基于滑模理論的位置系統(tǒng)控制及摩擦力補(bǔ)償.pdf

1、隨著控制理論、電子技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，高精度運(yùn)動(dòng)控制廣泛地用于工業(yè)機(jī)器人、超精密機(jī)床和半導(dǎo)體等設(shè)備中。高精度可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究和發(fā)展，能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 對(duì)于有高跟蹤精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求的位置運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而言，摩擦環(huán)節(jié)的存在是提高系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的障礙，摩擦不但造成系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，而且使系統(tǒng)產(chǎn)生爬行或極限環(huán)振蕩。摩擦是一種非常復(fù)雜的非線性現(xiàn)象，它包含遲滯、粘滑、

2、Stribeck 效應(yīng)以及速度依賴等多種非線性特性，同時(shí)會(huì)隨著外界條件諸如機(jī)械磨損、慣量變化、溫度和潤(rùn)滑等因素而變化，具有時(shí)變特征。因此，認(rèn)識(shí)摩擦的性質(zhì)，深入分析非線性摩擦對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響并加以消除，對(duì)性能的提高會(huì)起到積極的作用。 針對(duì)摩擦問題的研究，主要有兩種方法，即硬件技術(shù)和軟件技術(shù)。硬件技術(shù)主要指機(jī)械設(shè)計(jì)，即研究如何設(shè)計(jì)出低摩擦的機(jī)械零件，例如采用高質(zhì)量的潤(rùn)滑劑，高精度的滾動(dòng)導(dǎo)軌，潤(rùn)滑良好的密珠軸承以減小摩擦，這種

3、從硬件角度出發(fā)的方法可以從源頭上降低非線性摩擦，但這樣會(huì)增加設(shè)備成本，從經(jīng)濟(jì)角度上考慮是不適用的，有一定的局限性。另一種方法是從軟件技術(shù)上加以考慮，即從摩擦模型的建立和摩擦補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈ胧?，研究如何克服非線性摩擦，這對(duì)于提高系統(tǒng)的控制精度和經(jīng)濟(jì)效益有十分重要的意義。 滑模控制 (又稱變結(jié)構(gòu)控制)，由前蘇聯(lián)學(xué)者Emelyanov在上世紀(jì)50年代提出，之后Utkin和Itkis等人進(jìn)一步發(fā)展了變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論。由于滑模控制中的滑模運(yùn)動(dòng)對(duì)

4、系統(tǒng)的干擾和攝動(dòng)在一定條件下具有不變性，這無疑有助于克服位置控制系統(tǒng)的非線性摩擦力。 本文從軟件技術(shù)的角度考慮，研究非線性摩擦對(duì)位置運(yùn)動(dòng)控制的影響，主要研究和探索了如何在系統(tǒng)低速運(yùn)動(dòng)時(shí)克服摩擦力的影響，以滑模控制理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制方法和摩擦補(bǔ)償方法。本文的工作主要包括以下幾個(gè)方面： 1．針對(duì)非線性位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模糊滑?？刂品椒ǎ瑢⒛：？刂破髦胁煌斎霐?shù)目對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了對(duì)比分析，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)控制器的有效

5、性進(jìn)行了研究。 2．提出一種自適應(yīng)滑模摩擦力補(bǔ)償方法，利用終端滑模思想設(shè)計(jì)了滑模函數(shù)，使得系統(tǒng)跟蹤誤差在有限時(shí)間內(nèi)收斂，避免了傳統(tǒng)線性滑模面狀態(tài)跟蹤誤差不會(huì)在有限時(shí)間內(nèi)收斂至零的問題。根據(jù)指數(shù)形式摩擦力的特點(diǎn)，利用終端滑?？刂扑枷氆@得包含摩擦力參數(shù)估計(jì)的滑模控制律，采用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論推導(dǎo)出估計(jì)參數(shù)的在線自適應(yīng)律，最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該補(bǔ)償力方法的有效性。 3．考慮到位置控制系統(tǒng)的參數(shù)不確定性，提出了一種徑向基函

6、數(shù) (RBF) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑?？刂品椒ā＠靡环N單輸入雙輸出的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線估計(jì)系統(tǒng)的這種不確定動(dòng)力學(xué)，利用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論推導(dǎo)出RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的在線自適應(yīng)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制方法的優(yōu)越性。 4．構(gòu)建了一種新的基于遺傳算法 (GA) 參數(shù)優(yōu)化的自適應(yīng)模糊滑模控制方法。采用一種積分型滑模函數(shù)，通過滑模理論推導(dǎo)出理想控制律。由于系統(tǒng)存在外部擾動(dòng)和參數(shù)不確定性等原因，理想控制律難以事先獲得，采用自適應(yīng)模糊系統(tǒng)來逼近理想控制