基于模糊调节的Stewart平台积分滑模变结构控制器的设计
摘要:Stewart平台具有高度非线性、各个通道之间的负载交联耦合以及参数不确定性的特点。针对这些问题,提出了一种基于模糊调节的积分滑模变结构的控制方法,仿真表明,当系统中存在大范围参数变化和负载变化时,该方法表现出良好的跟踪性能,且对Stewart平台伺服系统通道间负载交联耦合也具有良好的抑制效果,同时,滑模控制产生的颤振现象得到了很好的抑制。该方法对Stewart平台类机构控制器的设计具有一定的借鉴意义。
引言
Stewart平台是一种由6个分支组成的并联机构,相对于传统的串联机构,它具有刚度大、承载能力大、位置精度高和工作空间比较小等特点[1]。根据文献[2],由压力特性和输出特性可知,非对称阀控制非对称缸相对于对称阀控制非对称缸更适合于提高液压控制系统的性能,所以笔者在Stewart平台实验室样机单通道控制系统中采用非对称阀控制非对称缸代替传统的对称阀控制非对称缸。由于油液的黏性、缸和活塞间的摩擦、伺服阀流量的非线性和系统参数的时变性,使Stewart平台液压控制系统具有高度的非线性、负载灵敏性、参数的不确定性[3]和通道间的时变负载交联耦合干扰等特点[4],仿真表明,本文提出的控制算法具有很好的运动轨迹跟踪精度和抑制负载交联耦合的能力。
1 Stewart平台单通道数学模型的建立Stewart平台结构简图见图1。Stewart平台单通道液压系统由一个非对称阀和一个非对称缸所组成,如图2所示。
2.3模糊控制律的设计切换控制信号sgns的非连续性通常会导致产生颤振现象,而颤振会激发高频信号和系统未建模动力学特性。为了消除颤振现象,许多研究人员把研究重点放在应用边界层方法或其改进方法以及切换控制的线性化等方面[7-10],但这些方法在减弱颤振现象的同时,也降低了滑模控制系统的鲁棒性。众所周知,滑模控制的鲁棒性是通过驱使状态点向理想滑模区运动获得的,当状态轨迹远离滑模表面时, | s |很大,切换增益应相应增大,反之亦然。模糊控制的特点是它能解决非线性问题,专家经验可以在不需要数学模型的前提下很容易转化为模糊规则从而去控制系统,所以可以采用模糊模型来近似描述系统状态点在切换面附近的上述动力学行为,从而在不牺牲滑模变结构控制所具有的鲁棒性的前提下使颤振现象得到减弱。
文献[11]提出了一种模糊调节技术,把连续调节滑模控制器参数的模糊行为转化为一个解析表达式。通过采用这项技术,笔者在控制信号中加入了一个额外的控制分量uf来提高系统滑模运动的快速性并减少颤振现象。针对控制分量uf所提出的模糊规则如下:
4 结论
对于Stewart平台单通道非对称阀控非对称缸系统,本文提出了基于模糊调节的积分滑模变结构控制方法。当系统存在大范围参数变化和负载变化时,该方法表现出了良好的跟踪性能和道间交联耦合抑制能力,而且能很好地抑制滑模控制产生的颤振,对于Sterward平台类机构控制器的设计有一定的借鉴意义。
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