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运动控制系统的抗干扰控制理论与应用研究

王会明  
【摘要】:随着电力电子技术、集成电路技术和现代控制理论的发展,在很多高端研究领域,如专用机器人、医疗器械、汽车制造业、零部件加工等,对运动控制系统的性能都提出了更高的要求。同时,由于运动控制系统本身机械结构复杂,为强耦合的多变量非线性系统,采用传统的线性控制方法已经无法满足实际应用中对高性能控制系统的要求。因此,近年来非线性控制算法在运动控制系统中的研究和应用受到越来越多的关注,但是仍有许多亟待解决的问题。本论文研究了以永磁同步电机伺服系统和机械臂为对象的运动控制系统的抗干扰控制问题,主要是对基于连续滑模的永磁同步电机伺服系统速度控制、基于连续终端滑模的永磁同步电机伺服系统速度控制、基于时变扰动补偿的有限时间输出反馈控制及其在刚性机械臂的应用、基于时变扰动补偿的柔性机械臂有限时间输出反馈位置控制、基于连续滑模的柔性机械臂不匹配扰动抑制控制和基于连续终端滑模的柔性机械臂不匹配扰动抑制控制问题进行了研究。研究结果和贡献如下:一、针对永磁同步电机伺服系统的速度控制问题,分别给出了基于连续滑模和广义比例积分观测器的复合速度控制器设计方法和基于连续终端滑模和扩张状态观测器的复合速度控制器设计方法。两种复合控制器的共同优点是:与传统的滑模控制方法相比,所提出的两种复合控制器都可以减小传统滑模控制律中由于存在符号函数而引起的抖振现象。这是由于复合控制律中包含了扰动前馈项,滑模控制中的控制增益就可以选为较小的值,从而可以使系统获得较小的稳态速度波动。两种复合控制器的不同优点是:基于连续滑模和广义比例积分观测器的复合速度控制方法可以抑制时变扰动对系统控制性能的影响;而基于连续终端滑模和扩张状态观测器的复合速度控制器设计方法可以使系统获得较快的收敛速度,从而提高系统的速度跟踪性能。最后,仿真和实验都说明了所提出的复合控制策略的有效性。二、针对一类受时变扰动影响的不确定系统,给出了基于时变扰动补偿的有限时间输出反馈控制器设计方法,并分别在刚性机械臂和柔性机械臂上做了测试。所提出的控制方法的设计过程主要包括两部分:连续有限时间状态观测器的设计和有限时间输出反馈控制器的设计。连续有限时间状态观测器可以用来同时估计系统未知扰动、扰动的各阶导数及不可测量的状态。有限时间输出反馈控制器利用估计的状态值实现闭环控制。估计的扰动值前馈至控制器用来补偿扰动对系统的影响。为了验证所提策略的有效性,我们分别设计了基于时变扰动补偿的刚性机械臂有限时间输出反馈位置控制策略和基于时变扰动补偿的柔性机械臂有限时间输出反馈位置控制策略。仿真和实验结果表明,与传统的基于广义比例积分观测器的控制方法相比,所提出的方法可以显著提高刚性和柔性机械臂的位置跟踪性能和抗扰能力。三、针对已有的扰动抑制方法无法有效解决系统的不匹配扰动抑制问题,考虑了柔性机械臂在匹配/不匹配时变扰动下的位置跟踪问题,并给出了两种控制器设计方案。第一种方案是基于连续滑模控制和广义比例积分观测器的复合位置控制器设计方法。该方案的设计过程是:首先,基于连续滑模控制技术,对柔性机械臂设计了位置控制器。其次,为了抑制柔性机械臂中存在的与控制输入不在同一通道的不匹配时变扰动,提出了基于连续滑模控制和广义比例积分观测器的复合位置控制方法。最后,给出的三组实验测试结果验证了在该复合位置控制器下闭环系统可以获得更好的跟踪性能。为了进一步提高柔性机械臂在匹配/不匹配扰动下的位置跟踪性能,将之前结果推广到了有限时间收敛情况:基于连续终端滑模控制和有限时间状态观测器的复合位置控制器设计方法。该方案的设计过程是:首先,基于连续终端滑模控制技术,对柔性机械臂设计了位置控制器。其次,提出了基于连续终端滑模控制和有限时间状态观测器的复合位置控制方法。该复合位置控制策略可以在有限时间内抑制匹配/不匹配扰动对系统控制性能的影响,从而可以进一步提高系统的位置跟踪能力。仿真测试结果也验证了所提控制策略的优越性。


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