運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的抗干擾控制理論與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著電力電子技術(shù)、集成電路技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，在很多高端研究領(lǐng)域，如專用機(jī)器人、醫(yī)療器械、汽車制造業(yè)、零部件加工等，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能都提出了更高的要求。同時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)本身機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為強(qiáng)耦合的多變量非線性系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的線性控制方法已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)高性能控制系統(tǒng)的要求。因此，近年來(lái)非線性控制算法在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，但是仍有許多亟待解決的問(wèn)題。本論文研究了以永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)和機(jī)械

2、臂為對(duì)象的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的抗干擾控制問(wèn)題，主要是對(duì)基于連續(xù)滑模的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)速度控制、基于連續(xù)終端滑模的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)速度控制、基于時(shí)變擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)挠邢迺r(shí)間輸出反饋控制及其在剛性機(jī)械臂的應(yīng)用、基于時(shí)變擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜嵝詸C(jī)械臂有限時(shí)間輸出反饋位置控制、基于連續(xù)滑模的柔性機(jī)械臂不匹配擾動(dòng)抑制控制和基于連續(xù)終端滑模的柔性機(jī)械臂不匹配擾動(dòng)抑制控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果和貢獻(xiàn)如下:
　　一、針對(duì)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的速度控制問(wèn)題，分

3、別給出了基于連續(xù)滑模和廣義比例積分觀測(cè)器的復(fù)合速度控制器設(shè)計(jì)方法和基于連續(xù)終端滑模和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的復(fù)合速度控制器設(shè)計(jì)方法。兩種復(fù)合控制器的共同優(yōu)點(diǎn)是:與傳統(tǒng)的滑?？刂品椒ㄏ啾?，所提出的兩種復(fù)合控制器都可以減小傳統(tǒng)滑?？刂坡芍杏捎诖嬖诜?hào)函數(shù)而引起的抖振現(xiàn)象。這是由于復(fù)合控制律中包含了擾動(dòng)前饋?lái)?xiàng)，滑模控制中的控制增益就可以選為較小的值，從而可以使系統(tǒng)獲得較小的穩(wěn)態(tài)速度波動(dòng)。兩種復(fù)合控制器的不同優(yōu)點(diǎn)是:基于連續(xù)滑模和廣義比例積分觀測(cè)器的復(fù)

4、合速度控制方法可以抑制時(shí)變擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響;而基于連續(xù)終端滑模和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的復(fù)合速度控制器設(shè)計(jì)方法可以使系統(tǒng)獲得較快的收斂速度，從而提高系統(tǒng)的速度跟蹤性能。最后，仿真和實(shí)驗(yàn)都說(shuō)明了所提出的復(fù)合控制策略的有效性。
　　二、針對(duì)一類受時(shí)變擾動(dòng)影響的不確定系統(tǒng)，給出了基于時(shí)變擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)挠邢迺r(shí)間輸出反饋控制器設(shè)計(jì)方法，并分別在剛性機(jī)械臂和柔性機(jī)械臂上做了測(cè)試。所提出的控制方法的設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括兩部分:連續(xù)有限時(shí)間狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)

5、計(jì)和有限時(shí)間輸出反饋控制器的設(shè)計(jì)。連續(xù)有限時(shí)間狀態(tài)觀測(cè)器可以用來(lái)同時(shí)估計(jì)系統(tǒng)未知擾動(dòng)、擾動(dòng)的各階導(dǎo)數(shù)及不可測(cè)量的狀態(tài)。有限時(shí)間輸出反饋控制器利用估計(jì)的狀態(tài)值實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。估計(jì)的擾動(dòng)值前饋至控制器用來(lái)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。為了驗(yàn)證所提策略的有效性，我們分別設(shè)計(jì)了基于時(shí)變擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膭傂詸C(jī)械臂有限時(shí)間輸出反饋位置控制策略和基于時(shí)變擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜嵝詸C(jī)械臂有限時(shí)間輸出反饋位置控制策略。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的基于廣義比例積分觀測(cè)器的控制方法相比

6、，所提出的方法可以顯著提高剛性和柔性機(jī)械臂的位置跟蹤性能和抗擾能力。
　　三、針對(duì)已有的擾動(dòng)抑制方法無(wú)法有效解決系統(tǒng)的不匹配擾動(dòng)抑制問(wèn)題，考慮了柔性機(jī)械臂在匹配/不匹配時(shí)變擾動(dòng)下的位置跟蹤問(wèn)題，并給出了兩種控制器設(shè)計(jì)方案。第一種方案是基于連續(xù)滑模控制和廣義比例積分觀測(cè)器的復(fù)合位置控制器設(shè)計(jì)方法。該方案的設(shè)計(jì)過(guò)程是:首先，基于連續(xù)滑?？刂萍夹g(shù)，對(duì)柔性機(jī)械臂設(shè)計(jì)了位置控制器。其次，為了抑制柔性機(jī)械臂中存在的與控制輸入不在同一通道的不匹

7、配時(shí)變擾動(dòng)，提出了基于連續(xù)滑?？刂坪蛷V義比例積分觀測(cè)器的復(fù)合位置控制方法。最后，給出的三組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了在該復(fù)合位置控制器下閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得更好的跟蹤性能。為了進(jìn)一步提高柔性機(jī)械臂在匹配/不匹配擾動(dòng)下的位置跟蹤性能，將之前結(jié)果推廣到了有限時(shí)間收斂情況:基于連續(xù)終端滑?？刂坪陀邢迺r(shí)間狀態(tài)觀測(cè)器的復(fù)合位置控制器設(shè)計(jì)方法。該方案的設(shè)計(jì)過(guò)程是:首先，基于連續(xù)終端滑模控制技術(shù)，對(duì)柔性機(jī)械臂設(shè)計(jì)了位置控制器。其次，提出了基于連續(xù)終端滑?？刂坪陀?/p>