時(shí)變不確定機(jī)電運(yùn)動系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)控制.pdf

1、機(jī)電運(yùn)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(jī)電運(yùn)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(shí)會隨著外界條件諸如機(jī)械磨損、慣量變化、溫度和潤滑等因素而變化，具有時(shí)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(shí)際工程中的超精密機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、半導(dǎo)體制造等設(shè)備對運(yùn)動控制部件的運(yùn)動速度和精度要求卻越來越高。要獲得高速高精度的運(yùn)動系統(tǒng)，不

2、僅需要進(jìn)行精巧的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，也需要設(shè)計(jì)高性能的運(yùn)動控制器。 自適應(yīng)技術(shù)就是針對實(shí)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(shí)變不確定機(jī)電運(yùn)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(shí)變不確定機(jī)電運(yùn)動系統(tǒng)的自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)展開研究工作，并將所得到的控制器應(yīng)用到實(shí)際的機(jī)電運(yùn)動

3、系統(tǒng)的控制中。主要工作包括以下四個(gè)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(jì)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(shí)時(shí)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(shí)際的二級直線倒立擺裝置上使用PIDNNC實(shí)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(jìn)行對比分析。在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(jìn)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(jī)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(jìn)行鎮(zhèn)定控制仿真實(shí)驗(yàn)。 3)針對具有非線性時(shí)變不確定性的上三角系統(tǒng)，基于函數(shù)逼近技術(shù)和滑模控制基本原理提出了一種新的自適應(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(shí)不變的系數(shù)向量與已知的時(shí)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(shí)變不確定項(xiàng)的在線逼近和逼近誤差的自適應(yīng)補(bǔ)償，最終獲得實(shí)時(shí)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(jī)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(shí)變不確定上三角系統(tǒng)的滑模自適應(yīng)控制器擴(kuò)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(shí)際直流電機(jī)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(shí)際實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果與其他方