基于三明治模型的非光滑非線性動態(tài)系統(tǒng)辨識與控制.pdf

1、隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,對控制精度、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)提出了越來越高的要求;控制對象也變得越來越復(fù)雜,組成部件不斷增多。如果某些部件存在非線性特性,則對象就不能再當(dāng)作線性系統(tǒng)進行處理了;進一步,如果這些非線性特性還是非光滑的(例如:死區(qū)、間隙、遲滯等),并且前后兩端與其它部件相連接,將導(dǎo)致這類對象無法采用常規(guī)的辨識和控制方法進行處理。進一步分析可知:對于這類系統(tǒng),往往只是在一個或少數(shù)幾個組成部件中存在非光滑非線性特性,但是,辨識和控制的主要困

2、難恰恰是這些不可測的非光滑非線性特性。本論文緊密結(jié)合多維超精密運動系統(tǒng)的課題研究,依據(jù)實驗結(jié)果和在研究中發(fā)現(xiàn)的各種問題,采用三明治模型對包含死區(qū)、間隙和遲滯特性的復(fù)雜非光滑非線性動態(tài)系統(tǒng)進行辨識和控制研究,系統(tǒng)的提出了一種基于退化激勵的兩步辨識方法,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了相應(yīng)的非光滑三明治控制器,有效地提高了軌跡運動的控制精度和靈敏度,取得了以下研究成果:
　　首先對由“電機+滾珠絲杠”驅(qū)動的宏平臺進行研究,通過實驗和分析:死區(qū)特性嚴(yán)

3、重影響了系統(tǒng)的運動精度和靈敏度;而且,由傳動鏈和摩擦引起的死區(qū)特性位于電機和負載平臺之間,無法直接測量和補償,構(gòu)成一個非光滑三明治死區(qū)系統(tǒng)。針對于此,首先根據(jù)非線性特性的局部激勵思想和死區(qū)的特點,設(shè)計一個特殊的退化激勵信號,在充分激勵兩端線性環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上,局部激勵死區(qū)特性并將其退化為一個線性函數(shù)。接著,利用關(guān)鍵項分離技術(shù)重構(gòu)出具有參數(shù)線性化結(jié)構(gòu)的整體表達式,并在一定的獨立約束條件下,采用廣義遞推辨識算法(RGIA)首先將兩端的線性環(huán)節(jié)辨

4、識出來。最后,重新設(shè)計輸入信號充分激勵死區(qū)環(huán)節(jié),并根據(jù)上一步的辨識結(jié)果重構(gòu)出對應(yīng)的中間變量,從而將死區(qū)環(huán)節(jié)辨識出來。仿真和實驗結(jié)果都驗證了所提出辨識方案的有效性。
　　進一步的實驗和分析發(fā)現(xiàn):除了死區(qū)特性以外,宏平臺中還存在非光滑間隙特性,當(dāng)進行微米級精度的軌跡運動時,間隙特性的影響就顯著的暴露出來了。間隙特性也是由傳動系統(tǒng)產(chǎn)生,不能進行直接測量和補償,構(gòu)成一個非光滑三明治間隙系統(tǒng)。間隙不僅具有局部記憶性,還存在多值映射現(xiàn)象,對三

5、明治間隙系統(tǒng)的辨識更困難。因此,本章首先設(shè)計一個單調(diào)的隨機獨立增量信號作為退化激勵信號,信號的單調(diào)性可以消除間隙特性的動態(tài)記憶性和多值映射現(xiàn)象,將非線性間隙環(huán)節(jié)退化為一個線性函數(shù)。于是,參考三明治死區(qū)模型辨識過程,依次將兩端線性環(huán)節(jié)和中間非線性間隙環(huán)節(jié)辨識出來。
　　進一步,納米級精度的運動必須由壓電陶瓷執(zhí)行器來實現(xiàn),在同時要求運動精度和靈敏度的情況下,濾波放大電路和柔性鉸鏈的動態(tài)特性不能被忽略,構(gòu)成一個非光滑三明治遲滯系統(tǒng)。由于

6、遲滯特性具有全局動態(tài)性、次環(huán)全等、頻率依賴等特征,辨識三明治遲滯系統(tǒng)是一個全新的挑戰(zhàn)。通過實驗和分析發(fā)現(xiàn):如果遲滯從零時刻開始被單調(diào)信號激勵,其輸入輸出曲線僅僅是一條靜態(tài)非線性曲線,可以用多項式進行擬合。因此,本章提出一種兩步辨識方案:首先設(shè)計一個特殊的退化激勵信號,將遲滯特性退化為一條非線性曲線;再利用關(guān)鍵項分離技術(shù)和廣義遞推最小二乘法(RGIA)首先辨識兩端線性環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上,重新設(shè)計輸入信號充分激勵遲滯特性并重構(gòu)中間信號,采用“

7、擴展輸入空間法”建立遲滯特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,從而將三明治遲滯系統(tǒng)完全辨識出來。
　　接下來,對上述幾章進行總結(jié),提出一種具有普遍適用性的非光滑三明治辨識方法——基于退化激勵的兩步辨識法。這種辨識策略的核心是:針對系統(tǒng)所包含的非光滑非線性特性的具體特點和產(chǎn)生各種非光滑非線性現(xiàn)象的根本原因,分別從頻域和幅值角度出發(fā),設(shè)計相應(yīng)的退化激勵信號,在充分激勵兩端線性環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上局部激勵中間非光滑非線性環(huán)節(jié),從而在第一步的線性子模型辨識中,避免

8、各種不利特性對參數(shù)估計的影響。此外,本章還對辨識過程中的若干問題進行了深入的分析和討論。
　　最后,依據(jù)上述的辨識結(jié)果,設(shè)計了對應(yīng)的非光滑三明治控制器并實際應(yīng)用于超精密運動系統(tǒng)中。首先,對于第一個線性子模型可以真實辨識的三明治死區(qū)和間隙系統(tǒng),提出一種直接逆模型補償?shù)目刂品桨?在消除第一個線性環(huán)節(jié)影響后,采用非線性逆模型直接補償非線性環(huán)節(jié),將三明治系統(tǒng)的控制問題轉(zhuǎn)化為一個帶擾動的線性系統(tǒng)控制問題。其次,對于無法真實重構(gòu)第一個中間信號