基于滑模理論的位置系統(tǒng)控制及摩擦力補償.pdf

1、隨著控制理論、電子技術(shù)、機械制造技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和技術(shù)進步，高精度運動控制廣泛地用于工業(yè)機器人、超精密機床和半導(dǎo)體等設(shè)備中。高精度可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，運動控制技術(shù)的研究和發(fā)展，能為我國的經(jīng)濟建設(shè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。 對于有高跟蹤精度和運動平穩(wěn)性要求的位置運動控制系統(tǒng)而言，摩擦環(huán)節(jié)的存在是提高系統(tǒng)運動性能的障礙，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，同時會隨著外界條件諸如機械磨損、慣量變化、溫度和潤滑等因素而變化，具有時變特征。因此，認識摩擦的性質(zhì)，深入分析非線性摩擦對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響并加以消除，對性能的提高會起到積極的作用。 針對摩擦問題的研究，主要有兩種方法，即硬件技術(shù)和軟件技術(shù)。硬件技術(shù)主要指機械設(shè)計，即研究如何設(shè)計出低摩擦的機械零件，例如采用高質(zhì)量的潤滑劑，高精度的滾動導(dǎo)軌，潤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，但這樣會增加設(shè)備成本，從經(jīng)濟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償?shù)姆椒ㄈ胧?，研究如何克服非線性摩擦，這對于提高系統(tǒng)的控制精度和經(jīng)濟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50年代提出，之后Utkin和Itkis等人進一步發(fā)展了變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論。由于滑?？刂浦械幕＿\動對

4、系統(tǒng)的干擾和攝動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，研究非線性摩擦對位置運動控制的影響，主要研究和探索了如何在系統(tǒng)低速運動時克服摩擦力的影響，以滑?？刂评碚摓榛A(chǔ)，設(shè)計運動控制方法和摩擦補償方法。本文的工作主要包括以下幾個方面： 1．針對非線性位置控制系統(tǒng)設(shè)計了模糊滑?？刂品椒?，將模糊滑?？刂破髦胁煌斎霐?shù)目對系統(tǒng)性能的影響進行了對比分析，通過實驗對控制器的有效

5、性進行了研究。 2．提出一種自適應(yīng)滑模摩擦力補償方法，利用終端滑模思想設(shè)計了滑模函數(shù)，使得系統(tǒng)跟蹤誤差在有限時間內(nèi)收斂，避免了傳統(tǒng)線性滑模面狀態(tài)跟蹤誤差不會在有限時間內(nèi)收斂至零的問題。根據(jù)指數(shù)形式摩擦力的特點，利用終端滑?？刂扑枷氆@得包含摩擦力參數(shù)估計的滑模控制律，采用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論推導(dǎo)出估計參數(shù)的在線自適應(yīng)律，最后，通過仿真實驗驗證了該補償力方法的有效性。 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)在線估計系統(tǒng)的這種不確定動力學(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。實驗結(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?？刂品椒?。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