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文檔簡介
1、在工程應(yīng)用中,由于建模誤差、系統(tǒng)參數(shù)攝動以及干擾等因素不可避免地存在,實(shí)際系統(tǒng)一般都存在不確定性,基于標(biāo)稱模型設(shè)計(jì)的控制器大多數(shù)時(shí)候不能得到令人滿意的控制指標(biāo)?;W兘Y(jié)構(gòu)控制因?yàn)榫哂袑ζヅ洳淮_定性的完全魯棒性和降階特性而備受關(guān)注,發(fā)展了多種先進(jìn)滑模控制,如積分滑模、終端滑模和高階滑模等,雖然改進(jìn)了傳統(tǒng)滑模的收斂速度和抗干擾等性能,但抖振現(xiàn)象仍是限制其工程應(yīng)用的最根本原因。為了繼承滑模控制設(shè)計(jì)簡單和魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn),同時(shí)又能避免抖振帶來的不
2、利影響,本文提出了一種模型偏差補(bǔ)償算法,其核心思想是從狀態(tài)誤差中把由未建模動態(tài)等不確定項(xiàng)引起的部分以等效量的形式正確估計(jì)出來,并引入相應(yīng)的控制量對其進(jìn)行補(bǔ)償,從而減弱甚至抵消不確定性的影響,繼而可以減小切換增益甚至用滑模函數(shù)取代符號函數(shù),相應(yīng)的抖振就會減弱甚至徹底消除。雖然模型偏差補(bǔ)償?shù)乃枷胧瞧毡檫m用的,但對于不同動態(tài)特性的系統(tǒng)需要具體分析,具有不同的補(bǔ)償形式。本文主要針對幾類典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同形式的模型偏差補(bǔ)償控制律,最后將其應(yīng)用到混
3、凝土泵車智能臂架的自動運(yùn)行模式,達(dá)到了期望的控制目標(biāo)。
本論文的主要研究內(nèi)容包括:
(1)研究了一類不確定非線性系統(tǒng)的模型偏差補(bǔ)償控制方法,設(shè)計(jì)了積分形式的補(bǔ)償項(xiàng)??紤]一般非線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)理想滑模面的困難,首先利用微分幾何中的相關(guān)知識將系統(tǒng)狀態(tài)變換為簡約型,討論了可狀態(tài)變換的條件和形式。分析了滑??刂飘a(chǎn)生抖振的原因及削弱抖振的方法,特別是最常采用的飽和函數(shù)代替符號函數(shù)的方法,雖然能夠降低抖振,但同時(shí)也降低了控制器的抗干
4、擾性并使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差?;诖耍覀兝貌淮_定項(xiàng)引起的滑模變化等效量推導(dǎo)出積分形式的模型偏差補(bǔ)償項(xiàng),理論證明此項(xiàng)的加入使得切換增益變小,從而有效地減弱了抖振,消除了穩(wěn)態(tài)誤差,對于解決不確定非線性系統(tǒng)的初態(tài)和期望軌跡起點(diǎn)一致的軌跡跟蹤問題具有滿意的控制效果。此外,我們還討論了當(dāng)初始值不一致時(shí)的算法改進(jìn),包括:構(gòu)造系統(tǒng)初態(tài)到期望軌跡之間的過渡過程,重新規(guī)劃跟蹤軌跡;改變模型偏差補(bǔ)償項(xiàng)的作用范圍,只在滑模變化較小時(shí)才加入;采用基于積分滑模面
5、的模型偏差補(bǔ)償法,利用積分滑模面的特殊結(jié)構(gòu)使得在系統(tǒng)運(yùn)行之初就到達(dá)滑模面,同時(shí)補(bǔ)償項(xiàng)的加入也能減弱滑模控制中出現(xiàn)的抖振問題。
(2)研究了離散形式的模型偏差補(bǔ)償律。隨著大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展和各種處理器性能的顯著提高,現(xiàn)代控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越多地采用數(shù)字控制器。針對非線性系統(tǒng)精確離散化困難的問題,我們采用Taylor級數(shù)展開法得到近似離散模型,并將截?cái)嗾`差看做系統(tǒng)總不確定項(xiàng)的一部分,由所設(shè)計(jì)的補(bǔ)償項(xiàng)抵消。給出離散模型偏差補(bǔ)償
6、算法的完整設(shè)計(jì)步驟,系統(tǒng)穩(wěn)定性證明與控制參數(shù)選取問題轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式的可行解。所提方法結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算量小,適合在微處理器中實(shí)現(xiàn),可用于數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)。最后,兩連桿機(jī)械臂的軌跡跟蹤仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用模型偏差補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器具有較好的控制品質(zhì)和魯棒性。
(3)研究了基于預(yù)測的模型偏差補(bǔ)償控制方法,適用于具有時(shí)滯特性的被控對象。針對時(shí)滯系統(tǒng)具有響應(yīng)速度慢和對控制輸入不敏感的特性,需要合理地選擇控制周期和補(bǔ)償形式。首先,
7、我們利用帶反饋校正的預(yù)測模型估計(jì)未來時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài),設(shè)計(jì)具有預(yù)測功能的模型偏差補(bǔ)償控制,用補(bǔ)償項(xiàng)抵消預(yù)測誤差與不確定性的影響,具有較好的控制效果,同時(shí)線性矩陣不等式的相關(guān)理論證明了所提算法的穩(wěn)定性。其次,由系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系,如階躍響應(yīng)曲線,根據(jù)控制量的變化所產(chǎn)生的實(shí)際調(diào)節(jié)效果預(yù)測消除模型偏差所需的補(bǔ)償因子,構(gòu)造模型偏差補(bǔ)償律,也是一種用于時(shí)滯系統(tǒng)的有效方法。線性和非線性帶時(shí)滯系統(tǒng)的數(shù)值仿真結(jié)果表明所提算法都能保證在幾個控制周期內(nèi)使系
8、統(tǒng)輸出達(dá)到設(shè)定值,消除了不確定性對系統(tǒng)的影響。
(4)研究了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的模型偏差補(bǔ)償控制方法,可用于解決不確定項(xiàng)變化較快且狀態(tài)變量不能完全測量得到的系統(tǒng)控制問題。擴(kuò)張狀態(tài)觀測器通過將能夠影響被控輸出的不確定項(xiàng)的等效作用量擴(kuò)張成新的狀態(tài)變量,建立特殊的反饋機(jī)制來觀測不確定項(xiàng)和系統(tǒng)狀態(tài)。利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的良好跟蹤性能,設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償項(xiàng),同時(shí)將其對系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)值用到反饋控制中,構(gòu)建模型偏差補(bǔ)償控制律。進(jìn)一步,采用終端滑模
9、面提高了算法的收斂速度和魯棒性。將設(shè)計(jì)的復(fù)合控制律用于單連桿柔性臂的角度跟蹤控制,既實(shí)現(xiàn)了柔性臂的大范圍精確運(yùn)動,又很好地抑制了柔性臂的振動。
(5)研究并實(shí)現(xiàn)了混凝土泵車智能臂架系統(tǒng)的自動運(yùn)行算法。為了簡化測試過程,降低操作風(fēng)險(xiǎn)和測試成本,我們搭建了泵車臂架系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺,模擬整個臂架系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境,主要包括手持遙控器、基于PLC的運(yùn)動控制器和基于工控機(jī)的臂架仿真,還有各部分之間的接口板與通信協(xié)議。詳細(xì)介紹了以上三個主
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