1.一种采用自抗扰控制技术的移动舞台轨迹跟踪控制方法,其特征在于所述方法包括以下过程:
步骤1)建立移动舞台的运动学模型:移动舞台的结构复杂,是一个多变量、高耦合、非线性的欠驱动系统,要对其设计控制器,首先要建立合理的运动学模型,移动舞台的位姿由三量(x,y,θ)描述,建立移动舞台的运动学模型,如式(1)所示:对驱动轮线速度的控制量U计算如式(2)所示:其中:
x--移动舞台在世界坐标系X轴的坐标值,y--移动舞台在世界坐标系Y轴的坐标值,θ--移动舞台在世界坐标系中的旋转角,θ0--车体对角边和侧边的夹角,对于结构固定的车体,θ0为某一定值,R--车体质心到转向结构旋转中心的距离,r--转向结构的旋转半径,
w1、2、3、4--四个转向机构的旋转角速度,ρ1、2、3、4--四个转向机构与车体坐标系X轴的夹角;
步骤2)建立移动舞台的轨迹跟踪误差模型,其过程包括:设在任意一个时刻,它在世界坐标系中的速度向量为 取其在本体坐标系速度向量为 记作[u v w]T,轨迹跟踪误差 描述如式(3)所示:其中ur,vr分别表示通过轨迹分解,t时刻移动舞台沿车体坐标系X,Y轴的速度分量的期望值,θr表示车体旋转角速度的期望值;
步骤3)多变量系统的解耦,过程包括:对于三输入-三输出系统
记
x=[x1 x2 x3]T
f=[f1 f2 f3]T
u=[u1 u2 u3]T (5)引入“虚拟控制量” 式子(4)变为系统中第i个通道的输入输出关系为
在控制量U和输出量y之间并行的嵌入3个自抗扰控制器就能实现多变量的解耦控制;
其中x1,x2,x3--三输入-三输出系统的状态量,u1,u2,u3--三输入-三输出系统的控制输入,y1,y2,y3--三输入-三输出系统的系统输出,f1,f2,f3--各通道扰动项,b11,b12,b13,b21,b22,b23,b31,b32,b33--系统增益因子;
步骤4)设计自抗扰控制器,过程包括:根据轨迹跟踪误差模型,将轨迹跟踪控制器解耦为三个独立的子系统,分为ex控制回路、ey控制回路和eθ控制回路,为每个子系统分别设计自抗扰控制器;
由于系统是一阶系统,不需要跟踪微分器,自抗扰控制器包括扩张状态观测器以及状态反馈控制律两部分,具体如下;
(1)设计扩张状态观测器,对系统的状态和扰动进行实时估计与补偿,扩张状态观测器方程如下给出:其中,β01、β02为一组待整定的参数,e--输出的估计值z1与输出y的差值,u--系统的控制输入值,
b0--补偿因子,
z2--扩张状态的估计值;
(2)线性状态误差反馈控制律
其中,k1为比例系数,
e1--参考输入v1与输出的估计值z1的差值,u0--误差反馈控制量。
2.根据权利要求1所述的一种采用自抗扰控制技术的移动舞台轨迹跟踪控制方法,其特征在步骤3)中,具体过程如下:
通过式3)可知,系统能看成三输入三输出系统,以u(t),v(t),w(t)为间接控制量令动态耦合部分为:
f1,f2,f3为扰动总和项,静态耦合部分为:利用线性自抗扰控制技术,动态耦合部分被当做各自通道上的总和扰动来被估计并补偿掉,只要保证矩阵B可逆,就能实现系统的解耦控制,在系统中,B的行列式值恒为-1,能够实现解耦控制。
3.根据权利要求1所述的一种采用自抗扰控制技术的移动舞台轨迹跟踪控制方法,其特征在步骤4)中,具体过程如下:
以ex控制子系统的自抗扰控制器设计为例,自抗扰控制器包括扩张状态观测器以及状态反馈控制律两部分:
(1)设计扩张状态观测器,对系统的状态和扰动进行实时估计与补偿,扩张状态观测器方程如下给出:其中,β01、β02为一组待整定的参数,z1--ex的观测值,
z2--扩张状态量的观测值;
(2)状态误差反馈控制律
其中,k1为比例系数。
4.根据权利要求1所述的一种采用自抗扰控制技术的移动舞台轨迹跟踪控制方法,其特征在于移动舞台控制计算机上的实施过程由主要执行部分运行,主要包括以下步骤:
1)参数设置:在参数导入界面中,输入式(1)中r、R、θ0值,以及ρ1,ρ2,ρ3,ρ4的初始值;在自抗扰控制器参数设置界面中,输入扩张状态观测器增益β01、β02、β11、β12、β21、β22,以及k1、k2、k3的值,其中β11、β12为ey控制子系统的观测器增益,β21、β22为eθ控制子系统的观测器增益,k2,k3分别为ey,eθ状态误差反馈控制律比例系数,输入参数确认后,由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元Flash中保存;
2)轨迹设置:在轨迹导入界面中,设定好运动轨迹,导入轨迹确认后,由控制计算机将预设轨迹数据存入Flash存储单元中,通过控制计算机将预设轨迹分解为[ur vr wr]T矩阵并将数据存入Flash存储单元中保存,其中ur,vr,wr均是时间t的函数;
3)离线调试:点击组态界面中的“调试”按钮,控制系统进入控制器调试阶段,以直线轨迹为测试轨迹,调整参数设置界面中的β01、β02、β11、β12、β21、β22的值以及k1、k2、k3,观察移动舞台轨迹跟踪误差ex、ey、eθ,由此确定一组能快速有效实现移动舞台轨迹跟踪控制的参数;
4)在线运行:点击组态界面“运行”按钮,移动舞台的控制计算机从Flash存储中读取自抗扰控制器的最佳设置参数,并从Flash存储中读取经过轨迹分解之后矩阵[ur vr wr]T的数据,执行“移动舞台轨迹跟踪控制程序”,通过在线测量移动舞台的实时位姿[x y θ]T,控制驱动电机以及转向电机的转速,实现移动舞台位姿的自动调节,在下一个调节周期到达时,在线测量移动舞台的实时位姿,之后重复整个执行过程,如此周而复始,实现移动舞台轨迹跟踪的自动调节控制。