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

1、在工程應用中，由于建模誤差、系統(tǒng)參數(shù)攝動以及干擾等因素不可避免地存在，實際系統(tǒng)一般都存在不確定性，基于標稱模型設計的控制器大多數(shù)時候不能得到令人滿意的控制指標。滑模變結構控制因為具有對匹配不確定性的完全魯棒性和降階特性而備受關注，發(fā)展了多種先進滑?？刂疲绶e分滑模、終端滑模和高階滑模等，雖然改進了傳統(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用的最根本原因。為了繼承滑?？刂圃O計簡單和魯棒性強的特點，同時又能避免抖振帶來的不

2、利影響，本文提出了一種模型偏差補償算法，其核心思想是從狀態(tài)誤差中把由未建模動態(tài)等不確定項引起的部分以等效量的形式正確估計出來，并引入相應的控制量對其進行補償，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)取代符號函數(shù)，相應的抖振就會減弱甚至徹底消除。雖然模型偏差補償?shù)乃枷胧瞧毡檫m用的，但對于不同動態(tài)特性的系統(tǒng)需要具體分析，具有不同的補償形式。本文主要針對幾類典型系統(tǒng)設計了不同形式的模型偏差補償控制律，最后將其應用到混

3、凝土泵車智能臂架的自動運行模式，達到了期望的控制目標。
　　本論文的主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)研究了一類不確定非線性系統(tǒng)的模型偏差補償控制方法，設計了積分形式的補償項?？紤]一般非線性系統(tǒng)設計理想滑模面的困難，首先利用微分幾何中的相關知識將系統(tǒng)狀態(tài)變換為簡約型，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)代替符號函數(shù)的方法，雖然能夠降低抖振，但同時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?，我們利用不確定項引起的滑模變化等效量推導出積分形式的模型偏差補償項，理論證明此項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，對于解決不確定非線性系統(tǒng)的初態(tài)和期望軌跡起點一致的軌跡跟蹤問題具有滿意的控制效果。此外，我們還討論了當初始值不一致時的算法改進，包括:構造系統(tǒng)初態(tài)到期望軌跡之間的過渡過程，重新規(guī)劃跟蹤軌跡;改變模型偏差補償項的作用范圍，只在滑模變化較小時才加入;采用基于積分滑模面

5、的模型偏差補償法，利用積分滑模面的特殊結構使得在系統(tǒng)運行之初就到達滑模面，同時補償項的加入也能減弱滑?？刂浦谐霈F(xiàn)的抖振問題。
　　(2)研究了離散形式的模型偏差補償律。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)的設計越來越多地采用數(shù)字控制器。針對非線性系統(tǒng)精確離散化困難的問題，我們采用Taylor級數(shù)展開法得到近似離散模型，并將截斷誤差看做系統(tǒng)總不確定項的一部分，由所設計的補償項抵消。給出離散模型偏差補償

6、算法的完整設計步驟，系統(tǒng)穩(wěn)定性證明與控制參數(shù)選取問題轉化為線性矩陣不等式的可行解。所提方法結構簡單、運算量小，適合在微處理器中實現(xiàn)，可用于數(shù)字控制器的設計。最后，兩連桿機械臂的軌跡跟蹤仿真實驗驗證了采用模型偏差補償方法設計的數(shù)字控制器具有較好的控制品質(zhì)和魯棒性。
　　(3)研究了基于預測的模型偏差補償控制方法，適用于具有時滯特性的被控對象。針對時滯系統(tǒng)具有響應速度慢和對控制輸入不敏感的特性，需要合理地選擇控制周期和補償形式。首先，

7、我們利用帶反饋校正的預測模型估計未來時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，設計具有預測功能的模型偏差補償控制，用補償項抵消預測誤差與不確定性的影響，具有較好的控制效果，同時線性矩陣不等式的相關理論證明了所提算法的穩(wěn)定性。其次，由系統(tǒng)的輸入-輸出關系，如階躍響應曲線，根據(jù)控制量的變化所產(chǎn)生的實際調(diào)節(jié)效果預測消除模型偏差所需的補償因子，構造模型偏差補償律，也是一種用于時滯系統(tǒng)的有效方法。線性和非線性帶時滯系統(tǒng)的數(shù)值仿真結果表明所提算法都能保證在幾個控制周期內(nèi)使系

8、統(tǒng)輸出達到設定值，消除了不確定性對系統(tǒng)的影響。
　　(4)研究了基于擴張狀態(tài)觀測器的模型偏差補償控制方法，可用于解決不確定項變化較快且狀態(tài)變量不能完全測量得到的系統(tǒng)控制問題。擴張狀態(tài)觀測器通過將能夠影響被控輸出的不確定項的等效作用量擴張成新的狀態(tài)變量，建立特殊的反饋機制來觀測不確定項和系統(tǒng)狀態(tài)。利用擴張狀態(tài)觀測器的良好跟蹤性能，設計相應的補償項，同時將其對系統(tǒng)狀態(tài)的估計值用到反饋控制中，構建模型偏差補償控制律。進一步，采用終端滑模

9、面提高了算法的收斂速度和魯棒性。將設計的復合控制律用于單連桿柔性臂的角度跟蹤控制，既實現(xiàn)了柔性臂的大范圍精確運動，又很好地抑制了柔性臂的振動。
　　(5)研究并實現(xiàn)了混凝土泵車智能臂架系統(tǒng)的自動運行算法。為了簡化測試過程，降低操作風險和測試成本，我們搭建了泵車臂架系統(tǒng)的半實物仿真平臺，模擬整個臂架系統(tǒng)的運行環(huán)境，主要包括手持遙控器、基于PLC的運動控制器和基于工控機的臂架仿真，還有各部分之間的接口板與通信協(xié)議。詳細介紹了以上三個主