直驱H型平台的自适应分数阶滑模同步控制

作     者：赵鑫宇 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王丽梅

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：直驱H型平台 同步控制 快速非奇异终端滑模控制 交叉耦合 分数阶 

摘      要：直驱H型运动平台是由一台X轴方向的永磁直线同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM)和两台Y轴方向平行的永磁直线同步电机构成,且X轴与Y轴属于刚性连接。由于PMLSM对一些不确定因素比较敏感,因此,直驱H型平台的单轴PMLSM将会产生跟踪误差。且平行轴易受机械耦合、参数不匹配等因素的影响,将会造成平行轴间的同步精度下降。本文的研究目的:解决直驱H型运动平台伺服系统不同步问题,通过设计有效的控制策略来提高单轴跟踪精度和减小平行轴间同步误差。首先,详细介绍了PMLSM的基本结构与工作原理,利用坐标变换建立PMLSM数学模型。并根据PMLSM模型及原理,建立了包含参数变化、负载扰动和机械耦合等不确定因素的直驱H型运动平台的数学模型。其次,针对易受参数摄动、负载扰动和机械耦合等不确定性因素影响的直驱H型运动平台伺服系统,设计了一种基于自适应快速非奇异终端滑模(AFNTSM)控制器的同步控制策略。在平行轴间利用交叉耦合结构设计修正误差,并将设计的修正误差作为单轴的控制输入。单轴采用FNTSMC来抑制不确定因素的影响,快速收敛同时避免非线性滑模奇异问题,且加快了远离平衡点时的收敛速率。为了消除外界干扰对直驱系统的影响,采用自适应控制策略对不确定参数及外部干扰的界限进行实时估计,提高了直驱H型运动平台的同步精度和单轴跟踪精度。然后,为了进一步提高直驱伺服系统的动态品质,获得高品质的同步性能。设计了基于自适应分数阶快速非奇异终端滑模(FO-AFNTSM)同步控制策略。将分数阶理论引入到滑模控制中,利用分数阶饱和函数的“大偏差大增益,小偏差小增益的属性,加快趋近速度的同时消弱了滑模抖振现象,改善了系统的动态品质,减小了平行轴间的同步误差以及单轴的跟踪误差。并利用Lyapunov稳定性证明验证了系统的渐进稳定。最后,分别建立了基于快速非奇异终端滑模同步控制器、自适应快速非奇异终端滑模同步控制器和不同阶次的自适应分数阶快速非奇异终端滑模同步控制器的直驱H型平台伺服系统的仿真模型,并进行对比分析。仿真结果验证了基于自适应分数阶快速非奇异终端滑模的分数阶控制系统相较于其他两种整数阶控制系统,在减小单轴位置跟踪误差同时提高了平行轴间同步精度,且增强了系统鲁棒性。