Adaptive Backstepping Slide Mode Control of Pneumatic Position Servo System

With the price decreasing of the pneumatic proportional valve and the high performance micro controller, the simple structure and high tracking performance pneumatic servo system demonstrates more application potential in many fields. However, most existing control methods with high tracking performance need to know the model information and to use pressure sensor. This limits the application of the pneumatic servo system. An adaptive backstepping slide mode control method is proposed for pneumatic position servo system. The proposed method designs adaptive slide mode controller using backstepping design technique. The controller parameter adaptive law is derived from Lyapunov analysis to guarantee the stability of the system. A theorem is testified to show that the state of closed-loop system is uniformly bounded, and the closed-loop system is stable. The advantages of the proposed method include that system dynamic model parameters are not required for the controller design, uncertain parameters bounds are not need, and the bulk and expensive pressure sensor is not needed as well. Experimental performance, as compared with some existing methods. results show that the designed controller can achieve better tracking

基于严格反馈模型的电液伺服作动器控制策略研究

主动悬架可根据车辆实时状态调节悬架参数,显著提高应急救援车辆救援效率,电液伺服作动器是电液伺服主动悬架系统实施主动控制的核心部件。对电液伺服作动器控制策略展开了研究,建立了主动悬架液压伺服作动器模型;基于该模型提出了基于严格反馈模型的自适应位置跟踪控制策略,并证明了该策略在Lyapunov意义下的稳定性。仿真和单缸实验验证表明,与传统控制方法相比,所提出的位置跟踪算法可有效提高电液伺服作动器的位置跟踪性能。

基于滑模观测器与径向基网络的电液位置伺服系统反步控制

针对传统电液伺服系统中存在的未知扰动、非线性动态以及参数不确定性等共性问题,提出了一种基于滑模观测器和径向基函数(RBF)神经网络的反步控制(BC)方法。首先,构建了阀控缸系统三阶严反馈状态空间模型,并采用具有有限时间收敛特性的滑模观测器,估计系统的未知速度状态和非匹配项集总扰动;然后,基于系统的严反馈模型和指令滤波技术,设计了反步控制器,利用径向基神经网络(RBFNN)补偿系统速度/扰动的估计误差、滤波偏差以及系统的匹配项扰动,并根据Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统跟踪误差的渐进有界收敛;最后,搭建了阀控缸电液控制系统实验平台,通过仿真和实验验证了该控制方法对多频率参考信号的跟踪性能。研究结果表明:该控制方法在传统PI控制器的基础上进一步改善了电液伺服系统的轨迹跟踪精度,实验跟踪误差最大值M e、跟踪误差平均值μ和跟踪误差均方值σ分别降低了66.7%、80%、83.3%;该滑模干扰观测器和RBF补偿器能够有效降低不确定性扰动的影响。

一种水压驱动机器人关节动态特性分析及优化

为减小水压机器人关节尺寸,提出了一种体积小、输出力矩大的水压驱动的转角伺服机器人关节执行器。首先根据水压转角伺服机器人关节作动器的结构和工作原理,建立了关节作动器的数学模型,推导了关节作动器的控制方程并进行了线性化处理,并建立了机器人关节执行器的AMESim模型,验证了线性化控制方程的可靠性,在此基础上根据输入角幅值、外部负载扭矩和水压对关节执行器进行优化,优化后的水压驱动机器人关节执行器具有位置跟踪精度高,动态响应快等优点。

Adaptive high precision position control of servo actuator with friction compensation using LuGre model

Adaptive control of servo actuator with nonlinear friction compensation is addressed. LuGre dynamic friction model is adopted to characterize the nonlinear friction and a new kind of slid ing mode observer is designed to estimate the internal immeasurable state of LuGre model. Based on the estimated friction state, adaptive laws are designed to identify the unknown model parameters and the external disturbances, and the system stability and asymptotic trajectory tracking perform ance are guaranteed by Lyapunov function. The position tracking performance is verified by the ex perimental results.

基于PI-Lead控制的永磁同步电机双环位置伺服系统

为提高位置伺服系统轨迹跟踪精度及极限带宽,该文研究了一种位置-电流双环伺服结构,其位置控制采用结合相位超前环节的比例积分控制器(PI-Lead)。首先,探讨了P-PI-PI和PI-P-PI两种传统三环位置控制结构在轨迹跟踪精度上存在的局限,研究了速度前馈提升精度的机理及问题;然后,证明了PI-Lead双环结构相位超前环节对维持系统稳定的意义,详细分析了低通滤波器对系统性能的影响及其参数设计方法,给出了PI-Lead双环位置伺服系统基于闭环频域指标的参数整定策略;最后,对比分析了双环结构与传统三环结构的特点,推导了三种结构的位置极限带宽。实验结果表明,PI-Lead双环结构无需任何前馈补偿即可基本消除系统动态跟踪误差,并具有更高的位置环极限带宽。此外,由于减少了速度控制环节,其无需速度测量且参数整定更加简单。

基于干扰观测器的液压位置伺服系统级联控制

级联控制策略被应用于液压伺服系统位置控制,以提高系统输出响应性能。为了抑制液压伺服系统中各种不确定的非线性因素和外部干扰,提出了基于干扰观测器的终端滑模控制与非线性补偿相结合的级联控制策略,利用Lyapunov稳定性理论证明了位置闭环系统在有限时间内收敛。与渐近收敛控制器不同,级联控制器保证了系统状态误差和观测器估计误差在有限的时间收敛到0。利用MATLAB/Simulink对设计的控制器进行了仿真验证,结果验证了提出的控制器的理论可行性。为了模拟外界未知干扰,在液压伺服系统基础上加入阻尼可调减震器,以此开展实验研究。结果表明:提出的控制器有效抑制未知干扰影响,且提高了液压伺服系统的跟踪精度。

基于ESO的电液位置伺服系统自适应反步滑模控制

针对阀控电液位置伺服系统具有的不确定参数、外部干扰、系统状态不可测问题,在反步控制的基础上,同时引入滑模控制理论,提出一种带有ESO(扩展状态观测器)的自适应反步滑模控制策略。建立系统的非线性状态空间方程,基于系统模型设计出一种ESO,对速度值以及外干扰进行有效估计,同时引入自适应算法对系统不确定参数进行在线估计,设计出不确定参数的自适应律,通过Lyapunov稳定性定理证明所设计的控制器的稳定性。最后,仿真研究表明所设计的控制器能够对速度以及外干扰进行有效估计,并且具有较高品质的位置跟踪能力。

基于STM32的比例阀控气缸位置伺服控制器

传统的工控机控制系统具有成本高、功耗高、体积大、操作复杂等特点,针对这些问题,提出了一种基于嵌入式技术的比例方向阀控气缸位置伺服控制方法。首先,分析了气动位置伺服控制器的实际需求,设计了控制器的最小系统、主控板、模数扩展板和数模扩展板的硬件电路;然后,在集成开发环境Keil MDK下,使用C语言进行了嵌入式软件编写,在跨平台嵌入式软件编程环境Qt下,使用Visual C++语言进行了上位机软件编写;最后,为了验证气动位置伺服控制器的有效性,搭建了比例方向阀控气缸位置伺服控制实验平台,利用所开发的嵌入式气动位置伺服控制器,分别进行了气缸的定位控制和轨迹跟踪实验。实验结果表明:该伺服控制器能够简单、有效地实现气缸位置控制的目的,在跟踪频率为0.5 Hz的参考轨迹时,轨迹跟踪最大误差约为4.6 mm;在跟踪频率为0.25 Hz的参考轨迹时,轨迹跟踪最大误差约为3.1 mm。研究结果表明:该位置伺服控制方法具有良好的控制性能,能够适用于对控制精度要求不是特别苛刻的场合。

基于有限差分法的巡检机器人位姿伺服控制策略

巡检机器人柔性关节操作空间灵活,导致其轨迹跟踪及振动控制的难度较大,为保证巡检机器人高效、准确地完成既定巡检任务,提出基于有限差分法的巡检机器人位姿伺服控制策略。构建巡检机器人位姿伺服驱动系统动力学模型,设计基于有限差分法的巡检机器人位姿伺服控制器,执行巡检机器人关节轨迹跟踪及振动控制,实现巡检机器人位姿伺服控制。实验结果表明:巡检机器人关节角度均在0.2 s内完成关节位置指令跟踪,巡检机器人位姿变化的响应速度较快;该策略使用后不同关节的输出力矩变化平稳,关节振动极其微弱;巡检机器人在简单和复杂巡检环境下,均能以较小的能量和位姿变化范围完成控制指令。

一种导引头有界正相关自适应跟踪控制算法

为适应雷达导引头跟踪高动态和高精度的应用需求,提出一种有界正相关自适应跟踪控制算法。通过分析指标之间的相互制约关系,构建一种积分系数与跟踪角误差变化大小正相关的自适应跟踪控制器;该控制器自适应积分系数多项式的拟合计算关联考虑隔离度指标、跟踪距离模式和最大跟踪角速度精度的指标要求。实测结果表明:采用该控制器,在满足隔离度指标要求的同时,跟踪10 (°)/s目标时,视线角速度精度提升1倍以上。

光电稳定跟踪装置的控制系统设计

给出了一类光电稳定跟踪装置的框架伺服控制方案,重点研究了速率稳定环的设计过程,使用dSPACE半实物仿真系统进行了速率回路开环特性的模型辨识和高阶滞后超前控制器设计,对于数字化频率特性测试时产生的相位滞后现象进行了理论推导,并提出了相位补偿公式。对于经典控制器可能遇到的精度不足的问题,介绍了相应的非线性补偿方法。针对伺服系统的位置跟踪环和速度稳定环在频域存在的耦合现象,深入分析了产生频域耦合的原因和相应的解耦设计方法,提出了此类系统位置跟踪环和速度稳定环的理想设计模型。在此基础上讨论了姿态干扰隔离度的概念,推导了隔离度的计算公式。对系统工作过程中可能遇到的5种典型情况进行了仿真试验,仿真结果验证了有关概念的正确性。

高精度仪表自动判读技术研究

对高精度仪表自动判读方法进行了研究,研究过程主要分为三个部分。首先,根据视差形成原理分析了低精度仪表自动判读方法镜头的正确位置。接着,分析了采用低精度仪表自动判读方法对高精度仪表进行自动读数时,引入误差会增大高精度仪表的读数误差。最后,提出了一种采用图像处理技术及伺服跟踪技术相结合高精度模拟仪表读数自动识别的方法。实验结果表明,这种方法非常适宜于高精度仪表自动判读。

一种优化的PID算法在伺服跟踪系统中应用

伺服位置跟踪作为衡量伺服控制系统性能的重要指标,在伺服控制系统起着举足轻重的作用。但是由于常规PID算法与经典3环结构位置随动系统不能满足伺服系统快速性和准确性的要求,为此在PID的基础上,提出速度前馈加速度前馈PID算法,通过引入前馈控制加快系统响应速度,弥补系统的相位滞后。同时为了提高位置随动的快速性,摒弃速度环和电流环而只采用位置反馈的单环结构。为了验证系统的正确性,利用STM32F103RCT6作为主控芯片进行了正弦信号与不规则曲线的动态跟踪实验,结果表明伺服系统采用速度前馈加速度前馈PID算法可以很好地改善系统的动态响应特性,能够满足动态跟踪的性能要求。

高速开关阀控气动位置伺服系统的自适应鲁棒控制

针对高速开关阀控气动位置伺服系统所具有的模型参数不确定性、不确定非线性以及外干扰,为实现气缸的高精度运动轨迹跟踪控制,设计了基于标准投影映射的自适应鲁棒控制器。该控制器通过在线最小二乘参数估计来减小模型中参数不确定性,利用基于反步法设计的非线性鲁棒控制来抑制参数估计误差、不确定非线性以及外干扰的影响,从而保证一定的瞬态性能和高的气缸运动轨迹控制精度。由于运用了标准投影映射以保证在线参数估计有界,控制器的两个部分可以独立进行设计。试验表明,所设计的控制器能获得良好的轨迹跟踪控制性能,对干扰具有较强的性能鲁棒性,系统跟踪幅值为0.09 m,频率为0.5 Hz的正弦期望轨迹时,最大绝对跟踪误差为1.51 mm,标准跟踪误差0.72 mm。

高精确度伺服转台控制系统中的扰动力矩补偿

摩擦力矩和电机波动力矩是影响高精确度伺服转台控制系统位置跟踪精确度的主要因素。针对系统中摩擦力矩和电机波动力矩等扰动力矩补偿问题,提出一种综合的扰动力矩补偿控制策略。基于摩擦观测器提出一种PD前馈控制方法,对系统中的动态摩擦力矩进行了补偿,并利用Lyapunov稳定性理论对所提出的方法进行了系统稳定性分析。结合基于重复控制器的扰动观测器进一步提出一种综合的扰动力矩补偿控制策略。一方面,摩擦补偿方法可以对系统中的摩擦力矩进行补偿;另一方面,插入的重复控制器可以很好地抑制系统中的周期性波动力矩,而扰动观测器则用来补偿重复控制及摩擦补偿时给系统带来的不确定性。仿真结果证明了所提出的方法的有效性。

机器人辅助全膝关节置换手术系统及技术

机器人辅助外科手术已成为日益广泛应用的技术。本研究涉及机器人辅助全膝关节手术系统的构建及关键技术,并着重分析了其中的股骨定位技术。通过在机器人辅助膝关节手术系统平台上的模拟误差分析实验,证明了所构建的系统具有较高的精确度,完全符合手术的基本要求。

基于预测函数控制的液压振动伺服系统控制器设计

以液压伺服振动控制系统为对象,研究了以质量、弹簧和阻尼环节构成的液压动力机构的动力学控制模型,分析了被控对象具有的非线性、时变和模型不确定性等特点,针对控制系统需要快速、准确跟踪设定值轨迹的要求,提出了一种基于预测函数控制算法的解决方案,并设计了液压振动伺服驱动系统的预测函数控制器,给出了具体的设计步骤和参数选择方法。论文针对实验室液压振动试验装置进行了伺服控制参数计算,建立了输入和输出的状态空间控制模型,并将开环增益作为摄动参数进行仿真分析,仿真和实验结果表明:提出的控制策略具有较强的鲁棒性和抗干扰能力,能够有效地提高液压振动伺服控制系统动态跟踪的准确性,具有较高的工程应用价值。

八自由度机械臂的轨迹跟踪控制

针对机械臂电液伺服系统,通过扩张状态观测器对整个系统的不确定性和扰动进行观测,在此基础上设计了一种串级自抗扰控制器。基于线性矩阵不等式得到了系统的观测矩阵和控制矩阵,并利用Lyapunov稳定理论对整个闭环系统的稳定性进行了分析和证明。根据实际参数基于MATLAB软件进行了仿真,数值仿真结果证明了该方法的有效性,与传统前馈PID算法的对比仿真结果证明了该方法的优越性。通过实验对所设计的控制器的可行性进行了验证。

雷达伺服系统耦合力矩对跟踪精度影响分析

针对载机机动运动导致雷达伺服机构中存在复杂的耦合扰动力矩,无法实现伺服控制中扰动力矩精确补偿的问题,展开雷达伺服系统耦合力矩的建模和影响分析。采用矢量叠加原理推导两维机构的运动学方程和惯量耦合方程,建立方位和俯仰两轴的动力学耦合力矩模型,并通过仿真分析载机机动和不机动情况下,载机平台对两维框架的动力学耦合力矩和位置跟踪误差的影响。仿真结果表明,载机不机动时两维框架间的耦合力矩较小,跟踪误差较小;当载机机动时两维框架间耦合力矩增大,且耦合力矩表现为时变的正弦特性,此时跟踪误差增大且表现为时变和不规则的特点。动力学耦合力矩模型的建立为机载雷达伺服控制系统的设计提供了理论依据。