基于自适应反推滑模控制的虚拟转台样机研究
刘正华,尔联洁,吴森堂
(北京航空航天大学自动化科学与电器工程学院,北京100083)
摘 要:针对传统转台串行设计模式存在的缺陷,基于虚拟样机技术、自适应滑模控制器与有限元等技术作为支持,提出了虚拟仿真转台的系统构想。其中针对实际转台系统的未知非线性、外界干扰和参数摄动等不确定因素的影响,设计并实现一类自适应滑模控制器进行虚拟转台系统的实时控制。同时,通过ADAMS软件平台实现了虚拟转台样机系统及其功能,并将自适应滑模控制器调入虚拟转台样机,最终实现机械模型和控制方法进行联合仿真分析,获得最终虚拟转台的特性。仿真结果表明,虚拟转台样机的设计与实现大大提高了转台的设计效率,为后续转台的控制系统调试提供强大的技术支持。
关键词:虚拟转台;虚拟样机;滑模控制; ADAMS
中图分类号: TP273, TP391 文献标识码: A 文章编号: 1000-1328(2006)05-0920-05
引言
三轴高精度转台控制系统是飞行控制系统半实物仿真实验的重要设备,其性能的优劣直接关系到仿真结果的可靠性。在以前的研究中,三轴转台的研制都是按照传统方式(实际样机)研制,整个系统开发过程中没有很好的统一决策者与管理者;在设计、生产和装配台体时没有可靠的技术性能支持,可能出现零件的返工,台体的重新设计等,这些因素都使转台研制的周期延长,增加开发成本和缺少强有力的竞争。
因此本文采用虚拟样机技术、虚拟现实与可视化、先进控制技术与有限元等技术作为支持,提出了虚拟转台样机的系统构想,并基于ADAMS软件和自适应反推滑模控制方法加以实现。
自适应反推控制[1-5]是针对对象特性的变化、漂移和环境干扰的影响而提出来的一种新控制方法。它采用非线性系统的递归设计方法,很好地解决了对象参数不确定的鲁棒控制问题。自适应反推控制的基本思想是通过反复选择合适的状态空间函数作为其控制输入,每个反推过程结果将产生一个基于先前过程的控制量输出,当迭代终止时,基于Lyapunov函数的优化目标,控制系统就可获得实际控制器输入[6]。文献[7]研究了利用RBF神经网络辨识外部干扰上界的不确定性,并用于反推控制器的输出。本文针对虚拟转台样机为对象,实现对转台中最常见的摩擦力矩和不平衡力矩等不确定因素的较强鲁棒性,从而实现转台的机电联合仿真分析用于实际工程的指导。
1 关键技术
1.1 虚拟样机技术
虚拟样机技术(VP)是一种崭新的产品开发方法,是基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法。虚拟样机技术[8-10]是在CAx/DFx等技术基础上的发展,它进一步融合信息技术、先进制造技术和仿真技术的一种新型产品开发技术。
虚拟样机体系结构一般包括电子分系统、机械分系统、VP引擎、虚拟现实可视化和环境模拟单元以及产品模型库管理分系统等子系统构成,如图1所示。从图中可以看出,虚拟样机是通过电子分系统和机械分系统,利用产品数据管理(PDM)技术生成产品数据库,通过VP引擎,实时调入所需模型,并通过环境模拟,进行物理样机的可视化输出;同时结合控制分系统进行虚拟样机的机械模型和控制的联合仿真分析,最终输出结果进行物理样机的性能分析。
1.2 自适应反推滑模控制器设计
考虑公式(1)下的转台非线性数学模型,给出具
2 虚拟转台样机系统
虚拟转台样机系统由五个子系统构成,主要包括机械子系统、虚拟转台调度子系统、虚拟转台图形单元、虚拟仿真子系统和虚拟转台执行子系统,其系统整体结构如图3所示。其中机械子系统主要实现几何模型的创建、图纸信息的管理、结构静态特性的分析和动态结构优化;调度子系统实现了各单元任务的合理分配和使用,使三轴虚拟转台系统有机协调地结合起来;图形子单元主要包括数据引擎、零件的虚拟装配和图形的交互操作等;虚拟仿真单元包括控制率选择和虚拟仿真结果可视化;执行子系统是通过虚拟样机技术,获得较满意的仿真结果后,再将仿真结果应用于转台系统,驱动三框运行,同时保证运行精度和转台系统的性能。
为了实现上述虚拟转台样机系统,本文采用ADAMS软件作为该样机开发平台来进行整个系统设计及其实现。三轴虚拟高精度仿真转台实现主要包括机械模型建模与调入,样机模型模态分析(Vi-bration),控制模块载入(Control)和机械样机模型与控制模块联合仿真分析等部分构成。在该型虚拟仿真转台中采用自适应反推滑模控制率算法。其工作流程图由图4所示。
由图4分析可知,在实际联合仿真分析中,应先利用ADAMS/Vibration振动分析模块,对三轴转台转台模型进行振动分析,通过曲线拟合,获得系统的名义传递函数。名义传递函数的振动分析过程忽略了轴承、外界干扰等因素的影响,通过对样机模型的三框建立振动激励器的输入输出通道,并加载上正弦扫频信号来进行模态振动分析。同时在PostProces-sor模块输出每个输入通道—输出通道在系统各模态坐标下的频率响应函数曲线。结合上述提出的自适应反推滑模控制器,应用到虚拟转台样机系统实现整个系统的机电联合仿真分析。
3 仿真分析
转台的机电联合仿真分析,它为实际转台系统的调试提供了很好的理论基础。
4 结束语
本文采用虚拟样机技术并以ADAMS软件作为开发平台,最终实现了虚拟转台样机系统。它是通过Pro/E建模工具调入图形库,通过ADAMS软件与MATLAB接口加载控制率方法,然后应用自适应反推滑模控制器进行联合仿真分析,获得虚拟仿真转台的最终分析结果。由上述仿真结果看出,虚拟转台能够比较真实地模拟物理转台的结构特性,通过环境模拟,如干扰、摩擦和接触间隙等,来进行真实转台的仿真模拟,最终得到关于不确定干扰下的较强的转台鲁棒控制效果。
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