摘要：近几年，在国防与工业等领域都开始应用伺服系统，如：数控机床、雷达伺服的系统以及硬盘驱动的伺服系统等，为契合伺服系统高性能的要求，需要设计先进控制的算法。本文着重分析了伺服系统的建模，深入研究干扰抑制的的性能，并提出控制方法，以期为相关研究提供参考。
关键词：伺服系统；反馈控制；设计
通常情况下，高性能的伺服系统主要包含位置环、电流环与速度环，在设计控制器时，应该符合伺服系统跟踪性能与控制性能的要求。但是在实际的工作中，无法有效保障伺服系统稳定性与快速性，经常有共性问题，这也是扰动问题与高频谐振的问题。这就需要相关人员深入分析伺服系统的设计，以提高高频谐振，确保伺服系统能够正常的运行。
1.伺服系统的建模
在伺服系统算法设计与分析中，数学模型属于基础部分，尤其是模型控制算法的设计，需要获得精确系统数学的模型，数学模型一般是经系统辨识或是机理建模获得。如：应用鲁棒控制或是根轨迹的方法获得被控制对象状态空间的描述或是传递函数。通常对象模型通过状态空间的矩阵元素或是多项式的系数进行描述，矩阵元素或是多项式的系数是对象模型的参数，这种类型叫做对象参数的模型。并且经典型频率响应的测试所得实验的数据，能够绘出对象函数的曲线，该曲线叫做对象非参数的模型。就给定对象而言，机理的建模是经基本物理的定律与对象结构数据来构建系统数学的模型，而系统辨识主要是经频域辨识或是时域辨识的方法，获得输出与输入系统间数学的模型[1]。
在具体伺服系统的建模之中，机电主要采取机理建模的方式，高频谐振采取系统辨识的方式进行建模。很多文献中都对系统辨识方法进行了研究，例如：Kuszta与Sinha对系统辨识关键性方式进行归纳，主要包含模型调节的方法与经典辨识方法。在天线伺服的系统模型中，包含天线结构高频谐振的模型、电机模型、放大器的模型与变速箱的模型等。放大器的模型、电机模型以及变速箱的模型中机电部分应用机理的建模，而天线结构高频谐振的模型采取系统辨识的方法来建模。经过对伺服系统建模，能够实时观测外界干扰情况，以便针对实际情况制定相应的抑制方法，保证伺服系统能够正常的运作[2]。
2.干扰抑制的性能
在伺服控制的系统设计过程中，一个重要问题就是干扰抑制，由于伺服系统容易遭受扰动影响，如：天线伺服的系统容易因为高频谐振与低频风的扰动受到影响；硬盘驱动的伺服系统容易因为执行器与噪声高频谐振受到影响。若系统扰动模型能够直接测量或是已知，可以通过插入扰动内部模型或是前馈控制的方法，就可以有效控制伺服系统。但是在实践操作中，由于系统扰动模型多为不可测量或是未知，所以需要相关人员深入分析系统未知或是已知的外界扰动控制方式，提升伺服系统干扰抑制的性能。
2.1自抗扰的控制
自抗扰的控制属于新型控制的对策，其不依赖被控对象的精确数学模型，且鲁棒稳定性与干扰的抑制能力比较强，广泛应用于伺服系统之中。通常情况下，自抗扰的控制包含非线性比例的微分控制规律、跟踪微分器以及扩张状态的观测器三个部分。其中，跟踪的微分器主要作用就是对过渡阶段进行控制，将控制过程的输出起调量降低，扩张状态的观测器属于自抗扰的控制器中心部分，可以动态补偿与实时观测模型的不确定性、非线性情况[3]。
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2.2 H2的控制
在硬盘驱动的伺服系统之中，磁道的对准不良可以定义成实际位置的误差信号的三倍方差，也就是3¾pes。在3¾pes的误差源中，主要包含测量噪声误差、输入干扰与输出干扰误差。其中，输入干扰组成有摩擦、谐振与振动等机械的扰动；输出干扰则是通过主轴旋转介质与扰动的噪声组成；而测量的噪声则产生于传感器。通常系统反馈的控制器设计主要目的就是对测量噪声与外界干扰进行抑制，降低误差信号方差¾pes。
2.3扰动的观测器方法
在高性能的伺服系统之中，扰动的观测器（DOB）方法应用比较广泛，究其原因，扰动的观测器鲁棒性能比较好与结构相对简单，经设计低通的滤波器与采取标称模型逆模型，可以使得扰动观测器实时估计外部的干扰，再将补偿引入到控制的信号之中，将外部的干扰对于系统影响抵消[4]。
3.先进控制的算法
近几年，伴随企业对于伺服系统性能的要求逐渐提高，开始广泛应用双极驱动的控制。在双极驱动的控制之中，初调的驱动器可以对低频范围中大位移的运动进行控制，而精调的驱动器可以对高频范围中小位移的运动进行控制。与单级的驱动控制相比，双极驱动的控制可以提高系统伺服带宽的作用，并且效果明显。在设计伺服系统控制的算法时，需要充分考虑相关频段干扰抑制的问题，也就是感染频率的范围属于可以观测或是已知的，如：指向误差之中轨迹变形干扰问题。通常采用相位调节的谐振补偿器与迭代学习的控制方法可以对上述干扰问题进行控制，而传统窄带干扰则采取峰值的滤波器控制。近几年，相关人员提出混合控制的技术，混合控制的技术可以对硬盘驱动的伺服系统不同的窄带扰动进行控制。
4.结论
总之，本文阐述了硬盘驱动的伺服系统与天线的伺服系统，分析外界扰动、高频谐振以及带宽约束问题，并由鲁棒的稳定性、系统干扰控制以及跟踪性能等角度，对伺服控制的系统中控制器的设计方法进行归纳。若伺服系统之中外界的扰动可以直接测量或是已知，可采取前馈的控制方法，同时能够添加扰动信号的对应内模，以便对系统中外界扰动进行控制，确保鲁棒的稳定性与提高跟踪性能。但是在很多情况下，不能获取伺服系统的精确外界扰动的信号，所以不能通过一种控制算法，获得较好扰动抑制的效果。因此，需要采取先进伺服控制的算法与扰动估计的方法，对外界扰动进行控制，科学设计控制算法，提升伺服系统带宽，对各种外界扰动进行抑制。
参考文献：
[1]陈强，罗鹏.基于扩张状态观测器的机电伺服系统饱和补偿与自适应滑模控制[J].系统科学与数学，2016，36（10）：1535-1547.
[2]卢涛，于海生，山炳强.永磁同步电机伺服系统的自适应滑模最大转矩/电流控制[J].控制理论与应用，2015，32（02）：251-255.
[3]吴跃飞，马大为，姚建勇.基于修正LuGre模型的自适应鲁棒控制在机电伺服系统中的应用[J].机械工程学报，2014，23（22）：207-212.
[4]程真何，郭健，季晶晶.具有传动柔性的伺服系统自适应鲁棒控制设计[J].南京理工大学学报（自然科学版），2015，39（06）：650-654.
论文作者:郑元元,韩亮,党艳娜,杨筱卉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/7
标签：伺服系统论文; 模型论文; 干扰论文; 系统论文; 谐振论文; 观测器论文; 建模论文; 《基层建设》2017年第25期论文;