基于干扰观测滑模变结构的轮廓误差交叉耦合控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108363301A(43)申请公布日2018.08.03(21)申请号201810142679.6(22)申请日2018.02.11(71)申请人台州学院地址317000浙江省台州市临海市东方大道605号(72)发明人王三秀陈光邬玲伟陈月芬蒋胜韬(74)专利代理机构南京申云知识产权代理事务所(普通合伙)32274代理人王云(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书3页说明书8页附图3页(54)发明名称基于干扰观测滑模变结构的轮廓误差交叉耦合控制方法(57)摘要本发明公开的一种基于干扰观测滑模变结构的轮廓误差交叉耦合控制方法，该方法提出了将滑模变结构控制、扰动观测器以及交叉耦合控制相结合的控制策略。具体步骤包括设计基于扰动观测的单轴伺服滑模变结构控制器；对基于扰动观测的滑模变结构控制算法进行稳定性分析；设计基于PID控制算法的交叉耦合控制器；仿真结果与分析。基于扰动观测的滑模变结构控制能有效消除扰动的影响，增强系统鲁棒性，实现单轴运动准确跟踪；交叉耦合控制则用于消除各轴之间增益参数和动态不匹配的影响，减小轮廓误差，实现多轴协调运动。最后通过两轴系统仿真模型，证明了该控制方法的有效性和优越性，实现了对跟踪误差和轮廓误差的有效补偿的。CN108363301ACN108363301A权利要求书1/3页1.一种基于干扰观测滑模变结构的轮廓误差交叉耦合控制方法，其特征在于，该控制方法包含：S1，针对单轴伺服运动采用滑模变结构控制，并通过扰动观测器对扰动进行观测，对扰动进行有效补偿；S2，根据所述步骤S1，对基于扰动观测的滑模变结构控制算法进行稳定性分析判断；S3，建立两轴联动伺服系统的轮廓误差估计模型；S4，基于所述步骤S3，设计基于PID控制算法的交叉耦合控制器，根据各坐标轴的反馈信息，实时修正轮廓误差模型增益，获得各轴的最佳补偿修正量，并送给各坐标轴，从减小和消除轮廓误差。2.如权利要求1所述的基于干扰观测滑模变结构的轮廓误差交叉耦合控制方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程如下：针对两轴执行机构Gx和Gy分别为考虑带有干扰的二阶系统：其中，a,b为大于零的常数，d为外部干扰信号；u为控制输入；其中，以X轴执行机构Gx为例，针对公式(1)，取参考输入为rdx，则跟踪误差为ex＝rdx-rx，rx为实际输出；令滑模函数s为其中，c为大于0的常数；则基于干扰补偿的滑模控制器ux设计为其中，为X轴扰动估计误差，满足η为大于零的常数；设计扰动观测器为其中是对的估计，k1，k2为大于零的常数。3.如权利要求1所述的基于干扰观测滑模变结构的轮廓误差交叉耦合控制方法，其特征在于，所述步骤S2包含：定义李雅普诺夫函数V：其中则2CN108363301A权利要求书2/3页假设X轴干扰信号变化较慢，即比较小，并且取较大k1，使得满足近似为零，则满足则上式满足同理，Y轴执行机构Gy也采用上述X轴执行机构Gx同样的方法，对扰动进行有效补偿，并满足稳定性要求。其中，rdx和rdy为两轴的参考输入，rx和ry为两轴实际输出，ex和ey为两轴跟踪误差，dx，dy和分别为两轴的外界干扰及其干扰估计。4.如权利要求1所述的基于干扰观测滑模变结构的轮廓误差交叉耦合控制方法，其特征在于，建立所述步骤3两轴联动轮廓误差估计模型，具体如下：S3.1当跟踪误差足够小时，轮廓误差沿给定轮廓轨迹切线方向的分量较大，而法线方向的分量比较小，认为轮廓误差与实际位置到轨迹切线的距离近似相等；将实际位置到参考轨迹切线的最短距离作为轮廓误差的估计值，用表示，则轮廓误差向量可由轮廓误差估计向量近似表示；轮廓误差估计矢量平等于轮廓误差法向矢量因此，轮廓误差的估计为跟踪误差向量与的内积；将切向矢量和法向矢量分别表示成：并满足如下关系：则得到法向量为3CN108363301A权利要求书3/3页其中，tx，ty分别为切向量在x轴和y轴的分量；nx，ny分别为法向量在x轴和y轴的分量；则轮廓误差估计矢量可由下式表示其中，为跟踪误差向量，表示实际位置与参考位置之间的距离，为系统轮廓误差向量，表示实际位置与轮廓轨迹之间的最小距离，为轮廓误差估计矢量；表示轮廓误差的切向量，为轮廓误差的法向矢量；S3.2变增益交叉耦合控制器的控制思想是根据各轴反馈，实时修正轮廓误差模型的增益，从而达到对各轴轮廓误差进行补偿的目的；每个轴的补偿由交叉耦合控制增益确定，而轮廓误差估计向量的大小是由控制器调节并沿着轮廓误差估计向量的方向对每个运动轴进行补偿；因而，交叉耦合控制器的增益可以通过轮廓误差的估计向量获得；令两轴交叉耦合增益分别表示为Cx和Cy，进一步得到交叉耦合控制增益为则轮廓误差估计为5.如权利要求1所述的基于干扰