一种具有干扰抑制功能的自由摆控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种控制系统，具体的说就是结合先进非线性控制方法的一种具有干 扰抑制功能的自由摆控制系统。
【背景技术】
[0002] 当今的技术发展日新月异，高新技术的进步也促进了运动控制系统的发展，总的 来说，运动控制系统将进一步向网络化、数字化、智能化方向纵深发展。随着劳动生产率和 产品质量的不断提高，工厂生产自动化对运动控制提出了更高的要求，如更快的响应速度、 更高的控制精度、更高的可靠性等。近几年来，运动控制己经逐步形成了一个新的国际研究 热点。研究具有开放式结构的高性能运动控制器是当前运动控制领域的一个重要发展方 向，越来越得到世界各国学者的广泛关注。
[0003] 高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用DSP的计算能力，进行 复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动 控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用网络技术、FPGA技术等，使系统的结构 更加合理和开放，通过网络连接方式减少系统的连线，提高系统的实用性和可靠性。运动控 制器产品今后的发展基本上沿着上述两个方向走，但是专业化、个性化的运动控制器将是 一个新的发展方向。
[0004] 在机器人运动控制等伺服控制领域，模型的变化与不确定性、关节之间的禪合、转 动系统的各种摩擦力、外界环境的干扰等多种因素影响到高速、高精度定位和跟踪控制。因 此，用简单而有效的方法消除内部及外部干扰，是提高控制性能的重要研究方向。传统的角 随动实验系统采用自整角机与力矩电机配合模拟电路实现角度控制，自整角机和模拟电路 本身的非线性特性使得角随动控制精度大打折扣。目前普遍使用的单纯反馈控制策略很难 满足机器人由于机械构造和工作环境日益复杂而引起的对控制精确度和速度等性能的要 求。为了补偿非线性、不确定性所产生的内部干扰和外界环境产生的外部干扰，转矩计算方 法、适应控制、智能控制、鲁棒控制等面向高速、高精度的先进运动控制方法被深入研究并 应用到多种伺服控制对象。另外，从结构简单、高效的要求出发，在机器人运动控制和伺服 控制方面，基于干扰观测器的高性能鲁棒控制方法被广泛应用。干扰观测器是一种扩展状 态观测器，将干扰列入到要观测的状态变量中，因此其估计干扰的基本概念类似于一般状 态观测器，但是用干扰估计量补偿实际干扰与状态观测器不同。其补偿基于高增益反馈原 理，因而能有效地消除内部及外部干扰。干扰观测器因结构简单、鲁棒性强而成为在运动控 制方面常用的鲁棒控制策略。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种结合先进非线性控制方法的具有干扰抑制功能的自由 摆控制系统。
[0006] 本发明的目的是送样实现的： 本系统主要由Η大部分组成，分别为机械结构、硬件设计和软件编程。机械结构主要由Η角支架、自由摆杆和平板组成，并根据其结构对其理论计算和数学建模；硬件设计主要包 括电源模块、MC9S12XS128最小系统模块、检测模块，即增量式光电编码器传感器、电机驱动 模块和外部设备模块；软件编程主要分为信号采集模块、控制模块、人机交互模块和底层功 能模块。
[0007] 摆架系统包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元件等，起支撑平板工作台的作用。在其 结构设计中，选择的材料要保证摆架有足够的刚度，要选择适当的支撑方式，确定框架的结 构形式，同时，为保证控制方便，有较高的灵敏度，要求摆杆重量适当。故支架材料选择角 铁，摆杆材料选择方形铅管，支撑方式选择稳定的Η角结构。摆架结构如图2所示，其中摆 杆(转轴中必到电机轴中必）长100cm，平板长10cm，宽6畑1。
[0008] 摆杆的一端通过转轴固定在支架上，另一端固定安装一台步进电机，平板固定在 电机轴上，与步进电机同轴安装有检测平板水转角状态的角度传感器，实时监测平板转动 的角度并发送至控制器，控制器发出相应的脉冲信号驱动电机，可W带动平板转动一定的 角度，当摆杆摆动时，控制电机使平板保持在水平或设计要求的状态。
[0009] 根据系统要求搭建机械框架并进行理论分析。
[0010] 、控制电机使平板可W在摆杆的自由摆动过程中，始终保持水平状态。当自由摆从 AB转动到AB'位置，即自由摆逆时针转动Θ角度时，若要保持平板水平状态，平板需顺时针 转动α角度。如图3所示： 根据几何关系可知： 择+ 0二左/2， ?ΒΛ β二乂泣则；西片苗， 即在此模式下，系统构成一个简单随动系统，控制步进电机的转动角度即应该就是检 测到的自由摆转动角度；当自由摆顺时针转动时，同理，亦然。
[0011] 、在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm距离处垂直放置的祀子上。 摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节祀子高度，使光斑照射在祀纸的某一条线上，标识此 线为中必线。在自由摆动作过程中控制平板角度使激光始终打到中必线上。当自由摆从AB 转动到AB'位置，即自由摆逆时针转动Θ角度时，若要控制平板转动，使固定其上的激光笔 的光斑始终保持打在中必线上水平状态，平板需顺时针转动α角度。
[001引如图4所示；根据其几何关系可知：
同理，当自由摆顺时针摆动Θ角度时，若要控制平板转动，使固定其上的激光笔的光 斑始终保持打在中必线上水平状态，平板需顺时针转动α角度。
[0013] 根据其几何关系可知：
3、采用基于高阶滑模干扰观测器的反步法对摆杆末端平板进行跟踪控制实现光标的 精确定位。
[0014]自由摆平板控制系统数学模型如下：
1、 设计如下形式的鲁棒任意阶微分器：
设:?为状态估计误差，
选择适当的任意阶滑模鲁棒微分器 的增益，使得C>Fi+，并且设置合适的微分器初始化条件，使得微分器初始值为零，则干扰 估计值为：
2、化义揉二A，A-y-弗，则虚拟控制律為形式如下：
3、 设位置跟踪误差为巧:=巧-?，则第I步虚拟控制律如下：
其中，;为赫尔维茨矩阵。虚拟控制量的导数華电:，可由step1中的任意阶滑模鲁棒微 分器得到，即备4,=巧L归^]， 4、计算实际控制变量的控制规