真平臺驗證了該方法的有效性。
2.控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.振動補償器的設計
圖2是含振動補償?shù)腜I控制器的控制框圖。在圖2中,e代表輸入信號,u表示PI控制器的輸出信號,KP、KI分別為PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù),Ks是增益的最大值,Ka是自適應增益參數(shù),它決定了補償策略的收斂速率。h是提出的策略的補償信號。在圖2中,振動抑制策略包含了一個死區(qū)功能。當或,h就非零。如果u的大小超出e與Ks乘積的絕對值,h就用來抵消e,從而使得u保持在上限內。
5.結論
本文針對低采樣率控制系統(tǒng)因摩擦和飽和等因素造成的振動,提出了一種振動抑制方法。在對閉環(huán)系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析的基礎之上,將該方法與PI控制器結合使用,所構成的振動補償器可以不考慮賦給PI控制器的參數(shù)值。仿真結果表明,提出的振動抑制方法能有效抑制控制系統(tǒng)的振動。
參考文獻
[1]趙希梅,郭慶鼎.交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其研究熱點[J].伺服控制,2010:15-16.
[2]陳鵬展,唐小琦,金宏星.伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制參數(shù)自整定方法研究[J].儀表技術與傳感器,2010,2:78-81.
[3]Huang L S,Qu D K,Xu F.Adjustable Inertia Ratio Control for Low-Frequency Torsional Resonance Suppression in industrial servo system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010:432-435.
[4]黃尚青,劉利,鄧秀劍.永磁交流伺服系統(tǒng)PID最優(yōu)化參數(shù)整定[J].計算機仿真,2010:197-201.
[5]付永領,羅婉琴,汪明霞.抑制低頻諧振的多階系統(tǒng)伺服控制器設計[J].液壓與氣動,2010,24(12):58-62.
[6]唐濤,黃永梅,張桐,等.負載加速度反饋的伺服系統(tǒng)諧振抑制[J].光電工程,2007,37(7):14-17.
[7]楊東俊,丁堅勇,周宏,等.基于WAMS量測數(shù)據(jù)的低頻振蕩機理分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(23):24-28.
[8]B.K.Kim,W.K.Chung and K.Ohba.Adaptive robust precision motion control of systems with unknown input dead zones a case study with comparative experiments[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(6):2454-2464.
[9]J.Everard,M.Xu,S.Bale.Simplified phase noise model for negative-resistance oscillators andacomparison with feedback oscillator models[J].IEEE TransactionsonUltrasonic,F(xiàn)erroelectrics,and Frequency Control,2012,59(3):382-390.
本文系教育部博士學科點專項科研基金項目(項目編號:20102102110001)。
作者簡介:孫宜標(1970—),男,安徽巢湖人,博士,沈陽工業(yè)大學副教授,主要研究方向:交流伺服系統(tǒng)、魯棒控制、非線性系統(tǒng)。