CN105446262A

CN105446262A - 一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统

Info

Publication number: CN105446262A
Application number: CN201410473188.1A
Authority: CN
Inventors: 李相武; 王瑛; 李忠喜
Original assignee: Harbin Hengyu Mingxiang Technology Co Ltd
Current assignee: Harbin Hengyu Mingxiang Technology Co Ltd
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-03-30

Abstract

<b>一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统，系统主要由三大部分组成，分别为机械部分、硬件部分和软件部分。机械部分主要由三角支架、摆杆和平板组成，并根据其结构对其理论计算和数学建模；硬件部分主要有电源模块、MC9S12XS128最小系统、增量式光电编码器传感器、电机驱动和各外围设备；软件部分主要分为信号采集部分、信号处理部分、电机随动控制部分和各外设辅助部分。</b>

Description

一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，具体的说就是结合先进非线性控制方法的一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统。

背景技术

当今的技术发展日新月异，高新技术的进步也促进了运动控制系统的发展，总的来说，运动控制系统将进一步向网络化、数字化、智能化方向纵深发展。随着劳动生产率和产品质量的不断提高，工厂生产自动化对运动控制提出了更高的要求，如更快的响应速度、更高的控制精度、更高的可靠性等。近几年来，运动控制己经逐步形成了一个新的国际研究热点。研究具有开放式结构的高性能运动控制器是当前运动控制领域的一个重要发展方向，越来越得到世界各国学者的广泛关注。

高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用 DSP 的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用网络技术、 FPGA 技术等，使系统的结构更加合理和开放，通过网络连接方式减少系统的连线，提高系统的实用性和可靠性。运动控制器产品今后的发展基本上沿着上述两个方向走，但是专业化、个性化的运动控制器将是一个新的发展方向。

在机器人运动控制等伺服控制领域，模型的变化与不确定性、关节之间的耦合、转动系统的各种摩擦力、外界环境的干扰等多种因素影响到高速、高精度定位和跟踪控制。因此，用简单而有效的方法消除内部及外部干扰，是提高控制性能的重要研究方向。传统的角随动实验系统采用自整角机与力矩电机配合模拟电路实现角度控制，自整角机和模拟电路本身的非线性特性使得角随动控制精度大打折扣。目前普遍使用的单纯反馈控制策略很难满足机器人由于机械构造和工作环境日益复杂而引起的对控制精确度和速度等性能的要求。为了补偿非线性、不确定性所产生的内部干扰和外界环境产生的外部干扰，转矩计算方法、适应控制、智能控制、鲁棒控制等面向高速、高精度的先进运动控制方法被深入研究并应用到多种伺服控制对象。另外，从结构简单、高效的要求出发，在机器人运动控制和伺服控制方面，基于干扰观测器的高性能鲁棒控制方法被广泛应用。干扰观测器是一种扩展状态观测器，将干扰列入到要观测的状态变量中，因此其估计干扰的基本概念类似于一般状态观测器，但是用干扰估计量补偿实际干扰与状态观测器不同。其补偿基于高增益反馈原理，因而能有效地消除内部及外部干扰。干扰观测器因结构简单、鲁棒性强而成为在运动控制方面常用的鲁棒控制策略。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合先进非线性控制方法的具有干扰抑制功能的自由摆控制系统。

本发明的目的是这样实现的：

本系统主要由三大部分组成，分别为机械结构、硬件设计和软件编程。机械结构主要由三角支架、自由摆杆和平板组成，并根据其结构对其理论计算和数学建模；硬件设计主要包括电源模块、 MC9S12XS128 最小系统模块、检测模块，即增量式光电编码器传感器、电机驱动模块和外部设备模块；软件编程主要分为信号采集模块、控制模块、人机交互模块和底层功能模块。

摆架系统包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元件等，起支撑平板工作台的作用。在其结构设计中，选择的材料要保证摆架有足够的刚度，要选择适当的支撑方式，确定框架的结构形式，同时，为保证控制方便，有较高的灵敏度，要求摆杆重量适当。故支架材料选择角铁，摆杆材料选择方形铝管，支撑方式选择稳定的三角结构。摆架结构如图 2 所示，其中摆杆（转轴中心到电机轴中心）长 100cm ，平板长 10cm ，宽 6cm 。

摆杆的一端通过转轴固定在支架上，另一端固定安装一台步进电机，平板固定在电机轴上，与步进电机同轴安装有检测平板水转角状态的角度传感器，实时监测平板转动的角度并发送至控制器，控制器发出相应的脉冲信号驱动电机，可以带动平板转动一定的角度，当摆杆摆动时，控制电机使平板保持在水平或设计要求的状态。

根据系统要求搭建机械框架并进行理论分析。

、控制电机使平板可以在摆杆的自由摆动过程中，始终保持水平状态。当自由摆从 AB 转动到 AB ’位置，即自由摆逆时针转动θ角度时，若要保持平板水平状态，平板需顺时针转动α角度。如图 3 所示：

根据几何关系可知：

，

则：，

即在此模式下，系统构成一个简单随动系统，控制步进电机的转动角度即应该就是检测到的自由摆转动角度；当自由摆顺时针转动时，同理，亦然。

、在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆 150cm 距离处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。在自由摆动作过程中控制平板角度使激光始终打到中心线上。当自由摆从 AB 转动到 AB ’位置，即自由摆逆时针转动θ角度时，若要控制平板转动，使固定其上的激光笔的光斑始终保持打在中心线上水平状态，平板需顺时针转动α角度。

如图 4 所示：根据其几何关系可知：

，

则：

，

同理，当自由摆顺时针摆动θ角度时，若要控制平板转动，使固定其上的激光笔的光斑始终保持打在中心线上水平状态，平板需顺时针转动α角度。

根据其几何关系可知：

α = ץ- β，

ץ = θ，

，

则：，

3 、采用基于高阶滑模干扰观测器的反步法对摆杆末端平板进行跟踪控制实现光标的精确定位。

自由摆平板控制系统数学模型如下：

1 、设计如下形式的鲁棒任意阶微分器：

设 为状态估计误差， ， 。选择适当的任意阶滑模鲁棒微分器的增益，使得 ，并且设置合适的微分器初始化条件，使得微分器初始值为零，则干扰估计值为：

，

2 、定义 ， ，则虚拟控制律 形式如下：

，

3 、设位置跟踪误差为 ，则第 步虚拟控制律如下：

，

其中， 为赫尔维茨矩阵。虚拟控制量的导数 可由 step 1 中的任意阶滑模鲁棒微分器得到，即 ，

4 、计算实际控制变量的控制规律。

执行器控制律由下式给出：

，

其中， 为赫尔维茨矩阵

本发明的优点和效果 :

(1) 本发明通过控制算法的设计增加了系统各环节的性能指标；

(2) 本发明实现较高程度的自动化；

(3) 本发明提高现有的角随动系统的自动化水平；

(4) 可以应用本发明适应多种控制算法的实验验证。

附图说明

图 1 是本发明的结构示意图；

图 2 是摆架机械结构图；

图 2 中， 1- 摆杆； 2- 平板； 3- 电机；硬币 4 ；

图 3 是平板保持水平状态示意图；

图 4 是激光笔照射中心线示意图（逆时针）。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施例 1

本发明提供了一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统，使其能在自由摆摆动过程中，控制执行元件动作，带动摆杆 1 末端的平板 2 ，使其能完成以下三点主要功能：

1 、系统机械结构应可靠稳定，摆杆 1 摩擦阻力力小，能自由转动。将摆杆推起至 30 °处释放后，摆杆至少可以作 5 个周期以上的自由阻尼摆动。

、控制电机 3 使平板 2 可以在摆杆 1 的自由摆动过程中，始终保持水平状态。可以在平板 1 上放一个硬币 4 来测试效果。

、在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆 150cm 距离处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。在自由摆动作过程中控制平板角度使激光始终打到中心线上。

系统组装主要包括，系统各硬件电路模块的电路板焊接制作、硬件电路模块间组装以及系统硬件电路部分与机械框架之间的连接组装。

系统各硬件电路模块电路板主要是两个部分：主板（包括最小系统、稳压电源电路、按键和拨码开关）、电机驱动模块电路板。过程中应注意排版方式，时使其简单有效无干扰，同时，尽可能的以各单元电路为单位，一个个焊接调试，以便在调试过程中遇到困难时缩小故障范围，确保没有短路和虚焊。通电前，确保电源输出正常。

在电机驱动模块电路设计中，使用 VNH3SP30 电机驱动模块。更好地实现系统功能，硬件电路模块间组装主要是主板上接口与各模块的连接。电机驱动模块与其在主板上的输入接口的连接、直流空心杯伺服电机与电机驱动的连接、传感器与传感器接口连接、触摸屏与控制其最小系统端口连接等。

系统硬件电路部分与机械框架之间的连接组装主要是传感器与摆杆摆动轴的同轴刚性连接、步进电机与摆杆末端的刚性连接以及传感器与步进电机的同轴刚性连接。在此，经调试证明连接的同轴与刚性非常重要，会直接影响传感器采集数据的准确性，而传感器所采数据的精确与否是系统实现精确控制的前提。

实施例 2

一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统，包括机械结构、硬件设计和软件编程，所述的摆架机械结构由三角支架、自由摆杆和平板组成，并根据其结构对其理论计算和数学建模；硬件设计由电源模块、 MC9S12XS128 最小系统模块、检测模块、电机驱动模块和外部设备模块组成；软件编程主要分为信号采集模块、控制模块、人机交互模块和底层功能模块；机械装置的位移变化会被角度传感器感应，并传输给单片机经计算后输出信号控制电机模块运转；选择线性稳压电源模块，使用一块 LM2940-3.3 单独对 TMS320F28346 供电，而其它模块则使用另一块 LM2940-5 供电；采用旋转电位器，把电位器安装摆杆的旋转轴上，当摆杆转动时电位器阻值发生变化以改变输出电压，配合高精度模数转换器 MAX1301 和大功率电机驱动芯片 VNH3SP30 驱动直流空心杯伺服电动机，实现角度的精确跟踪；针对自由摆控制系统中的非线性动态：模型摄动、未建模动态和机械系统中存在的空程、滞回以及摩擦，设计了基于高阶滑模的任意阶鲁棒微分器进行干扰观测与抑制，针对该非线性动力系统，采用改进的反步控制策略进行位置伺服控制。

Claims

1.一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统，包括机械结构、硬件设计和软件编程，其特征在于：摆架机械结构由三角支架、自由摆杆和平板组成，并根据其结构对其理论计算和数学建模；硬件设计由电源模块、MC9S12XS128最小系统模块、检测模块、电机驱动模块和外部设备模块组成；软件编程主要分为信号采集模块、控制模块、人机交互模块和底层功能模块。

2.根据权利要求1所述的一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统，其特征在于：选择线性稳压电源模块，使用一块LM2940-3.3单独对TMS320F28346供电，而其它模块则使用另一块LM2940-5供电。

3.根据权利要求1所述的一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统，其特征在于：采用旋转电位器，把电位器安装摆杆的旋转轴上，当摆杆转动时电位器阻值发生变化以改变输出电压，配合高精度模数转换器MAX1301和大功率电机驱动芯片VNH3SP30驱动直流空心杯伺服电动机，实现角度的精确跟踪。

4.根据权利要求1所述的自由摆平板控制系统，其特征在于：针对自由摆控制系统中的非线性动态：模型摄动、未建模动态和机械系统中存在的空程、滞回以及摩擦，设计了基于高阶滑模的任意阶鲁棒微分器进行干扰观测与抑制，针对该非线性动力系统，采用改进的反步控制策略进行位置伺服控制。