双连杆柔性臂自适应模糊滑模控制
张友安 ,糜玉林 , 吕凤琳 , 孙富春
(1.海军航空工程学院控制工程系,山东烟台264001; 2.清华大学智能技术与系统国家重点实验室,北京100084)
摘 要:为使控制系统在负载和杆长变化时仍能快速、准确地跟踪期望轨迹,基于奇异摄动模型将双连杆柔性臂系统分解为慢变、快变2个子系统,提出了一种慢变子系统采用自适应模糊滑模控制、快变子系统采用最优控制的混合控制方法。其中自适应算法在线估计未知参数,模糊控制用来抑制由滑模控制引起的振动。仿真结果表明,该方法不仅能实现柔性臂轨迹的快速、准确跟踪,而且能有效地抑制弹性振动,并且对系统参数的变化具有较强的鲁棒性。该方法的特点是对系统中各个等效的摄动参数分别进行自适应估计和补偿,因而控制算法简单,易于工程实现。
关键词:自动控制技术;奇异摄动;双连杆;柔性臂;自适应控制;模糊控制;滑模控制;最优控制
中图分类号:TP241 文献标识码:A
引 言
为了克服刚性臂笨重、效率低、能耗大等缺点,许多学者对柔性臂及其控制进行了广泛的研究。对柔性臂的控制要达到两个目标:一是完成精确的定位或力控制;二是在定位或力的控制过程中,尽可能快地消除弹性振动。而柔性臂中弹性振动的存在使得其动力学是非线性的、无穷维的和分布参数的,这就使得柔性臂的控制问题成为一大难题[1-5]。当柔性臂的参数和负载为已知时,有多种有效的控制方法可供选择[1-3],其中,奇异摄动方法是一种广泛使用的有效方法。然而,当柔性臂的参数和负载未知时,这些方法一般不能获得满意的控制性能,为此,学者们对滑模控制和自适应控制[6-9]进行了大量的研究。为了克服滑模控制中的颤抖问题,可将模糊控制和自适应滑模控制结合起来。作者针对双连杆柔性臂系统参数和负载变化的情况,基于假设模态法和奇异摄动理论,将系统分解为慢变和快变两个子系统来分别进行控制器设计。在设计慢变子系统控制器时,考虑到系统具有强非线性、强耦合性及不确定性等特点,采用了自适应模糊滑模控制(AFS)方法。快变子系统经变换后呈线性系统,故采用简单的最优控制即可快速有效地抑制振动。与现有方法相比,本文方法的自适应部分是对系统中各个等效的不确定量分别进行自适应估计和补偿,对负载和杆长变化(这两者是主要的不确定量)具有较强的鲁棒性,可有效抑制振动,而且算法简单、易于工程实现。
1 柔性臂动力学方程
作者采用简支梁模型建立系统的动力学模型。用拉格朗日-假设模态法,并忽略重力的影响,可得出如下动力学方程[4]:
5 结束语
作者针对双连杆柔性臂系统参数(杆长、负载)变化时的控制问题,基于奇异摄动理论将双连杆柔性臂系统分解为慢变、快变两个子系统,提出了一种将自适应模糊滑模控制与最优控制相结合的混合控制方法。自适应模糊滑模控制用于保证慢变子系统的闭环稳定性和快速、准确跟踪,最优控制用于抑制快变子系统的弹性振动。仿真结果验证了本文方法的有效性。本文的自适应算法虽然计算比较简单、易于工程实现,但该自适应算法只是针对杆长和负载的变化来设计的(这两者的变化是最主要的)。今后的工作是要进一步考虑对系统其他参数的变化也具有自适应能力的控制算法。
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