基于滑模變結(jié)構(gòu)的直流伺服電機控制器設計

　　摘要：針對直流伺服系統(tǒng)中參數(shù)時變性和外部擾動等造成的電機模型變化,設計了一種采用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略來控制直流伺服電機的方法,并且對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了分析。進而,對所設計的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)與PID控制做了對比仿真;表明,對具有電機參數(shù)大范圍攝動的系統(tǒng),滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)具有較強的魯棒性和快速性。

　　關鍵詞:滑模變結(jié)構(gòu);PID控制器;直流伺服電機

　　1引言

　　滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是一類特殊的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。起特殊之處在于，系統(tǒng)的控制不僅有切換，而且該切換特性可以迫使系統(tǒng)的狀態(tài)在切換面上沿預定的軌跡作小幅度、高頻率的趨近運動-滑動模態(tài)運動。這種滑動模態(tài)可以設計成與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動無關。這樣，滑模變結(jié)構(gòu)控制無須系統(tǒng)在線辨識就具有很好的魯棒性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制近年來已被廣泛應用于處理一些復雜的線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時變、多變量耦合等確定性和不確定性系統(tǒng)，可使系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)品質(zhì)[1]。而對于高性能的直流伺服系統(tǒng)，一般要求精度高、無超調(diào)、響應速度快且魯棒性好。根據(jù)自動調(diào)節(jié)原理設計的常規(guī)PID、PI等控制器，結(jié)構(gòu)簡單，設計方法成熟，也容易實現(xiàn)，但直流伺服系統(tǒng)中的非線性、參數(shù)的時變性和外部擾動等都影響系統(tǒng)的控制性能，很難滿足高精度伺服系統(tǒng)的要求。滑模變結(jié)構(gòu)控制的滑動模態(tài)對加給系統(tǒng)的干擾和系統(tǒng)的各種攝動具有完全自適應性，所以能完全滿足高精度伺服系統(tǒng)的控制要求[2,4]。

　　2滑模變結(jié)構(gòu)控制器設計

　　直流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，雖然在多數(shù)情況下常把電機的參數(shù)看成常數(shù),但實際當轉(zhuǎn)速在大范圍內(nèi)變化時,電機的參數(shù)并非常數(shù),而滑?？刂普脤?shù)的變化不太敏感,故使用這種控制方式來控制電機具有很大的優(yōu)越性。

　　圖1直流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1直流伺服系統(tǒng)及其數(shù)學模型

　　2.2滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本問題

　　2.3切換函數(shù)s的選取

　　2.4控制量u的求取

　　2.5系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

　　3仿真與結(jié)論

　　由仿真結(jié)果可以看到，顯然，當有電機參數(shù)大幅攝動時，滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)能適應系統(tǒng)參數(shù)的變化，響應時間很快，很快達到穩(wěn)態(tài)，無超調(diào);而PID產(chǎn)生了大幅度的超調(diào)，對于直流伺服電機控制系統(tǒng)而言，超調(diào)過大，嚴重影響加工等過程。

　　5結(jié)束語

　　本文通過對直流伺服系統(tǒng)分析，并對其設計了滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，設計方法簡單，易于實現(xiàn)。從仿真分析可知，滑模變結(jié)構(gòu)控制優(yōu)于PID控制，具有較強抑制參數(shù)攝動，自適應強。另外合理地選擇切換函數(shù)和控制率參數(shù)，滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)具有快速性好、無超調(diào)、無靜差的優(yōu)良動、靜態(tài)性能，而且系統(tǒng)參數(shù)攝動時，具有很好的魯棒性。