CN110412870B - 基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制方法 - Google Patents

基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制方法，包括以下步骤：构造立式物料传送装置的数学模型；规划其期望运动轨迹；构造立式物料传送装置扰动观测器；构造立式物料传送装置趋近自适应滑模控制系统；构建立式物料传送装置控制律，结合趋近自适应滑模控制系统即可实现控制立式物料传送装置的位置沿期望运动轨迹变化。本发明构建的扰动状态观测器能实现对立式物料传送装置中存在的时变性扰动项进行有效估计及控制补偿，在此基础上构建的基于趋近律的滑模控制系统能消除扰动估计误差。此外，本发明构建的自适应控制系统能削弱控制量的抖振，改善控制效果，实现对立式物料传送装置较为准确的位置控制。

Description

基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制 方法
技术领域
本发明涉及物料传送装置控制技术领域，特别是一种基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制方法。
背景技术
物料传送装置作为一种运输装置被广泛应用在建筑、冶金、码头、机械等需要货物运输的场所。通常按照传动方式的不同将其分为皮带式传动运输装备、齿轮式以及链轮式传动运输装备。立式物料传送装置是一种链式传动物料输送装置，具有较高的可靠性，能够适应各种恶劣的工作环境且占用空间较小。
传统的立式物料传送装置的控制方式多为PID算法，此种算法结构较为简单，在工程中参数调节较为方便，但其不能对立式物料传送装置中存在的时变性扰动进行补偿，导致控制精度不高。对于较高精度的立式物料传送装置的位置控制方法有待进一步探索。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现时变性扰动估计及补偿，进而实现较高位置控制精度的立式物料传送装置控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制方法，包括以下步骤：
步骤1、构造立式物料传送装置的数学模型：
Figure BDA0002119289520000011
式中，J为立式物料传送装置等效转动惯量；B为立式物料传送装置的阻尼系数；
Figure BDA0002119289520000012
为伺服电机转子角速度；
Figure BDA0002119289520000013
为伺服电机转子角加速度；u为系统控制力矩；dt为立式物料传送装置所包含的时变性扰动项；
步骤2、规划立式物料传送装置的期望运动轨迹；
步骤3、在所述数学模型的基础上构造立式物料传送装置扰动观测器；
步骤4、在所述数学模型和扰动观测器的基础上构造立式物料传送装置趋近自适应滑模控制系统；
步骤5、构建立式物料传送装置控制律，结合所述趋近自适应滑模控制系统即可实现控制立式物料传送装置的位置沿期望运动轨迹变化。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)构造的立式物料传送装置扰动观测器，能成功观测系统中的时变性扰动函数，并对扰动进行控制补偿；2)以趋近滑模控制理论为基础构造的趋近滑模控制器能消除扰动观测误差，并能改善滑模趋近运动的动态品质；3)为滑模控制系统所设计的控制律能有效改善控制量的抖振现象，实现对立式物料传送装置较高精度的位置控制。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于扰动观测器与趋近自适应滑模控制的立式物料传送装置控制方法流程图。
图2为本发明基于扰动观测器与趋近自适应滑模控制的立式物料传送装置控制方法的结构图。
图3为本发明基于扰动观测器与趋近自适应滑模控制的立式物料传送装置控制方法的期望轨迹曲线图。
图4为本发明实施例中控制输出力矩曲线图。
图5为本发明实施例中轨迹跟踪误差曲线图。
图6为本发明实施例中随机扰动函数曲线图。
具体实施方式
结合图1、图2，本发明基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制方法，包括以下步骤：
步骤1、构造立式物料传送装置的数学模型：
Figure BDA0002119289520000021
式中，J为立式物料传送装置等效转动惯量；B为立式物料传送装置的阻尼系数；
Figure BDA0002119289520000022
为伺服电机转子角速度；
Figure BDA0002119289520000023
为伺服电机转子角加速度；u为系统控制力矩；dt为立式物料传送装置所包含的时变性扰动项；
步骤2、规划立式物料传送装置的期望运动轨迹；
步骤3、在所述数学模型的基础上构造立式物料传送装置扰动观测器；
步骤4、在所述数学模型和扰动观测器的基础上构造立式物料传送装置趋近自适应滑模控制系统；
步骤5、构建立式物料传送装置控制律，结合所述趋近自适应滑模控制系统即可实现控制立式物料传送装置的位置沿期望运动轨迹变化。
进一步优选地，步骤2中规划立式物料传送装置的期望运动轨迹，具体为：规划伺服电机转子角位移变化为S型曲线作为立式物料传送装置期望运动轨迹。
进一步地，步骤3构造立式物料传送装置扰动观测器，具体为：
Figure BDA0002119289520000031
式中，
Figure BDA0002119289520000032
为系统扰动观测估计项；参数
Figure BDA0002119289520000033
参数
Figure BDA0002119289520000034
Figure BDA0002119289520000035
为对系统角速度的估计项；λ1＞0，λ2＞0，λ1，λ2均为扰动观测器系数。
进一步地，步骤4构造立式物料传送装置趋近自适应滑模控制系统，具体包括：
步骤4-1、构造滑模函数：
Figure BDA0002119289520000036
式中，e＝θd-θ为角速度误差；θ为伺服电机转子角位移；θd为伺服电机转子期望角位移轨迹；c为滑模面参数；
步骤4-2、构造滑模面函数等速趋近律：
Figure BDA0002119289520000037
即
Figure BDA0002119289520000038
式中，
Figure BDA0002119289520000039
为伺服电机转子期望角加速度；η为滑模切换系数；sgn()为符号函数，k为反馈系数；
步骤4-3、构建立式物料传送装置趋近自适应滑模控制系统自适应律：
Figure BDA00021192895200000310
式中，μ＞0为自适应参数，
Figure BDA00021192895200000311
为滑模系统自适应估计参数。
进一步地，步骤5中构建立式物料传送装置控制律具体为：
Figure BDA0002119289520000041
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例
本实施例以立式物料传送装置为具体对象，伺服电机根据本发明方法输出力矩控制立式物料传送装置按照本发明所规划的轨迹曲线进行位移位置跟踪。
利用MATLAB软件中的Smiulink模块搭载立式物料传送装置位置控制的仿真环境，依据本发明的方法编写控制程序，设置系统仿真时间为5s，在scope模块中检测仿真结果曲线。
本发明基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制方法，包括以下内容：
1、构造立式物料传送装置的数学模型为：
Figure BDA0002119289520000042
式中，J为立式物料传送装置等效转动惯量；B为立式物料传送装置的阻尼系数；
Figure BDA0002119289520000043
为伺服电机转子角速度；
Figure BDA0002119289520000044
为伺服电机转子角加速度；u为系统控制力矩；dt为立式物料传送装置所包含的时变性扰动项。本实施例中，设置J＝3.79*10-3；B＝5.96*10-4；不失一般性在系统仿真环境中设置随机扰动函数如图6所示。
2、规划立式物料传送装置的期望运动轨迹：
规划伺服电机转子角位移变化为S型曲线作为立式物料传送装置的理想运动轨迹，设计伺服电机转子角位移如图3所示，其中最大角位移为600rad，最大角速度为300rad/s，最大角加速度为600rad/s2。
3、构造立式物料传送装置扰动观测器为：
Figure BDA0002119289520000045
式中，
Figure BDA0002119289520000046
为系统扰动观测估计项；参数
Figure BDA0002119289520000047
参数
Figure BDA0002119289520000048
Figure BDA0002119289520000049
为对系统角速度的估计项；λ1＞0，λ2＞0，λ1，λ2均为扰动观测器系数。
4、构造立式物料传送装置趋近滑模控制系统，包括：
4-1、构造滑模函数：
Figure BDA0002119289520000051
式中，e＝θd-θ为角速度误差，θd为伺服电机转子期望角位移轨迹；c为滑模面参数；本实施例中设置滑模面参数c＝30。
4-2、构造滑模面函数等速趋近律：
Figure BDA0002119289520000052
即
Figure BDA0002119289520000053
式中，
Figure BDA0002119289520000054
为伺服电机转子期望角加速度；η为滑模切换系数；sgn()为符号函数，k为反馈系数，本实施例中取k为30。
4-3、构造立式物料传送装置模控制系统自适应律；
Figure BDA0002119289520000055
式中，μ＞0为自适应参数，
Figure BDA0002119289520000056
为滑模系统自适应估计参数；本实施例μ设置为0.5。
5、构建立式物料传送装置控制律：
Figure BDA0002119289520000057
仿真获得的控制输出力矩曲线如图4所示，由图4可以看出，控制量曲线较为平稳，未出现较大的抖振现象，总体来看基本符合预期效果。
仿真获得的轨迹跟踪误差曲线图如图5所示，由图5可以看出，在立式物料传送装置动态跟踪过程中会有较大的误差但依然满足精度要求，而从结果图中可以看到稳态误差几乎为0，从而验证了本发明方法的有效性。
由以上可知，本发明基于扰动观测器与趋近自适应滑模控制的立式物料传送装置的位置控制方法，具有较好的轨迹跟踪性能，能够实现对立式物料传送装置较为精准的位置控制。

Claims (2)

1.一种基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构造立式物料传送装置的数学模型：
Figure FDA0003482735380000011
式中，J为立式物料传送装置等效转动惯量；B为立式物料传送装置的阻尼系数；
Figure FDA0003482735380000012
为伺服电机转子角速度；
Figure FDA0003482735380000013
为伺服电机转子角加速度；u为系统控制力矩；dt为立式物料传送装置所包含的时变性扰动项；
步骤2、规划立式物料传送装置的期望运动轨迹；
步骤3、在所述数学模型的基础上构造立式物料传送装置扰动观测器；具体为：
Figure FDA0003482735380000014
式中，
Figure FDA0003482735380000015
为系统扰动观测估计项；参数
Figure FDA0003482735380000016
参数
Figure FDA0003482735380000017
Figure FDA0003482735380000018
为对系统角速度的估计项；λ1＞0，λ2＞0，λ1，λ2均为扰动观测器系数；
步骤4、在所述数学模型和扰动观测器的基础上构造立式物料传送装置趋近自适应滑模控制系统；具体包括：
步骤4-1、构造滑模函数：
Figure FDA0003482735380000019
式中，e＝θd-θ为角速度误差；θ为伺服电机转子角位移；θd为伺服电机转子期望角位移轨迹；c为滑模面参数；
步骤4-2、构造滑模面函数等速趋近律：
Figure FDA00034827353800000110
即
Figure FDA00034827353800000111
式中，
Figure FDA00034827353800000112
为伺服电机转子期望角加速度；η为滑模切换系数；sgn()为符号函数，k为反馈系数；
步骤4-3、构建立式物料传送装置趋近自适应滑模控制系统自适应律：
Figure FDA0003482735380000021
式中，μ＞0为自适应参数，
Figure FDA0003482735380000022
为滑模系统自适应估计参数；
步骤5、构建立式物料传送装置控制律，结合所述趋近自适应滑模控制系统即可实现控制立式物料传送装置的位置沿期望运动轨迹变化；所述构建立式物料传送装置控制律具体为：
Figure FDA0003482735380000023
2.根据权利要求1所述的基于扰动观测器与趋近自适应滑模的立式物料传送装置控制方法，其特征在于，步骤2所述规划立式物料传送装置的期望运动轨迹，具体为：规划伺服电机转子角位移变化为S型曲线作为立式物料传送装置期望运动轨迹。
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