基于滑模变结构的直流伺服电机控制器设计

1引言

滑模变结构控制系统是一类特殊的变结构控制系统。起特殊之处在于，系统的控制不仅有切换，而且该切换特性可以迫使系统的状态在切换面上沿预定的轨迹作小幅度、高频率的趋近运动-滑动模态运动。这种滑动模态可以设计成与系统的参数及扰动无关。这样，滑模变结构控制无须系统在线辨识就具有很好的鲁棒性。滑模变结构控制近年来已被广泛应用于处理一些复杂的线性系统、非线性系统、时变、多变量耦合等确定性和不确定性系统，可使系统获得良好的动态品质[1]。而对于高性能的直流伺服系统，一般要求精度高、无超调、响应速度快且鲁棒性好。根据自动调节原理设计的常规PID、PI等控制器，结构简单，设计方法成熟，也容易实现，但直流伺服系统中的非线性、参数的时变性和外部扰动等都影响系统的控制性能，很难满足高精度伺服系统的要求。滑模变结构控制的滑动模态对加给系统的干扰和系统的各种摄动具有完全自适应性，所以能完全满足高精度伺服系统的控制要求[2,4]。

2滑模变结构控制器设计

直流伺服系统的结构框图如图1所示，虽然在多数情况下常把电机的参数看成常数,但实际当转速在大范围内变化时,电机的参数并非常数,而滑模控制正好对参数的变化不太敏感,故使用这种控制方式来控制电机具有很大的优越性。



图1直流伺服系统的结构框图

2.1直流伺服系统及其数学模型





2.2滑模变结构控制的基本问题


2.3切换函数s的选取


2.4控制量u的求取


2.5系统稳定性分析



3仿真与结论







由仿真结果可以看到，显然，当有电机参数大幅摄动时，滑模变结构控制系统能适应系统参数的变化，响应时间很快，很快达到稳态，无超调；而PID产生了大幅度的超调，对于直流伺服电机控制系统而言，超调过大，严重影响加工等过程。

5结束语

本文通过对直流伺服系统分析，并对其设计了滑模变结构控制策略，设计方法简单，易于实现。从仿真分析可知，滑模变结构控制优于PID控制，具有较强抑制参数摄动，自适应强。另外合理地选择切换函数和控制率参数，滑模变结构控制系统具有快速性好、无超调、无静差的优良动、静态性能，而且系统参数摄动时，具有很好的鲁棒性。