一种四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统及方法，基于模型设计的四面固支板复合滑模控制系统针对于固支板复杂边界条件、模型不确定性以及外界未知激励干扰导致滑模振动控制过程中抗干扰导致的抖振问题，以及当前以代码为核心开发的控制算法的繁琐问题，基于NI PCIe模型设计一种扩张状态观测器ESO和滑模控制结合的复合滑模振动控制系统。统。统。

【技术实现步骤摘要】
一种四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及振动控制系统的
，具体为一种四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统及方法。

技术介绍

[0002]四面固支板结构具有重量轻、刚度大等优点，由于这些优点，在航天航空、汽车和船舶等领域中得到了广泛的认可。但是在工业过程中存在各种干扰及不确定性容易引起结构不同程度振幅的振动，使得固支板结构产生疲劳破损、使用寿命降低，结构损伤，影响产品的使用寿命，降低用户的体验感，甚至威胁到用户的生命安全。因此，四面固支板在振动控制领域中有重要的意义。
[0003]为了提高固支板结构的振动抑制能力，传统基于反馈的主动控制已广泛的应用于振动控制系统中，如PID控制、最优控制、模型预测控制以及鲁棒控制等。这些控制方法中PID控制、最优控制等结构简单，易于实现。由于四面固支板结构的边界条件复杂性、系统的不确定性，通常无法建立精确的数学模型，导致它们无法直接有效地抑制内外扰动，因此这些方法较难取得令人满意的振动抑制性能。而滑模(Sliding Mode Control,SMC)因其强大的抗扰能力而成为例外，但是实际的结构振动控制中，传统的SMC控制方法，其抗扰能力与滑模面的切换增益相关，这就导致了强的抗扰能力与之共同产生的高的抖振现象，这就限制了滑模控制在结构振动控制中的实际应用。对此，如何提高抗扰能力且进一步消减滑模抖振问题是滑模控制应用到固支板结构振动控制中的关键。
[0004]扩张状态观测器(Extend State Observer,ESO)是自抗扰控制技术中核心环节，是一种实用的干扰观测技术，它将总干扰视为系统的一种新状态。它可以通过简单的计算观察系统状态和扰动，然后利用扰动的观测值在前馈通道中进行补偿，以改善系统性能。基于扩张状态观测器的控制通过前馈通道补偿，在减小内外干扰及模型不确定性方面被证明是有效的。将扩张状态观测器引入滑模控制当中，形成复合滑模控制，为减小滑模控制抗扰负担，使得滑模控制器的切换增益也随之减小，提高抗干扰能力的同时进一步消减抖振。本专利技术将围绕上述问题研究复合滑模四面固支板振动控制方法。
[0005]目前在很多控制系统中由于各种先进控制算法计算量比较大，人们更多的以DSP、dSPACE等作为核心进行控制系统的开发。对于控制性能的要求越来越高以及处理器的更新速度越来越快，开发者需要实时不断更新学习新的算法的编写，从而在代码开发上需要花费大量的时间和精力。因此如何进行更高效率的编程就尤为重要。
[0006]传统控制算法开发的模式是：工程师们先用仿真软件来验证工程师的想法，然后在硬件平台进行编程与调试，最后对整个系统进行测试。由于上述的三个步骤是独立的，在开发的过程中有很多人的参与但是每个人对设计思路的理解有所不同，会导致在工作中出现偏差。而且传统开发模式的测试环节在最后一步，因此不能及时发现前面的错误，然而前面的环节只要有任意的一步出现差错可能都会导致整个系统的失败。因此导致了产品的开发周期较长，效率较低。此外，传统的代码编程编写复杂，往往完成一个大工程常常需要几
百万行甚至上千万行的代码，小的工程也需要几百、几千行的代码。而且传统的开发模式不容易及时发现错误，从而导致需要付出更多的代价来修复。
[0007]针对于以上的控制算法实现思路作为借鉴，基于NI PCIe采集卡来实现MATLAB模型化的编程方式，仅需要Simulink中Desktop real time工具箱中的Analog input/output模块完成通讯、采集、控制功能，无需代码，开发周期最短，难度最小，可以进行完全移植。

技术实现思路

[0008]为了解决四面固支板的复杂边界特性、外部干扰和不确定性因素导致滑模结构振动控制过程中抖振问题以及当前以代码作为核心进行控制系统开发的繁琐、周期长等问题，本专利技术公开了一种四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统及方法，基于NI PCIe采集卡实现对四面固支板复合滑模振动控制系统模块化开发。
[0009]四面固支板振动模块，包括四面固支板，能够实现振动运动；
[0010]控制模块，包括扩张状态观测器和滑模控制器，通过扩张状态观测器估计四面固支板振动系统的内外总干扰及该系统的位移跟踪误差及速度跟踪误差，通过滑模控制器基于估计值得到总控制量，将所述总控制量反馈至控制模块的输入端，同时输入采集执行模块；
[0011]采集执行模块，包括NI
‑
PCIe采集卡和功率放大器，能够放大总控制量信号并输入四面固支板振动模块以控制其振动，同时采集四面固支板振动模块的振动信号输入控制模块。
[0012]作为优选，四面固支板振动模块中四面固支板的模型具体为：其中，y为振动结构模态位移；为振动结构模态速度，为振动结构模态加速度，m为振动结构模态质量、c为振动结构模态阻尼、k为振动结构模态刚度；F
d
表示振动系统中未知的外界干扰；α0为力因子、V为压电元件的施加控制电压，F
p
为α0与V两者的乘积是压电片产生的作用力。
[0013]作为优选，控制模块中，通过所述扩张观测器估计振动控制系统的内外总干扰以及振动系统的位移跟踪误差及速度跟踪误差，将振动系统的位移跟踪误差e1的估值z1以及振动系统的速度跟踪误差e2的估值z2输入到所述滑模控制器，基于所述z1及z2得到系统滑模面并计算得到滑模控制律即输出的滑模控制量v；将振动系统的内外总干扰f的估值z3代入该滑模控制量v，形成四面固支板振动系统的总控制量u。
[0014]作为优选，控制模块中扩张状态观测器具体为其中，β
i
为观测器增益，简化非线性fal函数为fal(e1,α,δ)＝e1，并在此基础上提取特征方
程为通过调节扩张状态观测器的带宽参数ω即可实现扩张状态观测器的调节。
[0015]作为优选，控制模块中滑模控制器具体为：系统滑模面s：其中，c＞0为滑模面设计常数，e1为振动系统位移跟踪误差，通过扩张状态观测器估计得到，则为振动系统位移跟踪误差的微分；滑模趋近律动系统位移跟踪误差的微分；滑模趋近律其中，η>0为符号函数sgns开关增益，k为系统到达滑模面的速率，ks为指数趋近项；滑模控制律v＝
‑
(1/b0)(ce2+ks+η
′
sgns)，其中，η
′
为切换项增益，e2振动系统速度跟踪误差，常数b0为控制器的增益估值，b0≈b，b为控制器实际增益。
[0016]作为优选，复合滑模控制律即总控制量为：u＝
‑
(1/b0)(cz2+ks+η
′
sgns+z3)，其中，z1为振动系统位置跟踪误差e1的估值，z2为振动系统的速度跟踪误差e2的估值，常数b0为控制器的增益估值，b0≈b，b为控制器增益，c＞0为滑模面设计常数，k为系统到达滑模面的速率，ks为指数趋近项，η
′
为切换项增益。
[0017]作为优选，采集执行模块中NI<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统，其特征在于，包括：四面固支板振动模块，包括四面固支板，能够实现振动运动；控制模块，包括扩张状态观测器和滑模控制器，通过扩张状态观测器估计四面固支板振动系统的内外总干扰及该系统的位移跟踪误差及速度跟踪误差，通过滑模控制器基于估计值得到总控制量，将所述总控制量反馈至控制模块的输入端，同时输入采集执行模块；采集执行模块，包括NI
‑
PCIe采集卡和功率放大器，能够放大总控制量信号并输入四面固支板振动模块以控制其振动，同时采集四面固支板振动模块的振动信号输入控制模块。2.根据权利要求1中的四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统，其特征在于，所述四面固支板振动模块中四面固支板的模型具体为：其中，y为振动结构模态位移；为振动结构模态速度，为振动结构模态加速度，m为振动结构模态质量、c为振动结构模态阻尼、k为振动结构模态刚度；F
d
表示振动系统中未知的外界干扰；α0为力因子、V为压电元件的施加控制电压。3.根据权利要求2中的四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统，其特征在于，所述控制模块中，通过所述扩张观测器估计振动控制系统的内外总干扰以及振动系统的位移跟踪误差及速度跟踪误差，将振动系统的位移跟踪误差e1的估值z1以及振动系统的速度跟踪误差e2的估值z2输入到所述滑模控制器，基于所述z1及z2得到系统滑模面并计算得到滑模控制律即输出的滑模控制量v；将振动系统的内外总干扰f的估值z3代入该滑模控制量v，形成四面固支板振动系统的总控制量u。4.根据权利要求3中的四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统，其特征在于，所述控制模块中扩张状态观测器具体为其中，β
i
为观测器增益，简化非线性fal函数为fal(e1,α,δ)＝e1，并在此基础上提取特征方程为通过调节扩张状态观测器的带宽参数ω即可实现扩张状态观测器的调节。5.根据权利要求4中的四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统，其特征在于，所述控制模块中滑模控制器具体为：系统滑模面s：其中，c＞0为滑模面设计常数，e1为振动系统位移跟踪误差，通过扩张状态观测器估计得到，则为振动系统位移跟踪误差的微分；滑模趋近律滑模趋近律其中，η&gt;0为符号函数sgns开关增益，k为系统到达滑模面的速率，ks为指数趋近项；
滑模控制律v＝
‑
(1/b0)(ce2+ks+η
′
sgns)，其中，η
′
为切换项增益，e2振动系统速度跟踪误差，常数b0为控制器的增益估值，b0≈b，b为控制器实际增益。6.根据权利要求1至5任意一项中的四面固支板振动抗干扰复合滑模控制系统，其特征在于，复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐状，李生权，张路瑶，王书旺，李建奇，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：