基本介紹
- 中文名：動態滑模控制
- 外文名：Dynamic sliding mode control
- 分類：電氣與自動化
動態滑模算法的 AMT選換擋電機控制,動態滑模控制器的設計,動態滑模控制器控制系統的性能,動態滑模控制的移動機器人路徑跟蹤,控制器設計,動態滑模控制器的仿真與實驗,
動態滑模算法的 AMT選換擋電機控制
針對電動機械式自動變速器換擋時間較長的特點，對電動AMT選換擋電機進行分析和建模；基於動態滑模理論，提出了一種換擋電機動態滑模控制方法，並將它套用於電動AMT汽車選換擋執行機構的位置跟蹤控制。仿真與試驗結果都表明，與常規的PID控制器和滑模控制器相比，動態滑模控制器回響速度快、魯棒性好、跟蹤精度高，能有效地改善AMT的換擋品質。
動態滑模控制器的設計
選換擋系統在不同車速和不同擋位下所需的換擋力不同，將造成選換擋系統建模的不精確，實現電動 AMT汽車選換擋電機執行機構位置的實時、精確控制是比較困難的。為了使選換擋系統對外部擾動具有較強的魯棒性，解決抗干擾性能與位置快速跟蹤控制的矛盾，採用動態滑模控制器實現對電動AMT選換擋電機的有效控制。
在實際套用中，選換擋電機本身的慣性和位置感測器檢測的誤差等因素容易造成系統產生抖振現象。抖振將影響系統的精確性，還可能會激發系統未建模動態，引起失穩。為了避免這種現象，採用飽和函式法來將控制輸入修正到連續化的邊界層，即為了保證滑模面的到達條件成立，採用指數趨近率，則其趨近控制規律中的符號函式用飽和函式取代，得到相應的動態滑模控制趨近律。
動態滑模控制器控制系統的性能
假設AMT選換擋過程開始之前，電機處於靜止位置，當TCU發出換擋指令時，控制器接收到的電機角位移目標值相當於一個階躍輸入，即電機的初始狀態可表示為X[0]=[0 0 0]。為了更好地與動態滑模控制器進行比較，常規滑模控制器也採用指數趨近律，其中k=300，ε=1。
系統空載換擋時電機角位移曲線中，在換擋電機執行機構無負載的情況下，採用動態滑模控制器的直流電機系統回響速度最快，且和採用常規滑模控制器的系統一樣，不會產生超調。而採用常規PID的直流電機系統為了達到較快的回響速度，不可避免地會出現超調現象。同樣在系統帶載換擋且電機參數變為原來的兩倍時電機角位移曲線中系統帶載，且受到電機參數變化因素影響的情況下，採用常規PID控制器的系統回響速度明顯慢，而採用動態滑模控制器及常規滑模控制器的系統仍能保持原有的回響速度。為了證明動態滑模控制器的魯棒性及抗干擾能力優於常規滑模控制器，在系統帶載換擋且存在噪聲干擾時電機角位移曲線中系統受到方差為1的高斯白噪聲干擾的情況下，當常規PID控制器及常規滑模控制器達到換擋位置後，電機角位移仍會由於噪聲干擾而振盪，其振盪幅度分別為0.19rad、0.14rad，而動態滑模控制器的振盪幅度僅為0.06rad。系統換擋結束後，在受到外界干擾力矩影響的情況下，常規PID控制器及常規滑模控制器所控制的直流電機在跟蹤設定的角位移目時，其跟蹤誤差分別為0.2rad、0.06rad，與之相對應的是動態滑模控制器的跟蹤誤差僅為0.03rad。通過仿真可知，使用的動態滑模控制器具有回響速度快、抗干擾能力強和魯棒性好等優點，可以極大地提高控制系統的性能。
動態滑模控制的移動機器人路徑跟蹤
室內環境下基於彩色視覺的移動機器人路徑跟蹤問題，利用顏色信息提取路徑，簡化了圖像的特徵提取 ;擬合路徑參數時引入RANSAC方法，以提高算法的可靠性；在移動機器人非線性運動學模型的基礎上，設計了一階動態滑模控制器，並通過仿真驗證了控制器的有效性。
控制器設計
移動機器人運動學模型是一單輸入非線性系統。滑模控制是一種適用於非線性系統的魯棒控制方法，採用它無需對非線性系統線性化，就可以實現系統的全局漸進穩定。
滑模控制器的設計包括2個相對獨立的部分 :①設計切換函式，使它所確定的滑動模態漸近穩定且具有良好的動態品質 ;② 設計滑動模態控制律，使到達條件得到滿足，從而在切換面上形成滑動模態區。
(1)普通滑模控制器。
(2)動態滑模控制器。普通滑模控制的切換函式只依賴於系統的狀態，趨近律中的不連續項會直接轉移到控制中，使系統在不同的控制邏輯之間來回切換，從而引起系統抖振。一階動態滑模變結構控制對普通滑模控制的切換函式進行了修正，修正後的切換函式不僅與系統狀態有關，而且與系統控制輸入也有關，從而將趨近律中的不連續項轉移到控制的一階導數中去，有效地降低了抖振。
動態滑模控制器的仿真與實驗
(1)仿真結果。對動態滑模控制器進行MAT-LAB仿真。取v=1m/ s，[c1c2]=[11]，q=0.5, k=1，D=0.5。初始位姿誤差為(0.5，-π/6)時的仿真結果為偏差收斂曲線，實線為控制量，虛線為控制量的一階導數。從仿真結果可以看出，偏差迅速收斂到零且控制平穩未出現抖振。
(2)實驗結果。實驗採用AS-R移動機器人，AS-R攜帶車載計算機系統(Pentium43.0GHz),前部裝有ASR-VISION雲台攝像機，解析度設為320×240。其速度閉環精度和位置閉環精度分別為1%和0.6%。引導路徑為黏貼在地面上的紅色膠帶，寬度約為18mm。採用動態滑模控制器跟蹤直線路徑時，v設為0.5m/s，[c1c2]=[1.431]，q=1，k=1.8，D=0.5，採樣周期T=0.06s。動態滑模控制器跟蹤效果為實驗偏差收斂曲線。初始距離偏差為46.6cm，初始角度偏差為-36.8°。控制器調節23次後距離偏差被控制在±2cm以內，角度偏差被控制在±2°以內，過程平穩無明顯抖振，跟蹤效果良好。
採用普通滑模控制器進行直線跟蹤的實驗結果，為偏差曲線。v=0.5m/s，[c1 c2]=[31]，q=0.3k=1。由動態滑模控制器跟蹤效果、普通滑模控制器跟蹤結果對比可知，動態滑模控制器有效地削弱了抖振，使控制過程更加平滑。
