电液伺服系统的多滑模鲁棒自适应控制
管 成, 朱善安
(1.浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027;2.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)
摘要:针对一类参数与外负载非匹配不确定的非线性高阶系统,提出了一种基于逐步递推方法的多滑模鲁棒自适应控制策略.应用逐步递推的多滑模控制方法简化了高阶系统的控制问题,同时在自适应控制中加入鲁棒控制的方法,以消除不确定性对控制性能的影响.首先利用逐步递推方法与状态反馈精确线性化理论,得出确定系统的多滑模控制器设计方法;然后基于Lyapunov稳定性分析方法,给出不确定系统的参数自适应律,及鲁棒自适应控制器的设计方法.本文把该控制策略应用到电液伺服系统的位置跟踪控制中,仿真结果显示,该控制方法具有较强的鲁棒性及良好的跟踪效果.
关键词:高阶非线性系统;多滑模控制;鲁棒自适应控制;电液伺服系统;位置跟踪控制
中图分类号:TP271 文献标识码:A
1 前言(Introduction)
液压系统因具有响应快,功率体积比大等优点,获得了广泛的应用.但液压系统具有很强的非线性特性,并且系统中很多参数具有不确定性.这些问题给控制系统的设计带来了很大的困难.传统的控制方法一般是在工作点处对系统进行近似线性化处理,然后应用线性控制理论进行控制器的设计.但是在液压系统中工作点一般不是固定的,尤其是在外负载变化较大的情况下.这样通过近似线性化处理的系统模型就存在较大的误差,使控制性能下降.
为此,近来一些学者采用了状态反馈精确线性化的控制方法[1,2].由于滑模变结构控制算法简单,抗干扰性能好,所以滑模控制与状态反馈精确线性化控制相结合的控制方法得到了国内外的普遍重视,在液压控制系统中也得到了广泛的应用[3~5].但对高阶系统来说,滑模控制器的设计仍然较为复杂,且滑模变结构控制要求不确定性满足匹配条件[6],然而液压系统的不确定性往往是非匹配的,且系统阶次较高.针对这些特点,文献[7,8]等在液压控制领域引入虚拟控制量的概念,采用了基于Backstep-ping[9,10]的自适应控制方法,但从一定意义上来说,该方法的各虚拟控制量之间是相互耦合的,这样给系统的分析带来了一定的困难.为此本文基于类似Backstepping的逐步递推方法,设计了一种各虚拟控制量之间相互解藕的多滑模鲁棒自适应控制器,进行电液伺服系统的跟踪控制.
从图3、图4的响应曲线可以看出采用本文设计的控制器,不仅成功地解决了液压控制系统中的非线性问题及参数的非匹配不确定性,而且还有效地克服了负载变化对系统的影响,使系统具有较强的鲁棒性对阶跃信号及不同频率的正弦信号都能获得优良的跟踪性能,达到了比较满意的效果.
5 结论(Conclusion)
本文针对一类存在参数不确定性,且不确定性不满足匹配条件,同时为非正则型系统的高阶非线性系统,引入虚拟控制量及虚拟自适应律的概念,提出了基于逐步递推方法的多滑模鲁棒自适应控制方法,把整个系统分成了相对阶为1的n个简单的一阶正则型子系统,分别对其进行滑模自适应控制,从而使计算量大为减少;并在自适应控制中结合了鲁棒控制设计的方法,消除了系统不确定性及外部负载对控制性能的影响,从而达到鲁棒跟踪控制的目的.仿真结果表明,采用本文提出的控制器设计方法,在电液伺服系统的位置跟踪控制中能很好地克服系统的非线性特性、参数不确定性以及负载扰动的影响,达到较高的跟踪精度.
另外,与其他自适应控制方法相比,如模型参考自适应控制、自校正控制等传统的线性自适应控制方法,以及神经网络、模糊等非线性自适应控制方法.本文提出的多滑模鲁棒自适应控制方法主要具有如下优点:能适用于高阶非线性系统;计算简单,能对参数进行在线实时调节,实用性强;无须具有先验知识等.
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