高精度位置跟踪自适应增益调度滑模控制算法.pdf

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1、2017年1月北京航空航天大学学报January2017第43卷第1期JournalofBeringUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol·43No·1http:}}bhxb.buaa.edu.cnjbuaa@buaa.edu.cnDOI:10.13700/j.bh.1001-5965。2016.0037高精度位置跟踪自适应增益调度滑模控制算法杨艺1’2,秦世引1’+(1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100083;2.河南理工大学电气工程与自动化学院,焦作45400

2、0)摘要:影响位置跟踪精度最重要的因素之一是系统不可避免地存在内外不确定性。由于具备很强的鲁棒性,滑模控制能有效消除系统不确定性的影响,然而也会带来抖振这一顽疾。因此,有效削弱滑模控制系统的抖振是提升系统跟踪精度的关键。为此,本文提出一种误差主导的自适应增益调度算法,该算法利用等效原理准确判断系统滑动模态是否建立,并以此来调度切换函数增益值的增减;同时,为克服因利用低通滤波器获取切换函数等效输出而引起的时间延迟,在增益调度中采用误差主导的增益变化率,确保了增益调度的实时性。理论和仿真实验证明,在滑动模态建立前,该增益调度策略能

3、加快滑模变量的收敛速度;而在滑动模态建立后,该增益调度策略能使增益值在有限时间内趋近于系统不确定的绝对值,降低了系统抖振幅值,从而获取更高的跟踪精度。直流力矩电机伺服系统位置跟踪对比实验结果表明,该增益调度方案有效,能使系统获得更高的跟踪精度。关键词:系统不确定性;滑模控制;自适应增益调度;跟踪误差;高精度位置跟踪中图分类号:V556.5;TP273+.2文献标识码:A文章编号:1001-5965(2017)01-0007一11高精度伺服控制广泛应用于光电跟踪、射电望远镜控制、雷达伺服、空间光通信等位置跟踪精度要求较高的领域。

4、随着跟踪目标运动方式的不断更新和应用环境的不断扩展,对伺服系统的跟踪精度和抗扰能力提出了更高的要求。然而,跟踪任务的多元化发展必然引起伺服系统所载设备不断增多,从而使得系统体积和质量越来越大,这将导致摩擦、风、热形变等外部干扰对伺服系统跟踪精度的影响愈加严重。此外,设备的增多必然引起系统结构、频率响应等发生变化,使得系统建模和参数辨识更加困难,最终导致高阶未建模、参数摄动等内部不确定性对跟踪精度的影响更加突出。因此,如何克服系统内外扰动,确保伺服系统位置跟踪精度,是伺服控制研究的重点和难点之一。为改善伺服系统的跟踪性能,提高系

5、统的跟踪精度,在工程实践中,常常通过优化系统结构、改进驱动方式、提高检测元件精度等手段来升级系统硬件设施;并通过完善系统模型、加强参数辨识来提升系统建模准确性。在此基础上,为进一步克服内外扰动的影响,科研人员提出了各种控制策略和算法来提高伺服系统的跟踪精度。除了在实际工程中占主导地位的PID及其改进算法‘1刮外,已有的控制策略和算法主要包括内模控制¨‘81、自抗扰控制睁121、日。控制m‘141、自适应控制¨5。7

6、、扰动观测器补偿Ⅲ训、滑模控制‘22之41等。由于滑模控制特殊的调节机制,使其不仅对参数摄动等内部不确定性具有“

7、完全自适应性”¨“,而且对外部干扰也具有很强的鲁棒收稿日期:2016-01.11;录用日期:2016-06.24;网络出版时间:2016-09-0614:26网络出版地址:WWW.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20160906.1426+002.html基金项目:国家自然科学基金(61273350,U1435220)}通讯作者:E-mail:qsy@buaa,edu.cn;f用格式:杨艺,秦世引.高精度位置跟踪自适应增益调度滑模控制算法ⅡJ.北京航空航天大学学报,2017,43fJ):7.J7.

8、YANGY,Ql鞠SY.Slidingmodecontrolalgorithmwithhigh-precisionpositiontrackingbasedonadaptivegainschedule【1],Jour-na』ofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,2017,43f1):7·J7(inChinese).8j£京航空航天大学学报21)17年性旧⋯。因此,滑模控制适用于包含内外扰动的伺服系统。但是,滑模控制也有其自身缺点——抖振。当系统状态变量到达滑模面后,滑模

9、控制器通过不连续函数的高速切换,强制状态轨迹沿着滑模面收敛于平衡点,从而获取很强的鲁棒性,这种高速切换在执行器上表现为一种高频振动。因此,采用滑模控制策略来实现伺服系统高精度跟踪的关键是如何有效削弱抖振的影响。为此,国内外科研人员开展了广泛而深入的研究,并取得了丰硕的成果,特

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