時變不確定機電運動系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)控制.pdf

1、機電運動系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中最常見和應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，機電運動控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，表現(xiàn)出非常復(fù)雜的非線性特性，如死區(qū)、粘滑以及速度依賴等，同時會隨著外界條件諸如機械磨損、慣量變化、溫度和潤滑等因素而變化，具有時變特性。因此，通常難以用一般數(shù)學(xué)方法精確描述其數(shù)學(xué)模型和未建模不確定性。然而，實際工程中的超精密機床、工業(yè)機器人、半導(dǎo)體制造等設(shè)備對運動控制部件的運動速度和精度要求卻越來越高。要獲得高速高精度的運動系統(tǒng)，不

2、僅需要進行精巧的機構(gòu)設(shè)計，也需要設(shè)計高性能的運動控制器。 自適應(yīng)技術(shù)就是針對實際工程應(yīng)用而發(fā)展起來的一門具有自動學(xué)習(xí)系統(tǒng)不確定性的控制技術(shù)，在新的應(yīng)用需求的推動下，新一輪的自適應(yīng)控制得到了空前的發(fā)展。但是針對時變不確定機電運動系統(tǒng)的自適應(yīng)控制理論仍然還有許多問題需要解決，還需要控制相關(guān)領(lǐng)域的研究者繼續(xù)付出艱辛的努力。因此，本論文針對典型的時變不確定機電運動系統(tǒng)的自適應(yīng)控制器設(shè)計展開研究工作，并將所得到的控制器應(yīng)用到實際的機電運動

3、系統(tǒng)的控制中。主要工作包括以下四個方面： 1)綜合PID的簡單結(jié)構(gòu)和良好性能優(yōu)勢以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自調(diào)節(jié)和自適應(yīng)的特長，針對單輸入的非線性多變量系統(tǒng)，提出了一種具有PID結(jié)構(gòu)的多變量自適應(yīng)的PID型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器PIDNNC。通過定義誤差函數(shù)作為設(shè)計目標(biāo)，采用帶有彈性算法的梯度下降法，并用變化率以及彈性算法中的符號法來處理某些求導(dǎo)關(guān)系，獲得適用于實時在線調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的修正公式，并根據(jù)李亞普諾夫直接方法推導(dǎo)出確保閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的學(xué)習(xí)

4、速率的取值范圍。最后，在實際的二級直線倒立擺裝置上使用PIDNNC實現(xiàn)倒立擺的鎮(zhèn)定控制，并在相同條件下與LQR的控制結(jié)果進行對比分析。在進行實際實驗之前，還詳細(xì)研究了采用LQR獲取最優(yōu)的PIDNNC初始權(quán)值的問題。 2)將PIDNNC擴展為非線性的具有PID特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器NLPIDC。首先給出了控制器的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整算法，然后應(yīng)用離散形式的李亞普諾夫直接方法對閉環(huán)控制系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，獲得了確保閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定

5、的學(xué)習(xí)速率取值范圍；最后通過虛擬樣機軟件(ADAMS)和MATLAB聯(lián)合搭建非線性動力學(xué)系統(tǒng)仿真平臺，并在該仿真平臺上應(yīng)用所提出的控制器對三級倒立擺系統(tǒng)進行鎮(zhèn)定控制仿真實驗。 3)針對具有非線性時變不確定性的上三角系統(tǒng)，基于函數(shù)逼近技術(shù)和滑?？刂苹驹硖岢隽艘环N新的自適應(yīng)控制器FASMAC。FASMAC不需要預(yù)知非線性不確定性的上界，只需要通過傅立葉級數(shù)技術(shù)將系統(tǒng)的不確定性轉(zhuǎn)化為未知時不變的系數(shù)向量與已知的時變函數(shù)級數(shù)的乘積，

6、再應(yīng)用李亞普諾夫直接方法得到未知的非線性時變不確定項的在線逼近和逼近誤差的自適應(yīng)補償，最終獲得實時的滑模自適應(yīng)控制律。最后將所提出的FASMAC應(yīng)用到直流電機的位置跟蹤控制中。 4)通過引入額外的關(guān)于誤差平方和的性能函數(shù)，將時變不確定上三角系統(tǒng)的滑模自適應(yīng)控制器擴展為一般單輸入多輸出系統(tǒng)的自適應(yīng)控制器SIMOAC。然后將所得到的SIMOAC應(yīng)用到實際直流電機裝置的位置跟蹤控制以及三級倒立擺的仿真鎮(zhèn)定控制中，并把實際實驗和仿真結(jié)果與其他方