基于灰色预估器的低速摩擦伺服系统滑模变结构控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于灰色预估器的低速摩擦伺服系统滑模变结构控制方法。本方法包括两个阶段：第一阶段，采用指数趋近率的滑模变结构控制方法对伺服系统进行控制，与此同时，利用灰色控制理论对伺服系统的不确定部分及外界未知干扰模型参数进行估计；第二阶段，在需要的步数之后，在第一阶段控制律的基础上，根据估计参数，计算出灰色预测补偿控制量，将其和第一阶段控制量一起参与伺服系统的控制。本发明专利技术能确保低速摩擦伺服系统即使考虑到不确定部分及外界未知干扰的影响也能获得较好的鲁棒性，达到高精度跟踪效果。该控制方法，编程简单易懂，为非线性、不确定被控对象及外界未知干扰的系统提供了一种新的控制策略，具有一定的工程实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种低速摩擦伺服系统的控制方法。具体是一种基于灰色预估器的滑模变结构控制方法应用在考虑到不确定部分及外界未知干扰影响的低速摩擦伺服系统中，该控制方法，编程简单易懂，为非线性、不确定被控对象及外界未知干扰的系统提供了一种新的控制策略，具有一定的工程实用价值。
技术介绍
复杂伺服系统具有非线性和不确定性，存在很多不利于系统性能提高的因素，特别是摩擦存在于所有的运动中，尤其是对高性能伺服系统的影响更为突出。对于伺服系统来说，摩擦是影响系统低速性能的重要因素，它不但造成系统的稳态误差，而且使系统产生爬行、振荡。因此，建立精确的数学模型是不可能的，只能做合理的近似处理，要忽略对象中的不确定因素。由近似模型出发设计控制器，设计中被忽略的不确定因素会引起控制品质的恶化，甚至导致不稳定。因此，考虑对象的不确定性，使所设计的控制器在不确定性对系统品质的破坏最严重时也能满足要求，具有一定的理论和工程实际意义。由于滑模变结构控制的特点，使它很适合于伺服系统的控制。 但是，滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性将会引起系统的抖振。因此，国内外针对滑模控制抗抖振问题的研究很多。目前，有代表性的研究工作主要有以下几个方面①准滑动模态方法，即在边界层内是连续状态的反馈控制，可以有效地避免或消弱了抖振。②趋近率方法，通过调整趋近率的参数，既可以保证滑模到达过程的动态品质，又可以减弱控制信号的高频抖振，但较大的参数值会引起抖振。③滤波法，也就是对控制信号进行平滑滤波。④观测器方法，它是利用观测器来消除外界干扰及不确定项。⑤动态滑模方法，它是将常规变结构控制中的切换函数通过微分环节构成新的切换函数，得到在时间上本质连续的动态滑模控制律。⑥模糊方法，其柔化了控制信号，将不连续的控制信号连续化，模糊逻辑还可以实现滑模控制参数的自调整。⑦神经网络方法，采用神经网络实现对系统的非线性部分、不确定部分和未知外加干扰的在线估计，从而实现基于神经网络的等效控制。⑧遗传算法优化方法，它是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率性搜索算法，在解决非线性问题时表现出很好的鲁棒性、全局最优性、可并行性和高效率，具有很高的优化性能。⑨切换增益方法，由于抖振主要是由控制器的不连续切换项造成，因此，减小切换项的增益，便可有效地消弱抖振。⑩扇形区域法，利用滑动模面的滑动扇区，构造连续切换控制器，使得开关面上的控制信号是连续的。以上各种方法中，每种方法都有各自的优点和局限性，针对具体的问题需要进行具体的分析。譬如，趋近率方法在不确定性及干扰小的情况下会有很好的降抖振效果，在不确定性或干扰较大时，需要采用其它方法。面对复杂的控制问题，有时需要各种方法相互结合、相互补充，才能达到理想的滑模控制。本专利技术从一个新的控制角度和方法上提出了，即采用灰色控制理论对伺服系统的不确定部分及外界未知干扰模型参数粗略地进行估计，然后对不确定部分及外干扰给予一定的补偿，将灰色预测补偿部分和滑模变结构控制部分一起参与伺服系统的控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种。即在伺服系统启动后，采用灰色控制理论对伺服系统不确定部分及外界未知干扰模型参数粗略地进行估计，然后对不确定部分及外干扰给予一定的补偿，将灰色预测补偿部分和滑模变结构控制部分一起参与伺服系统的控制，该方法具有一定的工程实用价值。 为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是 一种，其特征是针对低速摩擦伺服系统中具有非线性和不确定性及外界未知干扰的影响，提供一种。即在伺服系统启动后，采用灰色控制理论对伺服系统的不确定部分及外界未知干扰模型参数粗略地进行估计，然后对不确定部分及外干扰给予一定的补偿，将灰色预测补偿部分和滑模变结构控制部分一起参与伺服系统的控制。具体包括低速摩擦伺服系统的简化、滑模变结构控制、灰色预估器、基于灰色预估器的滑模变结构控制四个步骤，整体上分为两个控制阶段第一阶段，采用指数趋近率的滑模变结构对伺服系统进行控制，与此同时，采用灰色控制理论对伺服系统的不确定部分及外界未知干扰模型参数进行估计；第二阶段，在需要的步数之后，在第一阶段控制律的基础上，根据估计参数，计算出灰色预测补偿控制量，将其和第一阶段控制量一起参与伺服系统的控制。其中，基于灰色预估器的滑模变结构控制及其在低速摩擦伺服系统中的应用研究是本专利技术的创新之处。 具体实现如下 1、低速摩擦伺服系统的简化 ①Stribeck摩擦模型 伺服系统的摩擦动态特性是非常复杂的，目前已经提出了许多摩擦模型，其中，stribeck曲线是比较著名的摩擦模型。 Stribeck摩擦模型可表示为 I、当时，静摩擦为 II、当时，动摩擦为 其中，F(t)为驱动力，Fm为最大静摩擦力，Fc为库伦摩擦力， 为转动角速度， 为转动角加速度，J为转动惯量，α、α1为非常小的、正的常数。 ②一个典型伺服系统的描述 本专利技术所采用的典型伺服系统是三轴的，正常情况下可简化为线性二阶环节的系统，但是其在低速情况下具有较强的摩擦现象，因此具有非线性，很难用传统控制方法达到高精度控制。 根据伺服系统的结构，其位置状态方程可描述为 式中，ku为PWM功率放大器放大系数，R为电枢电阻，km为电机力矩系数，Ce为电压反馈系数，J为转动惯量，θr为指令信号，u为控制输入，x1(t)＝θ(t)为转角，为转速。 考虑到伺服系统不确定部分及外界未知干扰的影响(用D(x，t)来表示)，则其位置状态方程可进一步描述为 2、滑模变结构控制器 设输入误差e＝θr-θ，误差变化率滑模面参数C＝，记θr为指令信号， 为指令角速度， 为指令角加速度，θ为转角， 为转动角速度， 为转动角加速度，则切换函数为 采用指数趋近率 slaw＝-ε sgn(s)-ks (6) 式中，增益参数ε>0，趋近率参数k>0，滑模面参数c满足滑模稳定条件。 考虑到伺服系统的摩擦力Ff的影响，由(3)式可得 由(6)和(7)式计算得滑模变结构控制量 稳定性分析 定义Lyapunov函数 式中s为切换函数，则 将(3)式代入(10)式中可得 将(8)式代入(11)式中计算得到Lyapunov函数的到达条件 由上述证明可知，控制规律(8)式满足滑模变结构控制的可达性条件，且保证滑模运动的稳定性。 3、灰色预估器 为了减弱伺服系统不确定部分及外界未知干扰的影响，以改善滑模变结构控制的性能并提高其鲁棒性，本专利技术采用灰色控制理论将伺服系统不确定部分及外干扰模型参数粗略地进行估计，然后对不确定和外干扰给予一定的补偿。 设伺服系统不确定部分符合匹配条件，即为bD(x，t)，其中b为伺服系统的输入矩阵，D(x，t)代表伺服系统不确定部分及外干扰，且 D(x，t)＝V1x1+V2x2+…+Vnxn+f(t)(13) ＝VxT+f(t) 式中，干扰参数V＝(V1…Vi…Vn)，x＝(x1…xi…xn)，n为伺服系统阶数，并设f(t)为慢时变量。显然本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于灰色预估器的低速摩擦伺服系统滑模变结构控制方法，其特征是：针对低速摩擦伺服系统中具有非线性和不确定性及外界未知干扰的影响，提出了一种基于灰色预估器的滑模变结构控制方法，即在伺服系统启动后，利用灰色控制理论将伺服系统的不确定部分及外界未知干扰模型参数粗略地进行估计，然后对不确定部分及外干扰给予一定的补偿，将灰色预测补偿部分和滑模变结构控制部分一起参与伺服系统的控制，具体包括两个阶段：第一阶段，采用指数趋近率的滑模变结构对伺服系统进行控制，与此同时，采用灰色控制理论对伺服系统的不确定部分及外界未知干扰模型参数进行估计；第二阶段，在需要的步数之后，在第一阶段控制律的基础上，根据估计参数，计算出灰色预测补偿控制量，将其和第一阶段控制量一起参与伺服系统的控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田翠侠，邢科礼，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]