直线步进电机反步控制算法研究

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在现代工业生产的过程中,越来越多的场合要用到高精度的直线定位系统,直线步进电机作为一种高性能的驱动装置在自动化控制系统中得到越来越多的应用。由于直线步进电机模型自身的非线性特性,使其位移跟踪控制问题的研究具有一定的挑战性。对于传统的电机控制策略而言,不能有效的解决电机位移控制过程中的非线性、不确定性、状态变量有界性等问题,并且随着人们对控制精度要求的提高,这些控制策略已经不再适用。本文根据直线步进电机位移跟踪控制中遇到的暂态性能约束、网络通信资源浪费现象和系统控制数据信号丢失的问题,基于反步控制策略和Lyapunov稳定性理论深入研究了直线步进电机位移跟踪控制器的设计问题。本文研究内容如下:(1)研究了直线步进电机位移跟踪控制系统中暂态特性约束问题。在障碍李雅普诺夫函数中引入了一个性能函数,将系统中的跟踪误差随时间变化约束在设定的约束边界范围内,从而跟踪误差随时间成指数衰减。与传统的控制方法相比较,提高了直线步进电机的暂态性能,减小闭环系统的超调量,并且能够保证直线步进电机闭环系统能在平衡点处是渐近稳定的。数值仿真结果表明,直线步进电机位移跟踪控制系统的性能良好,验证了该控制器的可行性和有效性。(2)研究了一种基于固定阈值事件触发机制的直线步进电机控制问题。为了减少直线步进电机处于网络控制系统中产生的冗余通信负担和计算量,本文在直线步进电机控制器设计的过程中引入事件触发机制。当达到系统预先设定的触发条件时,传感器才会对系统的输出进行采样和传输并更新控制信号。最后,数值仿真结果表明所提出控制器的可行性和有效性,同时可以保证系统内所有信号是有界的,并且能够避免Zeno行为。(3)研究了直线步进电机位移跟踪控制系统存在数据丢失情况的稳定性问题。针对网络传输受外界干扰或网络延迟导致状态数据丢失的情况,提出了一种基于状态估计器的直线步进电机控制策略。采用最后一个正常观测值来替换丢失的数据来构造龙伯格状态估计器,并利用Schur引理和线性矩阵不等式求解估计器中的增益矩阵,实现系统状态的重构。随后,基于Lyapunov稳定性判据完成控制器的设计,从而解决了在存在数据丢失时直线步进电机位移跟踪控制问题。最后,通过数值仿真分析验证了该控制策略的可行性和有效性。
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