直线电机龙门系统的鲁棒自适应控制方法研究

摘要

直线电机具有高速、高精度等优点，目前已广泛地应用于交通运输、军事装备、微电子、现代化机械制造业等行业中。但是，直线电机龙门系统存在很多参数化不确定和非参数化不确定项。为了克服由直线电机的各类不确定项和外部扰动对系统的影响，需要采取有效的控制策略来获得满意的运动控制效果。
　　本文的研究对象是双轴直线电机龙门实验系统，主要的研究工作包括:首先，根据物理机理建立直线电机的数学模型;其次，设计了基于浸入和不变流形自适应的参数观测器和基于最小二乘法的离线参数估计器，得到直线电机龙门系统的模型参数;然后，采用鲁棒自适应的控制算法，按照控制方向是否已知，分别提出了控制方向已知和控制方向未知的基于浸入和不变流形的鲁棒自适应控制器，并对闭环系统的稳定性进行分析;最后，将设计的两种控制器分别应用于直线电机龙门系统，验证其控制效果。本文的主要内容如下:
　　(1)根据直线电机的物理机理建立直线电机数学模型，该模型包含参数化不确定项和非参数化不确定项;针对模型中的不确定项，设计基于浸入和不变流形的参数估计律，该参数估计律在传统的积分型辨识器中增加了一个调节函数，使得参数估计律不再基于确定性等价原则，从而保证未知参数和它的估计值之间的估计误差逐渐收敛到零附近。
　　(2)针对直线电机存在的参数化不确定和非参数不确定项，基于浸入和不变流形方法，设计浸入和不变的鲁棒自适应控制器。这种方法避免了构造李雅普诺夫函数的复杂性，将整个系统视为收敛估计器和受扰系统的级联来分析，因而具有简洁性。鲁棒控制的加入，保证了在系统存在各种扰动的情况下，参数收敛的有界性，同时保证系统状态和信号都是有界的。
　　(3)针对直线电机控制方向已知和控制方向未知的两个情况，分别设计不同的浸入和不变鲁棒自适应控制器，并将该算法应用到直线电机龙门系统控制中。实验结果表明这两个控制器都有较好的跟踪效果。当跟踪轨迹发生跳变时，可以迅速跟踪上目标的变化，具有较好的暂态性能和稳态性能。
　　本文提出的基于浸入和不变流形的鲁棒自适应控制算法具有满意的控制效果，实现了面向性能的控制目标。在设计控制器作用下，直线电机龙门闭环系统在存在各种参数化不确定时，仍能较好地跟踪目标轨迹，具有良好的暂态和稳态性能。