一种基于反步滑模技术的Stewart平台主动隔振控制方法_2

文档序号:9546359阅读:来源:国知局
反步滑模控制器参数,其中,ktl>0,k t2>0, k>o, η>〇,5>〇:万为控制器待设计参数,Z1为跟踪误差,名:为跟踪误差的二阶导数,z2S 虚拟控制量,A广义加速度的一阶导数,Xd,夂,元分别为期望广义位置,速度,加速度;
[0042] 在控制律(28)的作用下
得到如下公式;
[0046] 步骤四、计算反步滑模器的稳定性。
[0047] 本实施方式的有益效果:
[0048] (1)现有技术的控制方法都没有考虑执行机构,本实施方式建立了音圈电机作动 器的动力学方程;
[0049] (2)现有技术的控制方法是基于关节空间进行设计,控制精度有限,本实施方式基 于工作空间进行控制,控制精度更高;
[0050] (3)本实施方式设计的基于反步滑模的主动隔振控制器,相比于现有技术,具有更 高的干扰抑制能力与更好的鲁棒性。
【具体实施方式】 [0051] 二:本实施方式与一不同,所述的一种基于反步滑模 技术的Stewart平台主动隔振控制方法,其特征在于所述的步骤一建立隔振平台的运动学 和动力学模型:
[0052] Stewart平台的上平台和6个支杆的连接点为末端器Ai, i = 1,2, 3,下平台与6个 支杆的连接点为B1, i = 1,2, 3 ; {B}为固联于下平台的惯性参考坐标系,{B}原点与下平台 的质心重合,{P}为动平台的参考坐标系;rb_是{B}的原点到基座连接点B 1的径向距离, rend是{P}的原点到基座连接点A1的径向距离;
[0053] 隔振平台到基座的转换矩阵表达式如下:
[0056] 其中,A是在基座坐标系中表示的连接点Bi的位置向量,Pi是在动平台坐标系{P} 中表示的末端器Ai的位置向量,X。是动平台质心C的位置向量,q;是从支杆向 量,&是动平台到基座的转换矩阵;
[0057] 支杆的长度定义为
[0058] Ii= IqiI = (q/q^172 (11)
[0059] 雅克比矩阵J,它把支杆的长度变化与动平台的运动联系到一起,可由虚功原理获 得,

[0062] 其中,q = q2, ···,q6)T表示支杆长度的变化,;f 表示上平台的 广义位置向量;
[0063] 立方体构型的Stewart平台的雅克比矩阵可由式(14)给出
[0065] 其中,L为每个支杆的长度;
[0066] 由Newton-Euler方法描述的Stewart平台的动力学模型如式(15)所示:
[0068] 其中,X e R6,M,B,K e R6x6分别表示惯性矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,Qe矿表 示向心力和柯氏加速度向量,Ase R6表示模型不确定性,包括参数不确定性、未建模动态 等,τ e R6表示由6个支杆的执行机构产生的广义驱动力,W se R6表示由外部振动引起的 干扰向量;
[0069] 惯性矩阵公式如下:
[0070] M = Mx+JtM J (16)
[0071] 其中,
m为载荷的质量,I e R3x3为转动惯量矩阵,J e R6x6为 Jacobian 矩阵,Ms= diag( [Iii1, m2,m3, m4,m5,m6] ),IniQ = 1,…6)为可动支杆的质量;
[0072] 阻尼矩阵公式如下:
[0074]其中,
分别为支杆的阻尼系数和刚度系数;
[0075] 1=/4,圪£1?6是由每个支杆产生的驱动力;
[0076] 每个支杆的驱动力由一个线性的音圈电机产生的,根据音圈电机的电磁特性,沿 支杆轴向方向的驱动力表示为K ^ini,其中,
[0077] Km= diag([kml, km2, km3, km4, km5, km6]),kmi(i = 1,…,6)为音圈驱动电机的力矩系 数,
[0078] im= [i ^ i2,…,i6]T, i.j(j = 1,…,6)为线圈的电流强度;
[0079] 根据音圈驱动电机的电压平衡方程,Stewart平台的六个执行机构的动力学模型 如以下公式:
[0081] 其中,Ane R6表示音圈电机的不确定性;
[0082] L = diag([lml, lm2, 1 m3,lm4,lm5,^m6-l ^ J ^mi ^丄, , 6)表示电感系数;
[0083] R = diag ([rml, rm2, rm3, rm4, rm5, rm6]),rmi (i = 1,…,6)表示直流电机的电阻;
[0084] Ke= diag([kel, ke2, ke3, ke4, ke5, ke6]),kei(i = 1,…,6)表示反电动势;
[0085] u = [UdU2,…,U6Kui (i = 1,…,6)表示控制电压即控制律,wme R6表示由外部 振动引起的干扰向量,将会影响执行机构的性能;
[0086] 将执行机构的动力学方程(18)代入Stewart平台的动力学方程(15)中,忽略向 心力和柯氏加速度项,得到动力学方程如式(19)所示:
[0088] 设Stewart平台各个支杆的参数都相同,
[0089] Ms= msI6,
是单位阵,得到
[0094] 高度耦合的Stewart平台被解耦成6个单入单出的通道,每个通道设计单入单出 的主动隔振控制器。
[0095]
【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同,所述的一种基于反步 滑模技术的Stewart平台主动隔振控制方法,其特征在于所述的步骤二计算Stewart平台 的状态空间:
[0096] 根据公式(20)
得到 Stewart平台的状态空间表示如式(21)所示:
[0100]
【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同,所述的一种基于反步 滑模技术的Stewart平台主动隔振控制方法,其特征在于所述的步骤三根据Stewart平台 的状态空间,设计反步法滑模控制器的过程如下:
[0101] 设期望广义位置,速度,加速度指令为
[0102] 步骤三一、跟踪误差为
[0103] 选取Lyapunov函数为
[0105] 设
其中,C1为正常数,Z2为虚拟控制量,则

[0107] 步骤三二、定义
,其中,C2为正常数,z 3为虚拟控制量, 则
[0108] 选取Lyapunov函数为
[0110] 对公式(25)求导得
[0112] 步骤三三、设滑模面s为
[0113] s = ktlz1+kt2z2+z3 (27)
[0114] 其中,ktl>0,kt2>0 ;
[0115] 通过公式(23)-(27)得到(28)反步法滑模控制器的表达式。
【具体实施方式】 [0116] 五:本实施方式与一或二不同,所述的一种基于反步 滑模技术的Stewart平台主动隔振控制方法,其特征在于所述的对设计的反步滑模进行稳 定性计算的步骤,具体为:
[0117] Lyapunov 函数为
[0119] 得到
[0126] 选择参数|Η|>0,Η正定的矩阵为,
[0128] SO,V3在 t e [0,00 )上是非增函数,v3(t) < V3(0)〈 ;
[0130]根据式(27)和式(36),Z1 (t),z2 (t),z3 (t),s (t),当 t 彡 0 时是有界的,又
[0132] 根据式(38),得到f3 e I2,根据Barbalat引理得到
得到
[0134] 实施例
[0135] 步骤一、设置仿真参数
[0136] 载荷质量m = 12. 4kg,上平台和有效载荷的转动惯Isx= I sy= 0. 157kg ·ηι2, Isz = 0. 313kg ·ηι2;每个支杆标称长度:L = 0. 2m ;每个支杆质量:m s= Ikg ;每个支杆的阻尼系数 和刚度系数分别为:b = 19. lkg/s,k = 2000N/m ;音圈电机的参数:力矩
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