曾添一等：基于有限时间滤波控制的电机驱动系统结构/控制一体化设计 .1199· 表1电机驱动系统参数 rad的参考信号下，最大跟踪误差不超过0.1rad.为 Table 1 System parameters of the motor driving system 进一步验证本文设计控制器性能，将初始误差设为 b/ b/ 8/rad 3rad,仿真结果在图2~4中给出.从仿真结果中可 (Nm's.rad-1)(Nm.s.rad-1)(Nm-rad-1) (kg·m2) 以看出，在存在较大初始误差的条件下，本文所设计 1.2 1.3 56 0.2 0.028 控制器仍能够保证电机驱动系统良好的控制性能， 采用上述参数与参考信号，能够得到系统的跟 跟踪误差在0.1ad以内.因此，本文设计的有限时 踪控制结果如图2~4所示 间滤波控制器能够较好的解决电机驱动系统的跟踪 控制问题 2.0f 1.5 为验证本文所提出一体化设计方法的有效性， 1.0 0.5 选取y=5ad的参考信号，设置不同的结构参数 J1,仿真结果如图5所示. 05 -1.0 -15 -2.0 -2.5 一较大初始误差跟踪性能 -一参考信号 一跟踪性能 一参考信号 3.0 5 10 15 20 -/=1.10kgm2 时间/s /=0.41kgm2 图2电机驱动系统跟踪性能 Fig.2 Tracking performance of the motor driving system 0.5 4 567 8910 时间/s 0.5 图5驱动不同负载的控制性能比较 0.1 -1.0 一较大初始误差下的跟踪误差 Fig.5 Tracking performance of the motor driving system with differ- 一负载跟踪误差 -0. ent plant parameters -1.5 -0.3 -2.0 从图5中可以看出，改变负载的大小会影响系 -2.5 统的控制性能.采用一体化设计得到的负载能够获 得更好的控制效果.而选取其他的结构参数会破坏 -3.0 10 15 20 25 30 时间/s 系统的全局最优，从而导致系统控制性能下降.经 图3电机驱动系统跟踪误差 过一体化设计，可知系统的驱动能力.所以在驱动 Fig.3 Tracking error of the motor driving system 更大负载的条件下，控制性能会受到影响. 4结论 一较大初始误差时的控制输人 7 一系统控制输人 为提升电机驱动系统的控制性能，考虑了结构 与控制之间的耦合问题，提出了基于有限时间滤波 5432 控制的结构/控制一体化设计方法.首先，为解决电 机驱动系统的跟踪控制问题，设计了有限时间滤波 控制器.所提出的控制器能够在估计系统中负载速 度信息的同时完成有限时间跟踪控制.随后，考虑 结构参数会对控制性能产生影响，提出了结构/控制 15 20) 体化设计方法.提出的一体化性能指标能够在满 时间s 足控制性能要求的同时，优化得到系统所能驱动的 图4电机驱动系统控制输入 Fig.4 Control input of the motor driving system 最大负载，从而提升了控制系统的性能.为便于一 体化问题求解，本文引入嵌套优化策略，使得一体化 从上述仿真结果中可以看出，本文所提出的跟 设计结构物理意义明确，求解复杂度降低.在此基 踪控制器能够驱动负载跟踪期望信号.在幅值为2 础上，通过自适应补偿的布谷鸟搜索算法得到了一曾添一等: 基于有限时间滤波控制的电机驱动系统结构/ 控制一体化设计 表 1 电机驱动系统参数 Table 1 System parameters of the motor driving system bL / (Nm·s·rad - 1 ) bm / (Nm·s·rad - 1 ) k / (Nm·rad - 1 ) 啄 / rad Jm / (kg·m 2 ) 1郾 2 1郾 3 56 0郾 2 0郾 028 采用上述参数与参考信号,能够得到系统的跟 踪控制结果如图 2 ~ 4 所示. 图 2 电机驱动系统跟踪性能 Fig. 2 Tracking performance of the motor driving system 图 3 电机驱动系统跟踪误差 Fig. 3 Tracking error of the motor driving system 图 4 电机驱动系统控制输入 Fig. 4 Control input of the motor driving system 从上述仿真结果中可以看出,本文所提出的跟 踪控制器能够驱动负载跟踪期望信号. 在幅值为 2 rad 的参考信号下,最大跟踪误差不超过 0郾 1 rad. 为 进一步验证本文设计控制器性能,将初始误差设为 3 rad,仿真结果在图 2 ~ 4 中给出. 从仿真结果中可 以看出,在存在较大初始误差的条件下,本文所设计 控制器仍能够保证电机驱动系统良好的控制性能, 跟踪误差在 0郾 1 rad 以内. 因此,本文设计的有限时 间滤波控制器能够较好的解决电机驱动系统的跟踪 控制问题. 为验证本文所提出一体化设计方法的有效性, 选取 yd = 5 rad 的参考信号,设置不同的结构参数 JL ,仿真结果如图 5 所示. 图 5 驱动不同负载的控制性能比较 Fig. 5 Tracking performance of the motor driving system with differ鄄 ent plant parameters 从图 5 中可以看出,改变负载的大小会影响系 统的控制性能. 采用一体化设计得到的负载能够获 得更好的控制效果. 而选取其他的结构参数会破坏 系统的全局最优,从而导致系统控制性能下降. 经 过一体化设计,可知系统的驱动能力. 所以在驱动 更大负载的条件下,控制性能会受到影响. 4 结论 为提升电机驱动系统的控制性能,考虑了结构 与控制之间的耦合问题,提出了基于有限时间滤波 控制的结构/ 控制一体化设计方法. 首先,为解决电 机驱动系统的跟踪控制问题,设计了有限时间滤波 控制器. 所提出的控制器能够在估计系统中负载速 度信息的同时完成有限时间跟踪控制. 随后,考虑 结构参数会对控制性能产生影响,提出了结构/ 控制 一体化设计方法. 提出的一体化性能指标能够在满 足控制性能要求的同时,优化得到系统所能驱动的 最大负载,从而提升了控制系统的性能. 为便于一 体化问题求解,本文引入嵌套优化策略,使得一体化 设计结构物理意义明确,求解复杂度降低. 在此基 础上,通过自适应补偿的布谷鸟搜索算法得到了一 ·1199·