CN114625012A - 一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法，属于智能控制领域。该控制方法包括引入连续摩擦力矩模型作为摩擦前馈补偿器、提出基于改进幂次趋近律的滑模变结构控制器。本发明的优点在于能够对摩擦力矩进行补偿，并且滑模变结构控制器能够根据***状态自适应调节***抖振问题；同时针对连续回转电液伺服马达***，能够提高***鲁棒性和抗干扰能力。

Description

一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法

技术领域

本发明涉及智能控制领域，具体设计了一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法。

背景技术

连续回转电液伺服马达作为飞行模拟实验中的重要设备，可以复现飞行器的姿态角变化，具有高频响、高精度、超低速等优点。但是电液伺服马达***存在摩擦干扰等不确定非线性因素的影响，造成低速跟踪状态存在稳态误差，严重时引起爬行现象，因此需要设计一种控制器提高连续回转电液伺服马达***控制精度。

在机械装置上消除摩擦往往成本极高，甚至不切实际，最好的方法是从控制策略上进行摩擦补偿。关于摩擦补偿的研究层出不穷，建立了能够捕捉不同摩擦现象的摩擦模型，并将摩擦补偿引入到电液伺服控制中，极大的提高控制精度。同时滑模变结构控制(Sliding Mode Variable Structure Control,SMC)可以根据***状态偏离滑模面程度，改变控制器的结构，驱使其回到预先规定的轨迹上，因此其控制效果与参数无关，不需要进行在线辨识，具有较强的鲁棒性等优点，非常适宜工程应用。

然而，经典摩擦模型大多由相对速度和摩擦力的静态映射关系得出，用符号函数分配摩擦力的方向，这种不连续或分段连续的摩擦模型会造成***的不稳定性；对于滑模变结构控制器，由于切换函数的作用，***状态沿滑模面持续做往复运动，产生“抖振”现象。

发明内容

本发明提出一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法，其特征在于：所述的改进滑模变结构复合控制器包括一个摩擦前馈补偿器，由输入速度信号

和输出力矩Tf组成，采用连续摩擦力矩模型；同时包含一个基于改进幂次趋近律的滑模变结构控制器，由四个输入信号r、x1、x2、x3和一个输出信号u构成，其结构由幂次趋近律和变速趋近律组合而成，并包含***状态量x；通过该控制方法对连续回转电液伺服马达***进行控制，对不确定非线性因素具有强鲁棒性，同时可以自适应调节***抖振大小，满足低速跟踪能力和***稳定性，实现***的精确控制。

本发明采用了如下技术方案：

1、一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法，其特征在于：所述的改进滑模变结构复合控制器包括一个摩擦前馈补偿器，由输入速度信号

和输出力矩Tf组成，采用连续摩擦力矩模型；同时包含一个基于改进幂次趋近律的滑模变结构控制器，由四个输入信号r、x1、x2、x3和一个输出信号u构成，其结构由幂次趋近律和变速趋近律组合而成，并包含***状态量x。

2、所述的改进滑模变结构复合控制器如下：

基于连续摩擦模型的摩擦前馈补偿器表达式为：

式中：Tf为摩擦力矩值，N·m；k_i∈R i＝1,2,...,6；tanh为双曲正切函数；

为角速度；

基于改进幂次趋近律的滑模变结构控制器表达式如下：

式中：s为滑模面；e、

为***跟踪误差；c1、c2为滑模增益；α、k₁、k₂为趋近律参数；x1、x2、x3为***状态变量；

本发明的创造性主要体现在：

(1)本发明针对连续回转电液伺服马达***中存在未知强非线性和不确定强扰动因素，设计了一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法，可以对摩擦力矩进行补偿，同时具有一定的强鲁棒性和抗干扰能力，提高了***的跟踪精度和响应频率；

(2)本发明设计的一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法，相较于传统滑模变结构控制器，由幂次趋近律和变速趋近律共同调节，且变速趋近律中引入***状态量，可以根据***状态自适应调节抖振大小，提高了控制器的稳定性。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法的结构图；

图2是0.001°/s斜坡输入信号的相应特性曲线图；

图3是频率13Hz，幅值1°的正弦输入信号的响应特性曲线图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的每个其他实施例，都属于本申请保护的范围。

结合附图，对本发明的控制方法进行详细描述：

如图1所示，一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法的结构图；具体控制过程为：采取基于连续摩擦模型的前馈摩擦补偿策略，对指令位置信号r求导得到速度信号

经过连续摩擦模型得到摩擦补偿信号，***输出状态量x₁、x₂、x₃作为反馈输入，与指令信号r共同作为滑模变结构控制器的输入，得到输出u，与摩擦补偿信号共同作用于被控对象。

如图2所示，实线为斜度0.001°/s的斜坡输入信号，虚线为改进滑模变结构复合控制器的输出相应曲线。

如图3所示，实线为频率13Hz，幅值1°的正弦输入信号，虚线为改进滑模变结构复合控制器的输出相应曲线。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法，其特征在于：所述的改进滑模变结构复合控制器包括一个摩擦前馈补偿器，由输入速度信号

和输出力矩Tf组成，采用连续摩擦力矩模型；同时包含一个基于改进幂次趋近律的滑模变结构控制器，由四个输入信号r、x1、x2、x3和一个输出信号u构成，其结构由幂次趋近律和变速趋近律组合而成，并包含***状态量x。

2.根据权利要求1所述的一种针对连续回转马达***的改进滑模变结构复合控制方法，其特征在于：

连续摩擦力矩模型避免了由不连续或分段连续函数造成的***不稳定性，适用于双向旋转状态下的高精度控制要求，并且能捕捉由静摩擦转换为动摩擦时，由于静摩擦系数较大，出现摩擦负阻尼现象，同时在一定程度上能够描述多种摩擦特性，涵盖了Stribeck摩擦模型、Maxwell摩擦模型、库仑摩擦模型等相关属性，连续摩擦模型的表达式为：

式中：Tf为摩擦力矩值，N·m；k_i∈R i＝1,2,...,6；tanh为双曲正切函数；

为角速度，°/s；

同时，连续摩擦模型具有如下特性：

(1)模型关于原点呈对称性；

(2)当k6＝0时可以描述静态摩擦因数，其中

可以捕捉Stribeck现象，随着速度的不断增加，摩擦因数减小；

(3)

为粘滞摩擦，捕捉相对运动件之间由于润滑油粘性产生的粘滞阻力；

(4)

表示库仑摩擦，且存在于***没有粘滞摩擦状态下；

根据上式确定的连续摩擦力矩模型，本发明采用在控制信号输入处加入摩擦补偿信号，对摩擦干扰进行准确估计并加以补偿，同时与基于改进幂次趋近律的滑模变结构控制器进行复合控制；

在幂次趋近律基础上，结合变速趋近律的优点，本发明确定一种改进幂次趋近律，数学表达式为：

式中：α、k₁、k₂为趋近律参数，k₁＞0,k₂＞0,α＞1；x为***状态变量；

在***状态运动初始时刻，此时变速项

幂次项加快***趋近过程；当***状态进入到滑动模态时，幂次项作用减弱，并且变速项中状态量x可以自适应调节抖振大小；

当***趋于平衡点时：

因此，改进幂次趋近律可以控制***状态最终收敛于平衡点，既保留了幂次趋近律调节速度快，又吸收了变速趋近律自适应调节抖振的优势；

选取Lyapunov函数V(x)＝s²/2，将公式(2)代入得：

因此，改进幂次趋近律满足滑模变结构控制器***设计可达性条件；

假设***初始状态s(x)＞0，则：

积分得：

移项，整理得：

由上式可知，在***初始状态s(x)＞0时，控制***具备有限时间可达性；同理可证s(x)＜0；

存在***状态控制方程：

式中：x₁为***转角位置信号；x₂为角速度信号；x₃为角加速度信号，f(x₂,x₃)＝-5852x₂-30x₃为***状态函数；u为控制输入；

定义滑模面s：

式中：c1、c2为滑模增益，c₁＞0,c₂＞0；e为***跟踪误差，定义如下：

式中：r为期望位置信号；x₁为位置跟踪信号；

对上式求导，导入公式(9)可得：

联立公式(2)，得到基于改进幂次趋近律的滑模变结构控制律为：

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