多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制器及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多轴联动系统控制技术领域，涉及的一种反步-滑模方法 (Backstep-Slidingmodecontrol)，具体涉及一种多轴联动系统精度控制的反步-滑模控 制器及控制方法。
【背景技术】
[0002] 多轴跟踪系统是典型的多转子系统，它通常安装浮动载体上，是进行灾难预测、气 象观测和环境监测的有效手段之一，研究应用于特殊环境下的多轴跟踪系统的动力学特性 具有重要的意义。这是因为，一方面系统运行中多轴间的运动学耦合和动力学耦合会影响 系统动力学特性及指向精度；另一方面滚动轴承的摩擦力矩、线缆及弹性力矩，在轨抖动及 动不平衡等不确定因素将大大影响系统的精度。
[0003] 解决上述难题通常有两个途径，一是通过机械方面的手段使得耦合及干扰因素降 低，另一个即是通过研究策略的研究设计出合理实用的控制器，对耦合因素及干扰因素进 行主动控制。目前来看第一种途径已经取得了相当多的成果，但也受到了诸如加工制造等 方面的限制；而第二种途径则是研究比较活跃的领域，并且存在诸如控制精度及控制稳定 性等热点。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服目前多轴联动系统动力学控制中存在跟踪精度低、控制方法 稳定性低等缺陷，提出一种用于搭载在浮动平台上的多轴联动系统精度控制的反步-滑模 控制器及控制方法，从而为具有此类特征及拓扑结构的非线性动力学系统提供控制方法 及控制器。
[0005] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
[0006] 1)在浮动平台上搭载多轴联动系统，多轴联动系统具有用于共同实现所有有效载 荷精确指向的正交的两个转动轴；
[0007] 2)基于拉格朗日-麦克斯韦动力学方法建立多轴联动系统的机电稱合动力学模 型，并将多轴联动系统机电耦合动力学模型写为状态方程；
[0008] 3)结合搭载在浮动平台上的多轴联动系统在非典型力学工况下的力学行为要求， 并根据步骤2)所得到的状态方程，设计用于多输入多输出系统的反步-滑模控制方法；
[0009] 4)利用反步-滑模控制方法设计搭载在浮动平台上的多轴联动系统控制器，并采 用半物理样机进行性能仿真。
[0010] 所述步骤1)中，有效载荷为光学元器件或光电集成元器件。
[0011] 所述步骤1)中，悬浮平台包括实验用模拟平台、舰船、航空设备或航天器。
[0012] 所述步骤2)中，多轴联动系统机电耦合动力学模型为：
【主权项】
1. 多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 在浮动平台上搭载多轴联动系统，多轴联动系统具有用于共同实现所有有效载荷精 确指向的正交的两个转动轴； 2) 基于拉格朗日-麦克斯韦动力学方法建立多轴联动系统的机电耦合动力学模型，并 将多轴联动系统机电耦合动力学模型写为状态方程； 3) 结合搭载在浮动平台上的多轴联动系统在非典型力学工况下的力学行为要求，并根 据步骤2)所得到的状态方程，设计用于多输入多输出系统的反步-滑模控制方法； 4) 利用反步-滑模控制方法设计搭载在浮动平台上的多轴联动系统控制器，并采用半 物理样机进行性能仿真。
2. 根据权利要求1所述的多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于， 所述步骤1)中，有效载荷为光学元器件或光电集成元器件。
3. 根据权利要求1所述的多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于： 所述步骤1)中，悬浮平台包括实验用模拟平台、舰船、航空设备或航天器。
4. 根据权利要求1或2或3所述的多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制方法，其 特征在于，所述步骤2)中，多轴联动系统机电耦合动力学模型为：
其中，Θ i是方位轴绕〇 ^轴转动的角度；Θ 2是俯仰轴绕〇 2χ2轴转动的角度；Θ和 i是广义坐标；A1, B1, DJP A2, B2, %是Θ 2, θ2, $和$的复杂函数关系；Cpke1山，&和 C2, ke2, L2, R2为系统参数；u JP u 2为系统输入变量。
5. 根据权利要求4所述的多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于， 所述步骤2)中，状态方程为：
式中：X = [Xl，x2, x3, X4]τ为状态变量；U = [u i，U2]τ为输入变量；Y = [y i，y2]τ为输出 变量。
6. 根据权利要求5所述的多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于， 所述步骤3)中，反步-滑模控制方法，具体包括以下步骤：
定义步骤A的Lyapunov函数为F1 =^ZfZ1，则V1的一阶导数表示为：
上式无法满足巧<〇，继续建立第二个Lyapunov函数； 步骤B :定义如下的滑模面函数
式中S n和δ 12为根据系统性能需求选定的两个参数； 选择第二Lyapunov函数为： 则V2'的一阶导数写成下式：
7.根据权利要求6所述的多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于， 所述步骤4)中，多轴联动系统控制器具体为： 假定趋近律为= -ssgnh) -;式中
，sgn(〇) =(sgn ( σ n)，sgn ( σ 12))τ，则多轴联动系统控制器设计为：
由此，V2'的导数可以写成下式：
如果满足以下条件= IT1I彡0, |T|2> 0, ε η彡0, ε 12彡0,则有故选择相应的 参数满足上述要求。
8. 根据权利要求6所述的多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于： 所述步骤3)中，非典型力学工况包括系统处于高速、高冲击条件下和微重力、交变温度及 悬浮平台条件下工作的两种力学环境。
9. 根据权利要求1所述的多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制方法，其特征在于： 所述步骤4)中，半物理样机采用动力学仿真平台与数值模拟平台的联合仿真。
10. -种如权利要求1-3任意一项所述控制方法的多轴联动系统精度控制的反步-滑 模控制器，其特征在于：包括搭载于浮动平台上的多轴联动系统，多轴联动系统具有用于共 同实现所有有效载荷精确指向的正交的两个转动轴；有效载荷为光学元器件或光电集成元 器件；悬浮平台包括实验用模拟平台、舰船、航空设备或航天器。
【专利摘要】本发明公开了一种多轴联动系统精度控制的反步-滑模控制器及控制方法，主要针对某搭载在浮动平台上的多轴联动系统非线性特性控制，主要技术特点：基于拉格朗日-麦克斯韦(Lagrange-Maxwell)动力学方法建立多轴联动系统机电耦合动力学模型；根据搭载在浮动平台上的多轴联动系统在特定力学工况下的力学行为要求，提出一种用于多输入多输出(MIMO)系统的反步-滑模控制方法；利用提出的控制方法设计搭载在浮动平台上的多轴联动系统控制器并进行性能仿真。一种用于搭载在浮动平台上的多轴联动系统精度控制的反步-滑模方法，为非典型力学环境下的多轴联动系统力学性能设计提供了新的思路，控制鲁棒性好，较易硬件实现，具有工程价值。
【IPC分类】G05B17-02
【公开号】CN104635509
【申请号】CN201410742974
【发明人】赵志明
【申请人】陕西科技大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年12月3日