多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑模控制器及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于多軸聯(lián)動系統(tǒng)控制技術領域，涉及的一種反步-滑模方法 (Backstep-Slidingmodecontrol)，具體涉及一種多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑模控 制器及控制方法。
【背景技術】
[0002] 多軸跟蹤系統(tǒng)是典型的多轉子系統(tǒng)，它通常安裝浮動載體上，是進行災難預測、氣 象觀測和環(huán)境監(jiān)測的有效手段之一，研究應用于特殊環(huán)境下的多軸跟蹤系統(tǒng)的動力學特性 具有重要的意義。這是因為，一方面系統(tǒng)運行中多軸間的運動學耦合和動力學耦合會影響 系統(tǒng)動力學特性及指向精度；另一方面滾動軸承的摩擦力矩、線纜及彈性力矩，在軌抖動及 動不平衡等不確定因素將大大影響系統(tǒng)的精度。
[0003] 解決上述難題通常有兩個途徑，一是通過機械方面的手段使得耦合及干擾因素降 低，另一個即是通過研究策略的研究設計出合理實用的控制器，對耦合因素及干擾因素進 行主動控制。目前來看第一種途徑已經取得了相當多的成果，但也受到了諸如加工制造等 方面的限制；而第二種途徑則是研究比較活躍的領域，并且存在諸如控制精度及控制穩(wěn)定 性等熱點。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服目前多軸聯(lián)動系統(tǒng)動力學控制中存在跟蹤精度低、控制方法 穩(wěn)定性低等缺陷，提出一種用于搭載在浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑模 控制器及控制方法，從而為具有此類特征及拓撲結構的非線性動力學系統(tǒng)提供控制方法 及控制器。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案包括以下步驟：
[0006] 1)在浮動平臺上搭載多軸聯(lián)動系統(tǒng)，多軸聯(lián)動系統(tǒng)具有用于共同實現(xiàn)所有有效載 荷精確指向的正交的兩個轉動軸；
[0007] 2)基于拉格朗日-麥克斯韋動力學方法建立多軸聯(lián)動系統(tǒng)的機電稱合動力學模 型，并將多軸聯(lián)動系統(tǒng)機電耦合動力學模型寫為狀態(tài)方程；
[0008] 3)結合搭載在浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)在非典型力學工況下的力學行為要求， 并根據步驟2)所得到的狀態(tài)方程，設計用于多輸入多輸出系統(tǒng)的反步-滑?？刂品椒?；
[0009] 4)利用反步-滑?？刂品椒ㄔO計搭載在浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)控制器，并采 用半物理樣機進行性能仿真。
[0010] 所述步驟1)中，有效載荷為光學元器件或光電集成元器件。
[0011] 所述步驟1)中，懸浮平臺包括實驗用模擬平臺、艦船、航空設備或航天器。
[0012] 所述步驟2)中，多軸聯(lián)動系統(tǒng)機電耦合動力學模型為：
【主權項】
1. 多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑?？刂品椒ǎ涮卣髟谟?，包括以下步驟： 1) 在浮動平臺上搭載多軸聯(lián)動系統(tǒng)，多軸聯(lián)動系統(tǒng)具有用于共同實現(xiàn)所有有效載荷精 確指向的正交的兩個轉動軸； 2) 基于拉格朗日-麥克斯韋動力學方法建立多軸聯(lián)動系統(tǒng)的機電耦合動力學模型，并 將多軸聯(lián)動系統(tǒng)機電耦合動力學模型寫為狀態(tài)方程； 3) 結合搭載在浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)在非典型力學工況下的力學行為要求，并根 據步驟2)所得到的狀態(tài)方程，設計用于多輸入多輸出系統(tǒng)的反步-滑?？刂品椒?； 4) 利用反步-滑模控制方法設計搭載在浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)控制器，并采用半 物理樣機進行性能仿真。
2. 根據權利要求1所述的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑?？刂品椒?，其特征在于， 所述步驟1)中，有效載荷為光學元器件或光電集成元器件。
3. 根據權利要求1所述的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑?？刂品椒?，其特征在于： 所述步驟1)中，懸浮平臺包括實驗用模擬平臺、艦船、航空設備或航天器。
4. 根據權利要求1或2或3所述的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑?？刂品椒ǎ?特征在于，所述步驟2)中，多軸聯(lián)動系統(tǒng)機電耦合動力學模型為：
其中，Θ i是方位軸繞〇 ^軸轉動的角度；Θ 2是俯仰軸繞〇 2χ2軸轉動的角度；Θ和 i是廣義坐標；A1, B1, DJP A2, B2, %是Θ 2, θ2, $和$的復雜函數關系；Cpke1山，&和 C2, ke2, L2, R2為系統(tǒng)參數；u JP u 2為系統(tǒng)輸入變量。
5. 根據權利要求4所述的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于， 所述步驟2)中，狀態(tài)方程為：
式中：X = [Xl，x2, x3, X4]τ為狀態(tài)變量；U = [u i，U2]τ為輸入變量；Y = [y i，y2]τ為輸出 變量。
6. 根據權利要求5所述的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑?？刂品椒ǎ涮卣髟谟?， 所述步驟3)中，反步-滑模控制方法，具體包括以下步驟：
定義步驟A的Lyapunov函數為F1 =^ZfZ1，則V1的一階導數表示為：
上式無法滿足巧<〇，繼續(xù)建立第二個Lyapunov函數； 步驟B :定義如下的滑模面函數
式中S n和δ 12為根據系統(tǒng)性能需求選定的兩個參數； 選擇第二Lyapunov函數為： 則V2'的一階導數寫成下式：

7.根據權利要求6所述的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑?？刂品椒?，其特征在于， 所述步驟4)中，多軸聯(lián)動系統(tǒng)控制器具體為： 假定趨近律為= -ssgnh) -;式中
，sgn(〇) =(sgn ( σ n)，sgn ( σ 12))τ，則多軸聯(lián)動系統(tǒng)控制器設計為：
由此，V2'的導數可以寫成下式：
如果滿足以下條件= IT1I彡0, |T|2> 0, ε η彡0, ε 12彡0,則有故選擇相應的 參數滿足上述要求。
8. 根據權利要求6所述的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑?？刂品椒ǎ涮卣髟谟冢? 所述步驟3)中，非典型力學工況包括系統(tǒng)處于高速、高沖擊條件下和微重力、交變溫度及 懸浮平臺條件下工作的兩種力學環(huán)境。
9. 根據權利要求1所述的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于： 所述步驟4)中，半物理樣機采用動力學仿真平臺與數值模擬平臺的聯(lián)合仿真。
10. -種如權利要求1-3任意一項所述控制方法的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑 ?？刂破?，其特征在于：包括搭載于浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)，多軸聯(lián)動系統(tǒng)具有用于共 同實現(xiàn)所有有效載荷精確指向的正交的兩個轉動軸；有效載荷為光學元器件或光電集成元 器件；懸浮平臺包括實驗用模擬平臺、艦船、航空設備或航天器。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑?？刂破骷翱刂品椒?，主要針對某搭載在浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)非線性特性控制，主要技術特點：基于拉格朗日-麥克斯韋(Lagrange-Maxwell)動力學方法建立多軸聯(lián)動系統(tǒng)機電耦合動力學模型；根據搭載在浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)在特定力學工況下的力學行為要求，提出一種用于多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)的反步-滑?？刂品椒?；利用提出的控制方法設計搭載在浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)控制器并進行性能仿真。一種用于搭載在浮動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精度控制的反步-滑模方法，為非典型力學環(huán)境下的多軸聯(lián)動系統(tǒng)力學性能設計提供了新的思路，控制魯棒性好，較易硬件實現(xiàn)，具有工程價值。
【IPC分類】G05B17-02
【公開號】CN104635509
【申請?zhí)枴緾N201410742974
【發(fā)明人】趙志明
【申請人】陜西科技大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月3日