模型偏差補(bǔ)償算法的若干研究及其在泵車智能臂架系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、在工程應(yīng)用中，由于建模誤差、系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)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?duì)匹配不確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?？刂疲绶e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(jiǎn)單和魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)又能避免抖振帶來(lái)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(dòng)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(lái)，并引入相應(yīng)的控制量對(duì)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(hào)函數(shù)，相應(yīng)的抖振就會(huì)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(duì)于不同動(dòng)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(duì)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(dòng)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?jī)?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)。考慮一般非線性系統(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(shí)將系統(tǒng)狀態(tài)變換為簡(jiǎn)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(hào)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?，我們利用不確定項(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(duì)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(wèn)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(guò)渡過(guò)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?？刂浦谐霈F(xiàn)的抖振問(wèn)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(lái)越多地采用數(shù)字控制器。針對(duì)非線性系統(tǒng)精確離散化困難的問(wèn)題，我們采用Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)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(wèn)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(jiǎn)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(cè)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(duì)象。針對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)具有響應(yīng)速度慢和對(duì)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(cè)模型估計(jì)未來(lái)時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)具有預(yù)測(cè)功能的模型偏差補(bǔ)償控制，用補(bǔ)償項(xiàng)抵消預(yù)測(cè)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(cè)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(gè)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(duì)系統(tǒng)的影響。
　　(4)研究了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(cè)量得到的系統(tǒng)控制問(wèn)題。擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器通過(guò)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(lái)觀測(cè)不確定項(xiàng)和系統(tǒng)狀態(tài)。利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(duì)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(dòng)，又很好地抑制了柔性臂的振動(dòng)。
　　(5)研究并實(shí)現(xiàn)了混凝土泵車智能臂架系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行算法。為了簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程，降低操作風(fēng)險(xiǎn)和測(cè)試成本，我們搭建了泵車臂架系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，模擬整個(gè)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(dòng)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(gè)主