【摘要】：隨著電力電子技術(shù)、集成電路技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,在很多高端研究領(lǐng)域,如專用機器人、醫(yī)療器械、汽車制造業(yè)、零部件加工等,對運動控制系統(tǒng)的性能都提出了更高的要求。同時,由于運動控制系統(tǒng)本身機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為強耦合的多變量非線性系統(tǒng),采用傳統(tǒng)的線性控制方法已經(jīng)無法滿足實際應(yīng)用中對高性能控制系統(tǒng)的要求。因此,近年來非線性控制算法在運動控制系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注,但是仍有許多亟待解決的問題。本論文研究了以永磁同步電機伺服系統(tǒng)和機械臂為對象的運動控制系統(tǒng)的抗干擾控制問題,主要是對基于連續(xù)滑模的永磁同步電機伺服系統(tǒng)速度控制、基于連續(xù)終端滑模的永磁同步電機伺服系統(tǒng)速度控制、基于時變擾動補償?shù)挠邢迺r間輸出反饋控制及其在剛性機械臂的應(yīng)用、基于時變擾動補償?shù)娜嵝詸C械臂有限時間輸出反饋位置控制、基于連續(xù)滑模的柔性機械臂不匹配擾動抑制控制和基于連續(xù)終端滑模的柔性機械臂不匹配擾動抑制控制問題進行了研究。研究結(jié)果和貢獻如下:一、針對永磁同步電機伺服系統(tǒng)的速度控制問題,分別給出了基于連續(xù)滑模和廣義比例積分觀測器的復(fù)合速度控制器設(shè)計方法和基于連續(xù)終端滑模和擴張狀態(tài)觀測器的復(fù)合速度控制器設(shè)計方法。兩種復(fù)合控制器的共同優(yōu)點是:與傳統(tǒng)的滑�？刂品椒ㄏ啾�,所提出的兩種復(fù)合控制器都可以減小傳統(tǒng)滑�？刂坡芍杏捎诖嬖诜柡瘮�(shù)而引起的抖振現(xiàn)象。這是由于復(fù)合控制律中包含了擾動前饋項,滑�？刂浦械目刂圃鲆婢涂梢赃x為較小的值,從而可以使系統(tǒng)獲得較小的穩(wěn)態(tài)速度波動。兩種復(fù)合控制器的不同優(yōu)點是:基于連續(xù)滑模和廣義比例積分觀測器的復(fù)合速度控制方法可以抑制時變擾動對系統(tǒng)控制性能的影響;而基于連續(xù)終端滑模和擴張狀態(tài)觀測器的復(fù)合速度控制器設(shè)計方法可以使系統(tǒng)獲得較快的收斂速度,從而提高系統(tǒng)的速度跟蹤性能。最后,仿真和實驗都說明了所提出的復(fù)合控制策略的有效性。二、針對一類受時變擾動影響的不確定系統(tǒng),給出了基于時變擾動補償?shù)挠邢迺r間輸出反饋控制器設(shè)計方法,并分別在剛性機械臂和柔性機械臂上做了測試。所提出的控制方法的設(shè)計過程主要包括兩部分:連續(xù)有限時間狀態(tài)觀測器的設(shè)計和有限時間輸出反饋控制器的設(shè)計。連續(xù)有限時間狀態(tài)觀測器可以用來同時估計系統(tǒng)未知擾動、擾動的各階導(dǎo)數(shù)及不可測量的狀態(tài)。有限時間輸出反饋控制器利用估計的狀態(tài)值實現(xiàn)閉環(huán)控制。估計的擾動值前饋至控制器用來補償擾動對系統(tǒng)的影響。為了驗證所提策略的有效性,我們分別設(shè)計了基于時變擾動補償?shù)膭傂詸C械臂有限時間輸出反饋位置控制策略和基于時變擾動補償?shù)娜嵝詸C械臂有限時間輸出反饋位置控制策略。仿真和實驗結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的基于廣義比例積分觀測器的控制方法相比,所提出的方法可以顯著提高剛性和柔性機械臂的位置跟蹤性能和抗擾能力。三、針對已有的擾動抑制方法無法有效解決系統(tǒng)的不匹配擾動抑制問題,考慮了柔性機械臂在匹配/不匹配時變擾動下的位置跟蹤問題,并給出了兩種控制器設(shè)計方案。第一種方案是基于連續(xù)滑�？刂坪蛷V義比例積分觀測器的復(fù)合位置控制器設(shè)計方法。該方案的設(shè)計過程是:首先,基于連續(xù)滑�？刂萍夹g(shù),對柔性機械臂設(shè)計了位置控制器。其次,為了抑制柔性機械臂中存在的與控制輸入不在同一通道的不匹配時變擾動,提出了基于連續(xù)滑�？刂坪蛷V義比例積分觀測器的復(fù)合位置控制方法。最后,給出的三組實驗測試結(jié)果驗證了在該復(fù)合位置控制器下閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得更好的跟蹤性能。為了進一步提高柔性機械臂在匹配/不匹配擾動下的位置跟蹤性能,將之前結(jié)果推廣到了有限時間收斂情況:基于連續(xù)終端滑模控制和有限時間狀態(tài)觀測器的復(fù)合位置控制器設(shè)計方法。該方案的設(shè)計過程是:首先,基于連續(xù)終端滑�？刂萍夹g(shù),對柔性機械臂設(shè)計了位置控制器。其次,提出了基于連續(xù)終端滑�？刂坪陀邢迺r間狀態(tài)觀測器的復(fù)合位置控制方法。該復(fù)合位置控制策略可以在有限時間內(nèi)抑制匹配/不匹配擾動對系統(tǒng)控制性能的影響,從而可以進一步提高系統(tǒng)的位置跟蹤能力。仿真測試結(jié)果也驗證了所提控制策略的優(yōu)越性。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP273

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本文編號：2552246