【单臂机械手滑膜变结构控制分析案例4700字】

单臂机械手滑膜变结构控制分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5842单臂机械手滑膜变结构控制分析案例 1318451.1概述 1255601.2滑膜变结构控制的基本原理 173991.2.1滑动模态的存在和到达条件 3152831.2.2等效控制及滑动模态的运动方程 4309381.2.3滑模变结构控制的趋近律 5200831.2.4滑模变结构控制的设计 6228881.2.5滑模变结构控制系统的抖振 71.1概述滑模变结构控制与与其他多种控制方式不同的地方在于其可进行相应的预订滑块模态进行开关的一种控制方式。其系统自身所具有的结构会随着时间的改变而不断改变，因为其不仅能对开关进行一定程度的切换，同时也可对其作出相应的判断，且系统在进行相应的运行过程中该操作一直在进行。这样的操作方式可在一定程度上保证系统在进行相应的运动过程中，可达到且在一定程度上对预订的一种滑动模态进行相应的保持。1.2滑膜变结构控制的基本原理带有滑动模态的变结构在运用的过程中是通过开关完成切换操作的，使机械臂内系统状态的空间发生改变，对于开关切换法则的控制策略使得系统保证具有滑动模态的方式，滑动模态的非线性系统表达式为：x=f（x，u，t），其中x和u分别表示系统状态以及控制变量。滑动模态的定义及数学表达式一般情况下的非线性系统(2-1)若系统式(2-1)为单输入非线性系统，即(2-2)其中，x∈RN（状态向量），u∈RM（控制输入），其将自身所具有的状态空间分为上（s>0）以及下（s<0）,在切换面所具有相应的运动点可分为如下几种情况，如图2-1所示图2-1切换面上的三种点的特点滑模变结构控制的定义考虑非线性系统式(2-3)需要确定切换函数(2-4)求解控制函数(2-5)其中，u+(x)≠u-(x)使得1)具有相应滑动模态；2)自身所具有可达性的相关条件可在一定程度上进行相应的获得，同时在规定的时间内其可完成从切换面s(x,t)=0之外的任一运动点到达：3)再进行相应的滑模运动过程中需保证其自身所具有的稳定性；4)应达到控制系统自身应具有的动态品质要求。滑模变结构再进行相应控制过程较为基本的是前三项，当这些条件在一定程度上获得相应的满足时才可将其称为滑模变结构控制。1.2.1滑动模态的存在和到达条件滑模变结构在进行相应的运用前提在于其自身所具有的条件以及其应该达到的条件在一定程度上成立。在对其进行相应设计过程中，可通过对到达条件对该规律自身所具有的数学表达式进行一定程度的导出。对于进行相应的单输入方式的一种非线性系统式（2-6）,若系统自身所具有的初始状态x(0)并不是位于s=0的周围，而在处于状态空间中其他不同的任一位置，此时系统从自身所具有的位置应在一定程度上完成相应的可达性条件，此时在一定程度上其应趋向于切换面s=0，否则将无法通过系统对其进行相应的启动。该模态自身所具有的数学表达式如下如下(2-6)式(2-5)表示在相应的切换面邻域内，在规定的时间内运动轨线将将到达相应的切换面，因此该到达条件的另一个称号为局部到达条件。到达条件的等价形式为(2-7)其中，切换函数s∞应满足以下条件：1)可微；2)经过原点，即s(0)=0。1.2.2等效控制及滑动模态的运动方程将滑动模态自身所具有的方程进行一定程度的确定是其相对较为重要的问题。其不仅需在一定程度上方便其进行相应的离线分析，同时控制系统自身所具有的运动情况需要进一步的贴合。该方程自身所具有的右端因变量在一定程度上具有不连续且在进行相应的切换流行上具有一定的无定义性，因此，对该系统进行相应分析的过程中，无法使用传统的微分方程理论对其进行分析。相较于早期继电器系统方程，在对其运用的过程中常使用分段衔接的方式对其进行相应的求解，系统在相应的段内具有一定的连续性，因此可以采用传统方式进行相应的求解。在相应的切换面，依据衔接原理可在一定程度上获得进入后一段所需的的初始条件，进而将解在整体上进行一定程度的衔接。当出现高频切换时，需依据相应的平均值对其效果进行一定程度的计算。一般的滑模变结构控制会在系统发生滑模运动的过程时，其间断点在时间上构成测度不为零的点集，系统状态被限制在切换流形上。此时通常采用等效控制法进行相应的确定。对单输入非线性系统式(2-8)从理论对其进行相应的分析，当系统内部所具有的的状态轨线经过相应的转换后，变成切换流行，则会沿其所需的轨迹进行相应的运动，因此，通常将其命名理想滑动模态。但在实际操作过程中，其不可能一直在相应的切换流行上进行运动，会发生一定程度的抖动。其产生的原因是由于惯性以及执行机构在切换过程中出现的滞后现象等多种非线性因素的存在所造成，因此，通常将其命名为实际滑动模态。在相对较为理想的状态下，当系统进入滑动模态运动后，由于系统的状态轨线保持在其上面，故满足S=0，从而有=0。对于单输入非线性系统式(2-9)若达到相应的理想的滑动模态控制，则=0。即(2-10)如果从式(2-9)中可以确定或解出u，则此解u被视为非线性系统式(2-11)在切换流形s=0上所具有所施加控制的平均作用量。我们将通过该种方式求出的控制量u称为等效控制，用Ueq表示。等效控制应用过程中常常运用一些特定的系统，且在没有外界环境对其进行干扰的情况下设计。1.2.3滑模变结构控制的趋近律因此，其在进行相应的运动过程通常由两个阶段共同组成，它或者位于切换面之外，或者有限多次地穿越切换面，如图2-2上的X0A。第二阶段是滑动模态段，位于切换面上的滑动模态区之内，如图上的A0。过渡过程其自身所具有的品质在一定程度上通过这两个阶段在所具有相应的运动品质进行相应的确定。对其进行相应改进的过程中，无法将整个运动过程中所具有的品质进行的品质进行相应的改善，因此，需将各阶段内自身所能产生的品质进行相应的增长。此外，每一阶段运动的品质均与所选切换函数s(x)及控制函数u+(x)及u-(x)有关。我们局部研究：选择u±(X)，使其接近过程，即使正常运动段的品质得到提高；选择s(x)，使滑动模态的运动品质得到保证和改善。因此，可将其整体运动过程进行一定程度的拆分，下面分别对其进行相应的讨论。1)正常运动：从任意位置所具有的初始状态，可在一定的时间范围内发生相应的运动进而到达其指定位置的切换面。该过程通常称之为非滑动模态运动，以此来展现其与其他的运动方式之间所具有的不同之处。同时这也是本节进行研究过程中较为重要的内容。2)滑动模态：其自身所具有的品质相对于整体可产生较为重要的影响。可在一定程度上对其进行极点配置，最优控制等，进而确保其自身所具有的优良品质。图2-2滑膜变结构控制的运动过程3)稳态误差：在该过程中，通常会因惯性等多种因素导致其出现抖振现象，进而对其所具有的品质造成较大的影响。1.2.4滑模变结构控制的设计在对其进行相应设计时应包含如下部分1)设计切换函数s(x)，这是其自身具备滑动模态相对较为稳定，进而获得相对较为优秀的品质：2)设计滑动模态控制律u±(X)，致使其在一定程度上完成其应该达到的相应条件，进而在切换面上形成与之相应的滑动模态区。在切换函数s(x)和滑动模态控制律u±(X)得到后，就可完成对该系统的建立。滑膜变结构控制有以下几种设计方法：常值切换控制：(2-12)其中，uvss是待求的常数，sign是符号函数。设计滑模变结构控制就是求Uvss。函数切换控制：(2-13)通过将等效控制ueq演变其自身基础的一种形式。滑模变结构控制律与其他进行相比较为简单，其通过线性连续反馈以及与之相对应的不连续变结构反馈共同构成。Uvss自身所具有的系数相对较大，系统自身所具有的不确定性范围从理论角度进行相应的分析得同样较大，但将在一定程度上对系统自身所产生的抖动进行增加进而促使实际运用过程中的受控对象自身所具有的机械（硬件）部分受到一定程度的损坏。其在进行实际运用的过程中较为重要的问题是对变结构反馈系数进行相对较为合适的选取。近年对其进行相应研究过程常将模糊控制、神经网络等多种不同的控制方法与其进行一定程度的融合，从而达到对系统自身所具有的不确定性范围在一定程度上进行分划（学习）的目，切换增益系数的过程中需最大程度的降低，进而将其自身因素所导致的抖动缺陷在进行相应的实时控制过程中造成的难度进行克服。相关科研人员通过利用李雅普诺夫函数对其自身所具有的综合性问题进行深入的研究。通过对该函数进行较为合适的探寻可将其自身所具有的综合性问题进行统一。但对该函数进行寻找的过程中具有一定的困难，因此，该方法再进行使用过程中具有一定的局限。1.2.5滑模变结构控制系统的抖振理论角度对其进行相应的分析，系统自身进行操作的滑膜运动与被控制对象共同具有的参数变化不受外界环境所造成的干扰，可将滑动模块具有的性质依据操作需要进行相应的设计，相较于传统方式运行的控制系统该系统自身所具有的鲁棒性要更加的强大。但其自身所具有的缺陷是进行不连续切换过程中其本质上的因素将在一定程度上引发系统产生抖振现象。因此该问题成为相关学者，在对其进行深入研究过程中的主要方向。1、滑模变结构控制系统的抖振产生的原理为，当系统自身所具有的轨迹经过运动后到达相应的切换面时，其自身所具有的速度在一定范围内，惯性在一定程度上促使运动点对切换面进行相应的穿越操作，造成抖振现象，进而出现在理想状态下该模态产生一定程度的叠加。故产生抖振现象核心的原因是由于进行开关切换动作过程中所引起的控制不连续性问题，且可将其归纳如下：1)时间延迟开关：在切换面附近，进行开关操作所需要的时间被一定程度的延迟，导致控制作用自身状态所具有的准确变化同样出现相应的延迟；控制量在该过程产生的幅度伴随着状态量在该过程产生幅度的减小而减小，因此其在相对较为光滑的滑膜面上通过一定程度的叠加操作呈现出表现为衰减趋势的三角波。2)空间滞后开关：开关自身所具有的的空间滞后可在一定程度上视为状态空间中具有的状态量变化的“死区”。因此在相对较为光滑的滑膜面上，通过一定程度的叠加，呈现出一个等幅形波。3)系统惯性的影响：物理系统自身所具有的能量在相应的范围内，故系统自身所具有的控制作用在相应的范围内，导致系统自身所具有的加速度同样在相应的范围内，此外，系统自身一定具有惯性，故控制在进行相应切换的过程中，同样会具有一定程度的滞后，且与时间滞后所产生的效果完全相同。系统惯性与时间延迟开关共同作用所出现的结果是，衰减三角波形自身所具有的相应幅度将在一定程度发生相应增大。若此时斗阵所产生的浮度不大于该“死区”，则其对外所呈现出的波形为等幅振荡波。被控系统在进行相应的实际操作过程，抖振出现的原因在于相对较为光滑的切换面在一定程度上被某种波动自身所具有的轨迹进行相应的叠加操作。抖振自身所具有的强弱在一定程度上受系统延迟、系统惯性等多种因素共同决定。它不仅促使系统在进行相应控制过程中能量产生的消耗发生增长，同时对控制过程所具有的精确性造成了一定的影响，此外，其对系统内部所具有的高频未建模动态进行相应的激发，进而破坏系统自身所具有的性能并使其出现震荡等现象，最终对其产生一定的危害。1.2.6滑模变结构控制系统的削弱问题以单输入单输出系统为例，将其作为现实操作过程中的范例，从多角度对其进行实验达到对抖振进行一定程度减弱的目的。近年相关研究人员在对其进行研究时常采用模糊方法，遗传方法，扇形区域方法等多种方法对抖振进行一定程度的抑制。但每种方法在使用过程中所呈现的优劣各不相同，故需要在实际操作过程依据情况进行相应的分析。①当遇到的问题不同时，所使用的方法也不尽相同。如当干扰情况处于不确定以及相对较小的状态下使用趋近律方法可在一定程度上对其进行削弱，反之则需要根据实际情况选择使用其他的方法。②当遇到的问题相同时，可使用多种方法进行相应的解决。如，由于外加干扰造成系统出现一定程度的抖振，不仅可以使用动态滑模的方法对其进行相应的消除，还可以采用变切换增益的方