中凸变椭圆活塞直线伺服系统的变增益零相位误差跟踪滑模控制
崔红, 郭庆鼎沈阳工业大学
摘要:针对中凸变椭圆活塞直线伺服驱动系统,提出了变增益零相位误差跟踪—滑模控制这一新型控制策略,以提高系统的跟踪性能和抗扰性能。它结合了变增益零相位误差跟踪控制器的理想跟踪特性与滑模控制器的抗扰动能力的优点,并采用扰动观测器对负载扰动进行估计和补偿,从而保证了中凸变椭圆活塞直线伺服驱动系统的快速稳定性。仿真结果表明,采用这种控制策略可以十分有效地减小中凸变椭圆活塞直线伺服驱动系统的跟踪误差。
关键词:中凸变椭圆活塞 零相位误差跟踪控制器(ZPETC) 滑模控制器(SMC) 扰动观测器
前言
中凸变椭圆活塞是典型的非圆截面零件,目前内燃机活塞裙部普遍采用中凸变椭圆活塞型面:轴截面为中凸鼓形,横截面为椭圆形,横截面椭圆的椭圆度沿轴向变化。这种活塞具有减小冲击、降低发动机运行时的噪声、改善润滑等优点。
但如何提高其复杂形状的加工精度是一个关键问题。本文在中凸变椭圆活塞的进给驱动中,采用直线电机获得直线伺服运动。但是,由于被控对象与直线电机的直接连接,负载变化和扰动(主要是切削力扰动)将直接反映到伺服系统的控制回路中。另外输出与输入信号间由电磁与机械惯性引起的滞后现象也将影响系统的跟踪特性。
为此,本文提出了变增益零相位误差跟踪—滑模控制策略,其中利用变增益零相位误差跟踪器来提高系统的跟踪精度,在此基础上加入滑模控制器以抑制切削力等负载扰动。为了在保证系统跟踪性能的基础上,减小负载扰动的抖动,还加入了扰动观测器对负载扰动进行估计和补偿。仿真结果表明,这种控制策略有效地减小了中凸变椭圆活塞直线伺服驱动系统的跟踪误差,具有较强的鲁棒性,该控制方法有明显的技术效果。
2 直线电机的动态系统建模
根据直线电机的工作原理,可知其数学模型为
由图4~图6可知,采用变增益零相位误差跟踪—滑模控制后跟踪误差减小了,鲁棒性也较好,明显优于PID控制和零相位误差跟踪—滑模控制(增益不变)。
5 结论
本文针对中凸变椭圆活塞直线伺服驱动系统,提出了变增益零相位误差跟踪—滑模控制方案,以提高系统的跟踪性能和抗干扰性能。它将变增益零相位误差跟踪控制器的理想跟踪特性与滑模控制器的抗扰动能力相结合,保证了系统的跟踪性,提高了系统的抗扰性,在此基础上加入的扰动观测器减小了负载扰动的抖动。仿真结果表明,这种控制策略有效地减小了中凸变椭圆活塞直线伺服驱动系统的跟踪误差,具有较强的鲁棒性,可以获得较高的加工精度。
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