基于擾動(dòng)探測的精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

摘要：近年來，擾動(dòng)觀測器已用于許多伺服系統(tǒng)和行業(yè)。本文重點(diǎn)在于基于干擾觀測的精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。第一種應(yīng)用干擾觀測的運(yùn)動(dòng)控制是基于干擾觀測器和傳感器矢量控制的電動(dòng)通勤列車的防滑再粘著控制。第二種擾動(dòng)觀測器的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用是光盤記錄系統(tǒng)的高速和魯棒跟蹤伺服系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：擾動(dòng)探測；運(yùn)動(dòng)控制；跟蹤控制；光盤系統(tǒng)

高通勤列車的加速和減速性能對實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)輸十分必要。切向力是由電動(dòng)通勤列車與鐵路和驅(qū)動(dòng)輪之間的切向力系數(shù)的權(quán)重之間的函數(shù)規(guī)定的。當(dāng)切向力系數(shù)減小，電動(dòng)通勤火車會(huì)有打滑現(xiàn)象?；片F(xiàn)象會(huì)讓乘客感到不舒服，且對導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)輪有損耗。因此電動(dòng)通勤列車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)好的防滑再粘連控制系統(tǒng)。我們提出的系統(tǒng)對四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，這種驅(qū)動(dòng)輪是由兩個(gè)只使用一個(gè)逆變器的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。

近來，光盤系統(tǒng)已被用于存儲(chǔ)音頻、視頻。光盤系統(tǒng)中的光盤轉(zhuǎn)速在同一時(shí)間隨著存儲(chǔ)容量的增加而增加。在下一代光盤系統(tǒng)中，光盤的旋轉(zhuǎn)速度變得幾乎等于10000轉(zhuǎn)每分。跟蹤控制系統(tǒng)必須迅速抑制對軌道偏心率的跟蹤誤差。而且，光盤系統(tǒng)有時(shí)會(huì)受到突如其來的干擾。在下一代光盤的跟蹤控制系統(tǒng)里必須具有高的精度性能和較寬的帶寬。光盤系統(tǒng)的跟蹤控制是利用PID控制，重復(fù)控制等通過反饋控制來實(shí)現(xiàn)的。重復(fù)控制已經(jīng)進(jìn)行了精確的跟蹤控制。但它很難保持參數(shù)變化的魯棒性能和所需的干擾抑制反應(yīng)。光盤減少跟蹤誤差以低于目標(biāo)耐受性是很困難的。

為了下一代光盤系統(tǒng)應(yīng)用的目的，跟蹤控制系統(tǒng)需要在高磁盤轉(zhuǎn)速的條件下控制精度也很高。因此，本文提出了一種新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且在光盤轉(zhuǎn)速幾乎等于10000轉(zhuǎn)每分鐘的條件下實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤控制。本文所示的前饋控制器是基于跟蹤誤差的預(yù)測和存儲(chǔ)器的跟蹤誤差，這是基于相位跟蹤零誤差控制。在跟蹤伺服系統(tǒng)僅使用跟蹤誤差實(shí)現(xiàn)所需的跟蹤伺服性能。提出的前饋控制系統(tǒng)在磁盤轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn)每分鐘的條件下很好地抑制周期性擾動(dòng)。

切向力的峰值是在取最大切向力系數(shù)的情況下產(chǎn)生的。當(dāng)電動(dòng)多個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過最大切向力，電動(dòng)多個(gè)單元有一個(gè)空轉(zhuǎn)/滑行現(xiàn)象。因此，最大切向力系數(shù)可被描述為附著系數(shù)。所需的防滑再粘著控制應(yīng)保持驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩在最大切向力附近。一般電動(dòng)多個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有低分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器的速度傳感器?？刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩迅速抑制空轉(zhuǎn)滑行現(xiàn)象是非常難的。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，本文提出的無傳感器矢量控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)四個(gè)電動(dòng)多個(gè)單元的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)?；诠烙?jì)的切向力的轉(zhuǎn)矩給定模式適用于提出的再粘著控制。

為了確認(rèn)給出的防滑再粘著控制系統(tǒng)的有效性，本文將所提出的方法應(yīng)用于實(shí)際電動(dòng)多個(gè)單元。在205-5000系列的電動(dòng)多個(gè)單元里，無傳感器矢量控制系統(tǒng)由一個(gè)PWM逆變器調(diào)節(jié)四個(gè)感應(yīng)馬達(dá)。測試列車的驅(qū)動(dòng)輪和輪軌都被噴灑了水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，給出的防滑再粘著控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所需的驅(qū)動(dòng)輪扭矩響應(yīng)于205～5000系列電動(dòng)多個(gè)單元。

一、擾動(dòng)觀測器的魯棒反饋伺服系統(tǒng)

本文采用光盤系統(tǒng)DDU1000，這個(gè)系統(tǒng)的跟蹤致動(dòng)器是電流驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)高性能的光盤跟蹤伺服記錄系統(tǒng)，提出一種基于互質(zhì)分解和干擾觀測的數(shù)字魯棒反饋伺服系統(tǒng)。提出的反饋伺服系統(tǒng)具有一個(gè)雙回路系統(tǒng)，提出的伺服系統(tǒng)被直接用來設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。內(nèi)環(huán)路系統(tǒng)是相當(dāng)于基于狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器的閉環(huán)系統(tǒng)。外回路系統(tǒng)相當(dāng)于基于擾動(dòng)觀測器的閉環(huán)系統(tǒng)。使用設(shè)計(jì)的反饋控制器，魯棒反饋控制系統(tǒng)在3600轉(zhuǎn)每分的條件下抑制了跟蹤誤差。然而，在光盤高速旋轉(zhuǎn)下保持剩余跟蹤誤差是很難的。為了克服這個(gè)問題，提出新的自由參數(shù)，是通過在頻域中使用循環(huán)的成型方法設(shè)計(jì)的。在這種情況下，包括了逆高通濾波器、逆陷波濾波器和超前相位元件。因此，設(shè)計(jì)的反饋控制系統(tǒng)可以抑制光盤轉(zhuǎn)速高的情況下剩余的跟蹤誤差。

二、光盤系統(tǒng)突然擾動(dòng)觀測

如果一個(gè)人帶著光盤記錄系統(tǒng)奔跑或者跳躍，光盤系統(tǒng)會(huì)有突然的干擾。由于光盤系統(tǒng)受到突然的干擾導(dǎo)致音圈馬達(dá)的輸入有了擾動(dòng)，它能夠考慮當(dāng)前的跟蹤致動(dòng)器。傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測器估計(jì)突然干擾是很困難的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的擾動(dòng)觀測器同時(shí)估計(jì)周期性干擾和突發(fā)干擾。由于光斑的位置受周期性擾動(dòng)和突然干擾的影響。跟蹤誤差是通過光斑位置和實(shí)際軌道位置之間的差異獲得的。跟蹤伺服系統(tǒng)只檢測跟蹤誤差。

三、前饋控制跟蹤誤差的預(yù)測

用于抑制跟蹤誤差，基于ZPET控制和的魯棒反饋伺服系統(tǒng)的魯棒前饋跟蹤伺服系統(tǒng)已經(jīng)提出。控制器ZPET在一個(gè)光盤系統(tǒng)中擁有使用兩種取樣跟蹤誤差。我們有兩個(gè)采樣前向跟蹤誤差的估計(jì)方法。本文將跟蹤誤差作為一個(gè)周期函數(shù)。使用DSP內(nèi)存，提出的估算方法會(huì)獲得兩個(gè)采樣跟蹤誤差。

然而，提出的跟蹤伺服系統(tǒng)中使用有前饋補(bǔ)償?shù)牡屯V波器。結(jié)果，剩余的跟蹤誤差并沒有減少。此外，提出的前饋跟蹤伺服系統(tǒng)需要一個(gè)高性能的DSP器件。

為了克服這一問題，提出一種新的前饋補(bǔ)償，快速零點(diǎn)和小信號噪音。跟蹤誤差的預(yù)測是由從ZPET-FF補(bǔ)償?shù)妮敵龅礁櫿`差的傳遞函數(shù)計(jì)算出來的。在我們之前的工作中因?yàn)橛醒诱`發(fā)生，我們提出新的前饋跟蹤伺服系統(tǒng)。通過用突發(fā)擾動(dòng)觀測器和新的前饋跟蹤伺服系統(tǒng)的構(gòu)成跟蹤伺服系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)。

通過使用多速率突然擾動(dòng)觀測器的前饋伺服系統(tǒng)在周期性干擾和突發(fā)干擾條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在本文中，剩余跟蹤誤差通過三次分配來進(jìn)行評價(jià)。多速率突然擾動(dòng)觀測器能很好地補(bǔ)償突發(fā)干擾的影響。跟蹤伺服系統(tǒng)能對突發(fā)干擾和周期性擾動(dòng)保持較小的跟蹤誤差。

本文重點(diǎn)在于基于干擾觀測器的精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。第一種應(yīng)用干擾觀測的運(yùn)動(dòng)控制是基于干擾觀測的電動(dòng)通勤列車的防滑再粘著控制。我們已經(jīng)將提出的方法應(yīng)用到實(shí)際的電動(dòng)多個(gè)單元。在205～5000系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，所提出的控制系統(tǒng)有所需的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和所需的防滑控制性能。此外，本文提出了一種新的考慮到電動(dòng)通勤列車的轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)的高階擾動(dòng)觀測。第二種應(yīng)用擾動(dòng)觀測器的運(yùn)動(dòng)控制是為下一代光盤系統(tǒng)的高速和魯棒跟蹤伺服系統(tǒng)。為了這個(gè)目的，提出的伺服系統(tǒng)具有采用自由參數(shù)的魯棒反饋控制系統(tǒng)，它是用干擾觀測器設(shè)計(jì)的。此外，為了抑制突然的干擾，該伺服系統(tǒng)具有突發(fā)干擾觀測器。本文提出了一種基于跟蹤誤差的預(yù)測的新型結(jié)構(gòu)的前饋控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，提出的系統(tǒng)在磁盤轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn)每分的條件下很好地調(diào)整了高精度跟蹤伺服控制。