基于伺服系統(tǒng)的反饋控制設(shè)計(jì)研究

史曉明

（中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，石家莊 050081）

現(xiàn)階段，我國(guó)伺服系統(tǒng)位于工業(yè)、國(guó)防和軍事等相關(guān)領(lǐng)域得到重點(diǎn)應(yīng)用。伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的及時(shí)性與快速性予以厚望，且期望系統(tǒng)擁有良好的魯棒穩(wěn)定性。具體工程方面，伺服系統(tǒng)及時(shí)性和穩(wěn)定性無法獲得全部有效保障。外界擾動(dòng)和高頻諧振屬于需要面對(duì)的重點(diǎn)，且以上問題同樣屬于系統(tǒng)具有的共性問題。具體工程中，若設(shè)計(jì)人員無法設(shè)計(jì)出可以對(duì)高頻諧振形成有效抑制的科學(xué)計(jì)算方法，勢(shì)必對(duì)系統(tǒng)寬帶提升產(chǎn)生不利影響。

1 伺服控制系統(tǒng)的概述

現(xiàn)階段，伺服系統(tǒng)位于工業(yè)、軍事領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用范圍和空間。一般而言，伺服系統(tǒng)擁有的高性能通常由位置環(huán)與電流環(huán)以及速度換模塊共同構(gòu)成。圖1屬于典型伺服控制系統(tǒng)。對(duì)于伺服系統(tǒng)，反饋設(shè)置器設(shè)計(jì)階段，最初設(shè)計(jì)主要是用于對(duì)可鎮(zhèn)定控制器的設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)伺服誤差得到有效減小。同時(shí)，較易受外界擾動(dòng)（d）產(chǎn)生影響的情況下，伺服系統(tǒng)輸出位置（y）可以對(duì)給定型號(hào)（r）采取及時(shí)穩(wěn)定跟蹤。伺服系統(tǒng)的實(shí)際性能，同伺服控制算法息息相關(guān)，伺服算法具體應(yīng)用階段，需對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響的情況作出全面充分考慮。若想達(dá)到高精度伺服控制系統(tǒng)高性能標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)將伺服控制算法進(jìn)行深入分析研究，發(fā)展成為更加科學(xué)的控制算法。對(duì)目前控制算法采取綜合分析，均具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，不過同樣缺點(diǎn)共存。

圖1 典型的伺服控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)建模（Systemmodeling）

為確保系統(tǒng)分析以及算法設(shè)計(jì)穩(wěn)定有序進(jìn)行，需借助于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。以模型控制算法設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，需精確可靠的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型作為重要的基礎(chǔ)保障，模型則需借助系統(tǒng)識(shí)別方法或機(jī)理建模等得到。傳統(tǒng)線性系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)，需基于相應(yīng)的設(shè)計(jì)條件，涵蓋系統(tǒng)參數(shù)模型或非參數(shù)模型。比如，關(guān)于魯棒控制算法，其具體應(yīng)用階段，需對(duì)被控制對(duì)象實(shí)際狀態(tài)空間描述采取有效獲取。一般而言，通過狀態(tài)空間矩陣元素或多項(xiàng)式參數(shù)描述，即稱作對(duì)象模型，且上述元素可以共同稱作對(duì)象模型參數(shù)。機(jī)理建模則是基于對(duì)象結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及物理定律完成構(gòu)建系統(tǒng)模型。系統(tǒng)辨別則通過頻域辨識(shí)的方式，從而有效獲取系統(tǒng)輸入以及輸入之間的數(shù)學(xué)模型。伺服系統(tǒng)建模階段，機(jī)理建模成為機(jī)電的關(guān)鍵建模方法，系統(tǒng)識(shí)別方法則成為高頻諧振的關(guān)鍵建模方法。除此之外，天線伺服系統(tǒng)模型涵蓋不同方面模型，如電機(jī)、放大器和變速箱模型等。機(jī)理模型屬于上述模型十分關(guān)鍵的建立方法，系統(tǒng)辨別方法則屬于天線結(jié)構(gòu)高頻諧振的關(guān)鍵建模方法。

3 干擾抑制性能（Disturbancerejectionper formance）

伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，干擾抑制成為產(chǎn)生影響的關(guān)鍵問題。伺服系統(tǒng)受擾動(dòng)影響十分顯著，對(duì)天線伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的影響相對(duì)較為嚴(yán)重，高頻諧振以及低頻風(fēng)擾動(dòng)成為最為關(guān)鍵的影響因素。噪音以及執(zhí)行器存在的高頻諧振，則會(huì)對(duì)硬盤驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。如果系統(tǒng)擾動(dòng)模型可以被及時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，則能夠運(yùn)用前饋控制方法，對(duì)伺服系統(tǒng)存在的干擾產(chǎn)生相應(yīng)的抑制。除此之外，干擾抑制性的有效提高方法也屬于十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。抑制方法主要涵蓋：第一，擾動(dòng)觀測(cè)器。此方法通常位于高性能伺服系統(tǒng)進(jìn)行合理運(yùn)用，被運(yùn)用至當(dāng)前系統(tǒng)是由于擾動(dòng)觀測(cè)器具有良好的魯棒性能，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，相對(duì)較為簡(jiǎn)單。通過對(duì)低通濾波器的科學(xué)設(shè)計(jì)，或借助標(biāo)稱模型的逆模型，通過擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)外部干擾作出準(zhǔn)確仔細(xì)分析。然后，位于控制信號(hào)中引入補(bǔ)償，以此種方法對(duì)外部干擾產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行有效抵消。第二，自抗擾控制。此方法屬于國(guó)內(nèi)率先產(chǎn)生的全新控制策略，自抗擾控制被進(jìn)行廣泛運(yùn)用，得益于此方法不僅無需以被控對(duì)象數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，魯棒性以及干擾控制能力同樣相對(duì)較強(qiáng)。自干擾控制由跟蹤微分器與比例微分控制律和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器模塊共同構(gòu)成。跟蹤微分器主要是為了對(duì)過渡過程采取科學(xué)控制，從而確?？刂七^程輸出的超調(diào)量能夠得到相應(yīng)的減小。擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器屬于自抗擾控制的重要構(gòu)成，具體應(yīng)用階段具有十分關(guān)鍵的影響和作用?？梢詫?duì)被控系統(tǒng)存在的外部擾動(dòng)作出實(shí)時(shí)快速觀測(cè)，同樣可以采取相應(yīng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章對(duì)伺服系統(tǒng)反饋設(shè)計(jì)作出相應(yīng)的探討，對(duì)伺服系統(tǒng)具有的明顯共性問題作出具體分析，如高頻諧振以及外界擾動(dòng)等?；谒欧到y(tǒng)具備的魯棒性、干擾抑制和跟蹤性能，對(duì)伺服系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)作出進(jìn)一步的分析研究。一般而言，如果伺服系統(tǒng)具備如下條件的情況下，如系統(tǒng)可以完成直接快速測(cè)量、外界擾動(dòng)屬于已知的情況，則可對(duì)前饋控制法加以科學(xué)運(yùn)用，對(duì)其采取相應(yīng)的抑制，從而使系統(tǒng)跟蹤性能得到明顯的增強(qiáng)。大部分條件下，伺服系統(tǒng)外界擾動(dòng)信號(hào)特征無法被快速及時(shí)獲取，所以，關(guān)于系統(tǒng)擾動(dòng)如何采取科學(xué)高效抑制，運(yùn)用怎樣的方法增強(qiáng)抑制效果變成焦點(diǎn)問題。因此，有關(guān)科研人員務(wù)必重視對(duì)伺服系統(tǒng)采取全面深入的系統(tǒng)科學(xué)研究，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的控制算法，以此使伺服系統(tǒng)安全性得到切實(shí)有效提升。