滑模控制

滑模控制
滑模控制

滑模施工的工程质量与安全技术

一、质量控制

滑模工程施工应按《液压模滑动模板施工技术规范》(GBJ113-87)等有关标准、规定,进行跟班质量检查。

对于兼作结构钢筋的支承杆的焊接接头、预埋插等,均应作隐蔽工程验收。

对混凝土的质量检验应符合下列规定:

(1)标准养护混凝土试块的组数,每10m一个检验批,试块留置3组,并保证每200m3留置1组;

(2)对混凝土出模强度的检查,每一工作应不少于两次,当在一个工作班内气温有骤变或混凝土配合比有变动时,必须相应增加检查数;

(3)在每次模板滑升后,应立即检查出模混凝土有无塌落、拉裂和麻面等,发现问题应及时处理,重大问题应作好处理记录。

对高耸结构垂直度的测量,应以当地时间6:00~9:00间的测量结果为准。

二、工程验收

滑模工程的验收应按《混凝土结构工程及验收规范》(GB 50204—92)和《液压滑动模板施工技术规范》(GBJ 113—87)等规范要求进行。其工程结构的允许偏差应符合表23-29的规定。

1)质量问题的处理

1、支承杆弯曲

在模板滑升过程中,同于支承杆本身不直、自由长度太大、操作平台上荷载不均及模板遇有障碍而硬性提升等原因,均可使支承杆,必须立即进行加固,否则弯曲现象会继续发展,而造成严重的质量问题或安全事故。

弯曲支承杆的加固方法,按弯曲部位的不同,可取发下措施:

(1)支承杆在混凝土内部弯曲

从脱模后混凝土表面裂缝、外凸等现象,或根据支承杆突然产生较大幅度的下坠落情况,可以观察出支承杆在混凝土内部发生弯曲。

对于于已弯曲的支承杆,其上的千斤顶必须停止工作,并立即卸荷。然后,将变坏事为好事处的混凝土挖洞清除。当弯曲程度不大时,可在弯曲处加焊一根与支杆同直径的绑条(图23-282a),当弯曲和度较大或弯曲较严重时,应将支杆的弯曲部分切断,在切断处加焊两根总截面积大于支承杆的绑条(图23-282b)。加焊绑条时,应保证必要的焊缝长度。

(2)支承杆在混凝土外部弯曲

支承杆在混凝土外部易发生弯曲的部位,大多在混凝土的表面至千斤顶下卡头之间或门窗洞若观火口及框架梁下等支承杆的脱空处。

发现支承弯曲后,首先必须停止千斤顶工作,并立即卸荷。对于弯曲不大的支承杆,可参照图23-282a的作法;当支承杆的弯曲程度较大时,应将弯曲部分切断,并蒂莲将上段支承杆下降(或另接一根新杆,上下两段支承杆的接头处,可采用一段钢套管或直接对并没有焊接。妯用上述方法不便,可将弯曲的支承杆齐混凝土面切断,另换一根新支承杆,并在混凝土表面原支承杆的位置上,加设一个由钢垫板及钢套管焊接的套靴,将上段支承杆插入套靴内顶紧即可(图23-282c)。2.混凝土质量问题的分析与处理

(1)混凝土水平裂缝或模板带起

1)原因分析

①模板倾斜度太小或出现上口大、下口小的倒倾斜度时,而硬性提升(图23-283a);

②纠正垂直偏差过急,使混凝土拉裂(图23-283b);

③提升模板速度太慢,使混凝土与模板粘结;

④模板表面不光洁,摩阻力太大。

2)处理方法:

①纠正模板的倾斜度,使其符合要求;

②加快提升速度,并在提升模板的同时,用木锤等工具敲打模板背面,或在混凝土的上表面垂直向下施加一定的压力,以消除混凝土与模板的粘结。当被模板带起的混凝土脱模落下后,应立即将松散部分清除、需另外支模,并模板的粘结。当被板带起的混凝土脱模落下后,应立即将松散部分清除、需另外支模的一侧做成高于上口100mm的喇叭口,重新浇筑高一级强度等能的混凝土,使喇叭口处混凝土向外斜向加高100mm,待拆模时,将多余部分剔除;

③纠正垂直偏差时,应缓慢进行,防止混凝土弯折;

④经常清除粘在模板表面的脏物及混凝土,保持模板表面的光洁。停滑时,可在模板表面涂刷一层隔离剂。

(2)混凝土的局部坍塌

1)原因分析:混凝土脱模时的局部坍塌,最容易在模板的初升阶段出现。主要原因是提升过早,或混凝土没有严格地按分层交圈的方法浇灌。因此,当模板开始滑升时,虽大部分混凝土已开始凝固,但最后浇筑的混凝土,仍处于流动或半流动状态。

2)处理方法:对已坍塌的混凝土,应及时清除干净。然后在坍塌处补以比原标号高一级的干硬性豆石混凝土(同品种的水泥),修补后,将表面抹平,做到颜色及平整度一致。当坍塌部位较大或形成孔洞时,应另外支模补浇混凝土,处理方法同“混凝土水平裂缝或被模板带起”作法。

(3)混凝土表面鱼鳞状外凸(出裙)

1)原因分析:

模板的倾斜度过大,或模板下部的刚度太差;

每层混凝土浇灌厚度过高,或采用高频振捣器振捣时间过长等,造成混凝土对模板的侧压力过大,致使模板向外凸出。

2)处理方法:

纠正模板的倾斜度,适当加强模板的机时向刚度;

严格控制每层混凝土的浇灌厚度(一般不宜超过30cm),尽量采用振动力较小的振捣器,以减小混凝土对模板的侧压力。

(4)混凝土缺棱掉角

1)原因分析:

模板滑升时棱角处的摩阻力比其他部位大,采用木模板时,尤为明显;

因模板提升不均衡,使混凝土保护层厚薄不匀,过厚的保护层容易开裂掉下;

钢筋绑扎不直,或有外凸部分,使模板滑升时受阻;

振捣混凝土时,碰到主筋(尤其采用高频振捣器时),将已凝固的混凝土棱角振掉;

⑤棱角处模板倾斜度过大或过小。

2)处理方法:

①采用钢模板或表面包铁皮的木模板,同时,将模板的角模处改为圆角或八字形,或采用整块角模,并严格控制角模处模板的倾斜在0.3%~0.5%范围内,以减小模板滑升时的摩阻力;

②严格控制振捣器的插入尝试,振捣时不得强力碰动主筋,尽量采用频率较低及振捣棒头较短(如长度为250~300㎜)的振捣器。

(5)保护层厚度不匀

1)原因分析:

①混凝土入模浇筑时,只向一侧倾倒,使模板向一侧偏移;

②钢筋绑扎的位置不正确。

2)处理方法:

①混凝土浇筑时,两侧同时入模,尤其注意不得由吊罐直接向模板一侧倾倒混凝土;

②经常注意检查和保持钢筋位置的正确。

(6)蜂窝、麻面、气泡及露筋

1)原因分析:

①混凝土振捣不密实,或振捣不匀;

②石子粒径过大、钢筋过密或混凝土可塑性不够,因石子阻挡,水泥浆振不下去;

③混凝土接搓处停歇时间过长,而且未按施工缝处理。

2)处理方法:

①改善振捣质量,严格掌握混凝土的配合比,控制石子的粒径;

②混凝土接搓处继续施工时,应先浇灌一层按原配合比减去石子的砂浆或减去一半石子的混凝土;

③对于已出现蜂窝、麻面、气泡及露筋的混凝土,脱模后,应立即用水泥砂浆修补,并用木抹搓平,做到颜色及平整度一致。

三、滑模施工的安全技术

滑模施工工艺是一种使混凝土在动态下连续成型的快速施工方法。施工过程,整个操作平台支承于一群靠低龄期混凝土稳固且刚度较小的支承杆上,因而确保滑模施工安全是滑模施工工艺的一个重要问题。

滑模施工中的安全技术工作,除应遵照一般施工安全操作规程外,尚应遵照《液压滑动模板施工安全技术规程》(JGJ65—89)规定,在施工前制定具体的安全措施。

2)一般规定

1. 滑模工程开工前,施工单位必须根据工程结构和施工特点以及施工环境、气候等条件编制滑模施工安全技术措施,作为滑模工程施工组织设计一部分,报上级安全和技术主管部门审批后实施。滑模工程施工负责人必须对安全技术全面负责。

2. 滑模施工中必须配备具有安全技术知识、熟悉安全规程和《液压滑动模板施工技术规范》的专职安全检查员。

安全检查员负责滑模施工现场的安全检查工作,对违章作业有权制止。发现重大不安全问题时,有权指令先行停工,并立即报告领导研究处理。

3. 对参加滑模工程施工人员,必须进行培训和安全教育,使其了解本工程滑模施工特点、熟悉安全规程有关条文和本岗位的安全技术操作规程,并通过考核合格后,方能上岗工作。主要施工人员应相对固定。

4. 滑模施工中应经常与当地气象台、站取得联系,遇到雷雨、六级和六级以上大风时,必须停止施工。停工前做好停滑措施,操作平台上人员撤离前,应对设备、工具、零散材料、可移动的铺板等进行整理、固定并作好防护。全部人员撤离后,立即切断通向操作平台的供电电源。

5. 滑模操作平台上的施工人员应定期体检,经医生诊断凡患有高血压、心脏病、贫血、癫痫病及其他不适应高空作业疾病的,不得上操作平台工作。

2)施工现场与操作平台

1. 在施工的建(构)筑物周围,必须划出施工危险警戒区,警戒线至建(构)筑物的距离,不应小于施工对象高度的1/10,有不10m。当不能满足要求时,应采取有效的安全防护措施。

危险警戒线应设置围栏和明显警戒标志,出入口应设专人警卫,并制定警卫制度。

2. 危险警戒区内的建筑物出入口、地面通道及机械操作场所,应搭设高度不低于2.5m的安全防护棚。

滑模工程进行立体交叉作业时,上、下工作面间,应搭设隔离防护棚。

各种牵拉钢丝绳、滑输装置、管道、电缆及设备等,均应采取防护措施。

安全防护棚的构造应满足下列要求:

(1)防护棚结构应通过计算确定;

(2)棚顶一般可采用不少于二层纵横交错的木板(木板厚度不小于3㎝)或竹夹板组成,重要场所增加一层2~3㎜厚的钢板;

(3)建(构)筑物的内部防护棚,应从蹭向四周留坡,外(四周)防护棚应做成向内留坡(外高内低),其坡度均不小于1:5;

(4)垂直运输设备穿过防护棚时,防护棚所留洞口周围,应设置围栏和挡板,其高度不应小于800㎜;

(5)烟囱类构筑物,当利用平台、灰斗底板代替防护棚时,在其板面上应采取缓冲措施。

3. 现场垂直运输机械的布置,应符合下列要求:

(1)垂直运输用的卷扬机,应布置在危险警戒区以外,并尽量设在能与塔架上、下通视的地方;

(2)当采用多台塔吊同场作业时,应防止相互碰撞。

4. 滑模操作平台的设计应具有完整的设计计算书、技术说明及施工图,并必须经过审核,报主管技术部门批准。

滑模操作平台的制作,必须按设计图纸加工,如有变动,必须经主管设计人员同意,并应有相应的设计变更文件。

5. 操作平台及吊脚手架上的铺板,必须严密平整、防滑、固定可靠,并不行随意挪动。

操作平台上的孔洞(加上、下层操作平台的通道孔、梁模滑空部位等),应设盖板封严。

操作平台(包括内外吊脚手)的边缘,应设钢制护栏杆,其高度不小于120㎝,横档间距不大于35㎝,底部设高度大于18㎝的挡板。在防护栏杆外侧应满

挂铁丝网或安全网封闭,并应与防护栏杆绑扎牢固。

内外吊脚手架操作面一侧的栏杆与操作面的距离,不大于10㎝。

操作平台的内外吊脚手架,应兜底满挂安全网,并应符合下列要求:

(1)不得使用破烂变质的安全网,安全网与吊脚手骨架应用铁丝或尼龙绳等进行等强连接,连接点间距不应大于50㎝;

(2)对老厂改造工程或在离周围建筑物较近及行人较多的地段施工时,操作平台的外侧吊脚手应加强防护措施;

(3)安全网片之间应满足等强连接,连接点间距与网结间距相同。

6. 当滑模操作平台上设有随升井架时,在人、料道口应设防护栏杆;在其他侧面应用铁丝网封闭。防护栏杆和封闭用的铁丝网高度不应低于1.2m。

连接变截面结构的外挑操作平台,应按施工组织设计要求及时变更,拆除外挑多余部分。

3)垂直运输设备与动力、照明用电

1. 滑模施工中所使用的垂直运输设备,应根据滑模施工特点、建筑物的形状、地形及周围环境等条件,在保证施工安全的前提下进行选择。

垂直运输设备,应有完善可靠的安全保护装置(如起重量及提升高度的限制、制动、防滑、信号等装置及紧急安全开关等),严禁使用安全保护装置不完善的垂直运输设备。

垂直运输设备安装完毕后,应按出厂说明书的要求进行无负荷、静负荷、动负荷试验及安全保护装置的可靠性试验。

对垂直运输设备,应建立定期检修和保养的责任制。

2. 各类井架的缆风绳、固定卷扬机用的锚索、装拆搭式起重机等的地锚,按定值设计法设计时的经验安全系数,应符合下列要求:

(1)在垂直分力作用下的安全系数不小于3;

(2)在水平分力作用下的安全系数不小于4;

(3)缆风绳和锚索必须用钢丝绳,其安全系数不小于3.5。

3. 采用竖井架或随升井架作滑模垂直运输设备时,必须验算在最大起重量、最大起重高度、井架自重、风载、导轨(稳绳)张紧力、制动力等最不利情况下结构的强度和稳定。

竖井架的安装和拆除应符合下列规定:

(1)支承底座安装的水平偏差不大于1/1000;

(2)架身垂直度偏差不大于1/1000,且不大于10㎝,无扭转现象;

(3)缆风绳的张紧或放松应对称同时进行。位于结构物内的井架与结构物的柔性联结,也应均匀对称接撑,柔性联结点应经设计验算,其间距不宜大于

10m;

(4)缆风绳越过高压电线时,必须搭设竹、木脚手架保护,并保持安全距离;

(5)井架的安装和拆除必须有安全技术措施。

与井架配套使用的卷扬机的设置地点距卷扬机前第一个导向轮之间的距离,不得小于卷筒长度的20倍。

4. 滑模施工中,采用自制的井架或随升井架及非标准电梯或罐笼运送物料和人员时,宜采用双绳双筒同步卷扬机。当采用单绳卷扬机时,罐笼两侧必须设有安全卡钳。

安全卡钳应结构合理,工作可靠,其设计和验算应符合下列要求:

(1)安全卡钳中,楔块工作面上的允许压强应小于50Mpa;

(2)罐笼运行时,安全卡钳的楔块与导轨(稳绳)工作面的间隙,不应小于2㎜;

(3)安全卡钳钢制零件按定值设计法设计时,其经验安全系数不得小于3.5,楔块材质不低于45号钢,工作面硬度不低于HRC45。

自行设计的安全卡钳,安装后,应按最不利情况进行负荷试验,并经安全和技术主管部门鉴定合格后,方可投入使用。

5. 电梯和罐笼的柔性导轨(稳绳),应采用金属芯钢丝绳,其直径宜为19.5㎜。柔性导轨的张紧力,一般按每100m长取10~12kN。每副导轨中两根导轨的张紧力差以15%~20%为宜。采用双罐笼时,张紧力相同的导轨应按中心对称设置。

柔性导轨应设有测力装置,并有专人使用和检查。

6. 使用非标准电梯或罐笼时,其接触地面处应设置缓冲器,缓冲器种类宜按表23-30选用。

7. 滑模施工的动力及照明用电应设有备用电源。如没有备用电源时,应考虑停电时的安全和人员上下的措施。

滑模施工现场的场地和操作平台上,应分别设置配电装置。随着在操作平台上的垂直运输设备,应有上下两套紧急断电装置。总开关和集中控制开关必须有明显的标志。

从地面向滑模操作平台供电的电缆,应以上端固定在操作平台上的拉索为依托,电缆和拉索的长度应大于操作平台最大滑升高度10m,电缆在拉索上相互固定点的间距,不应小于2.0m,其下端应理顺,并加防护措施。

8. 滑模施工现场的夜间照明,应保证工作面照明充分,其照明设施应符合下列规定:

(1)施工现场的照明灯头距地面的高度,不应低于2.5m,在易燃、易爆的场所,应使用防爆灯具;

(2)滑模操作平台上的便携式照明灯具,应采用低压电源,其电压不应高于36V;

(3)操作平台上有高于36V的固定照明灯具时,必须在其线路上设置触电保安器,灯泡应配有防雨灯伞或保护罩。

滑模操作平台上采用380V电压供电的设备,应装有触电保安器。经常移动的用电设备和机具的电源线,应使用橡胶软线。

4)通讯与信号

1. 在滑模施工组织设计中,应根据施工的要求,对滑模操作平台与工地办公室、垂直及水平运输的控制室、供电、供水、供料等部位的通讯联络,作出相应的技术设计,其主要内容包括:

(1)应对通讯联络方式、通风联络装置的技术要求及联络信号等做出明确规定;

(2)制定相应的通讯联络制度。

2. 当采用罐笼或升降台等作垂直运输机械时,其停留处、地面落罐(台)处及卷扬机室等,必须设置通讯联络装置及声、光指示信号。各处信号应统一规定,并挂牌标明。

3. 在滑模施工过程中,通讯联络设备及信号,应设专人管理和使用。

垂直运输枢机启动的信号,应由重物、罐笼或升降台停留处发出。司机接受到动作信号后,在启动前应发出动作回铃,以告知各处作好准备。联络不清,信号不明,司机不得擅自启动垂直运输机械。

4. 当滑模操作平台最高部位的高度超过50m时,应根据航空部门的要求设置航空指示信号。

在机场附近进行滑模施工时,航空信号及设置高度,应征理当地航空部门的同意。

5)防雷、防水、防毒

1. 滑模施工过程中的防雷装置和措施,除应符合《建筑防雷设计规范》(GBJ 57—83)的要求外,尚应符合下列规定:

(1)滑模操作平台的最高点,如在邻近防雷装置接闪器的保护范围内,可不安装临时按闪器,否则,必须安装临时接闪器;

(2)临时接闪器的设置高度,应使整个滑模操作平台在其保护范围内;

(3)施工现场的井架、脚手架、升降机械、钢索、塔式起重机的钢轨、管道等大型金属物体,应与防雷装置的引下线相连;

(4)防雷装置必须具有良好的电气通路,并与接地体相连;

(5)接闪器的引下线和接地体应设置在人不去或很少去的地方,接地电阻与所施工的建(构)筑物防雷设计类别相同。

2. 滑模操作平台上的防雷装置应设专用的引下线,也可利用工程正式引下线。当采用结构钢筋和支承杆作引下线时,应明确引下线走向。作为引下线使用的结构钢筋和支承杆接头,必须焊接成电气通路,结构钢筋和支承杆的底部应与接地体连接。

雷雨时,所有露天高空作业人员应下至地面,人体不得接触防雷装置。

3. 操作平台上应设置足够和适用的灭火器以及其他消防设施;操作平台上不应存放易燃物品;使用过的油布、棉纱等应及时回收,妥善保管。

在操作平台上使用明火或进行电(气)焊时,必须采取防火措施,并经专职安全人员确认安全后,再进行工作。

4. 混凝土养生用水管及爬梯等,宜随滑随安,以供消防及人员疏散使用。

冬期施工时,滑模操作平台上不得采用明火取暖。

5. 施工现场有害气体浓度的卫生标准,应符合国家现行的《工业企业设计卫生标准》的规定。

滑模操作平台处于有害气体影响范围之内时,应根据具体情况,采用下列两种防护措施中的一种:

(1)设置相应有害气体的报警装置或检测管以及防毒用具。如有害气体浓度超过卫生标准时,应戴防毒口(面)罩;

(2)由甲、乙双方戴罪立功,采取停产施工、相互错开班次或改道排放等有效措施。

6. 在配制和喷涂有毒护剂时,操作人员应穿戴个体防护服务器,并应在通风良好的条件下进行。当通风条件不能满足要求时,作业人员必须戴防毒口(面)罩。

6)施工操作

1. 工程开始滑升前,应进行全面技术安全检查,并应符合下列要求:

(1)操作平台系统、模板系统及其连接部位均符合设计要求;

(2)液压系统经试验合格;

(3)垂直运输机械设备系统及其安全保护装置试车合格;

(4)动力及照明用电线路的检查与设备保护接地装置检验合格;

(5)通讯联络与信号装置试用合格;

(6)安全防护设施符合安全技术要求;

(7)防火、避雷、防冻等设施的配备,符合施工组织设计的要求;

(8)完成职工上岗前的安全教育及有关人员的考核工作;

(9)各项管理制度健全。

2. 操作平台上材料堆放的位置及数量应符合施工组织设计的要求,不用的材料、物件及时清理运至地面。

模板的滑升必须在施工指挥人员的统一指挥下进行,液压控制台应由持证人员操作。

初滑阶段,必须对滑模装置和混凝土的凝结状态进行检查,发现问题,应及时纠正。

每作业班应设专人负责检查混凝土的出模强度,混凝土出模强度应不低于0.2MPa。当出模混凝土发生流淌或局部坍现象时,应立即停滑处理。

严格按施工组织设计的要求控制滑升速度,严禁随意超速滑升。

3. 滑升过程中,操作平台应保持基本水平,各千斤顶的相对高差不得大于40㎜.相邻两个提升架上千斤顶的相对高差,不得大于20㎜.严格控制结构的偏移和扭转。纠偏、纠扭操作,应在当班施工指挥人员的统一指挥下,按施工组织设计预定的方法并徐缓进行。

当采用倾斜操作平台纠偏方法时,操作平台的倾斜度应控制在1%以内。

当圆形筒壁结构发生扭转时,任意3m高度上的相对扭转值,不应大于30mm。

4. 施工中应按下列要求对支承杆的接头进行检查:

(1)同一结构截面内,支承杆接头的数量不应大于总数量的25%,其位置应均匀分布;

(2)工具式支承杆的丝扣接头必须拧紧;

(3)榫接或做为结构钢筋使用的非工具式支承杆接头,在其通过千斤顶后,应进行等强焊接。

当空滑施工时,应根据对支承杆的验算结果,采取加固措施。

滑升过程中,应随时检查支承杆工作状态,当出现弯曲、倾斜等失稳情况时,应及时查明原因,并采取有效的加固措施。

7)滑模装置的拆除

1. 滑模装置拆除(包括施工中改变平台结构),必须编制详细的施工方案,明确拆除的内容、方法、程序、使用的机械设备、安全措施及指挥人员的职责等,

并经主管部门审批。对拆除工作难度大的工程,尚应经上级主管部门审批后方可实施。

2. 滑模装置拆除前,必须组织拆除专业队、组,指定专人负责统一指挥。

凡参加拆除工作的作业人员,必须经过技术培训,考试合格。不得中途随意更换作业人员。

3. 拆除中使用的垂直运输设备和机具,必须经检查合格后方准使用。

滑模装置拆除前,应检查各支承点埋设件牢固情况,以及作业人员上下走道是否安全可靠。

当拆除工作利用在施结构作为支承点时,对结构混凝土强度的要求,应经结构验算确定,且不低于15MPa。

4. 拆除作业必须在白天进行,宜采用分段整体拆除,在地面解体。拆除的部件及操作平台上的一切物品,均不得从高空抛下。

当遇到雷雨、雾、雪或风力达到五级或五级以上的天气时,不得进行滑模装置的拆除作业。

对烟囱类构筑物宜在顶端设置安全行走平台。

基于动态滑模控制的移动机器人路径跟踪

第32卷第1期 2009年1月 合肥工业大学学报 (自然科学版) J OU RNAL OF H EFEI UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Vol.32No.1  J an.2009  收稿日期:2008204221;修改日期:2008206202 基金项目;先进数控技术江苏省高校重点建设实验室基金资助项目(KX J 07127)作者简介:徐玉华(1985-),男,江西乐平人,合肥工业大学博士生; 张崇巍(1945-),男,安徽巢湖人,合肥工业大学教授,博士生导师. 基于动态滑模控制的移动机器人路径跟踪 徐玉华1, 张崇巍1, 鲍 伟1, 傅 瑶1, 汪木兰2 (1.合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009;2.南京工程学院先进数控技术江苏省高校重点实验室,江苏南京 211167) 摘 要:文章研究了室内环境下基于彩色视觉的移动机器人路径跟踪问题,利用颜色信息提取路径,简化了图像的特征提取;拟合路径参数时引入RANSAC 方法,以提高算法的可靠性;在移动机器人非线性运动学模型的基础上,设计了一阶动态滑模控制器,并通过仿真验证了控制器的有效性。关键词:移动机器人;视觉导航;路径跟踪;动态滑模 中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100325060(2009)0120028204 Mobile robot ’s path following based on dynamic sliding mode control XU Yu 2hua 1, ZHAN G Chong 2wei 1, BAO Wei 1, FU Yao 1, WAN G Mu 2lan 2 (1.School of Electric Engineering and Automation ,Hefei University of Technology ,Hefei 230009,China ;2.Jiangsu Province College Key Laboratory of Advanced Numerical Control Technology ,Nanjing Institute of Technology ,Nanjing 211167,China ) Abstract :In t his paper ,mobile ro bot ’s pat h following in indoor environment based on color vision is st udied.Firstly ,t he image feat ures are extracted by color information so t hat t he real 2time perform 2ance of t he algorit hm is imp roved.To enhance t he ro bust ness of pat h parameter fitting ,a least square met hod based on RANSAC is adopted.Then ,a first 2order dynamic sliding mode cont roller is designed based on t he nonlinear vision 2guided robot ’s kinematics.The simulation proves t he validity of t he con 2t roller. K ey w ords :mobile robot ;visual navigation ;pat h following ;dynamic sliding mode 轮式移动机器人亦称自动引导车(A GV ),有着广泛的应用价值[1]。近年来,随着计算机技术和图像处理技术的发展,移动机器人视觉导航技术成为研究的热点[2]。视觉引导的路径跟踪是视觉导航技术之一。文献[3]基于移动机器人线性化的运动学模型,运用线性二次型最优控制理论设计最优控制器。该控制器对于较小角度的转向控制有一定的优越性,但没有讨论在较大偏差情况下的控制问题。文献[4]提出了一种模仿人工预瞄驾驶行为的移动机器人路径跟踪的模糊控制方法。而在实际应用中,模糊规则难以制定。文献[5]针对全局视觉条件下的轮式移动机器人路径跟踪问题,将基于图像的视觉伺服控制方法引 入到运动控制中,提出一种基于消除图像特征误差的跟踪控制方法。但该方法只适用于小规模环境条件下的使用。 针对以上存在的问题,本文采用价格低廉的车载彩色CCD 相机获取预先铺设引导线的路面实时图像,利用颜色信息提取路径。拟合路径参数时引入了RANSAC 方法,提高了参数拟合的鲁棒性。在移动机器人非线性运动学模型基础之上,设计了一阶动态滑模控制器(Dynamic Sliding Mode Cont roller ,简称DSMC ),在存在较大偏差的情况下也能达到良好的跟踪效果。滑模变结构控制对满足匹配条件的外界干扰和参数变化具有不变性,是一种适用于非线性系统的鲁棒控制方

终端滑模控制方法

终端滑模控制方法 1.1终端滑模控制 1.1.1基于终端滑模的非线性系统控制[1] 控制系统设计的主要需求包括两个主要方面:控制(收敛)性能和控制鲁棒性,前者需要实现有限时间收敛控制,后者需要在不适用高增益开关的条件下实现鲁棒控制。 为提高动态系统的收敛性能,Zak提出了终端吸引子(terminal attractor)[2]的概念,并在神经网络学习中表现出较好的性能,其具有如下三次抛物线型式: (0-1) 且平衡点位于原点,对其在初始时刻和平衡时刻间进行积分得到: (0-2) 由此可知,系统(0-1)将在有限时间内收敛到平衡点,收敛时间只取决于系统初始状态。 考虑如下二阶系统 (0-3) 其中为系统状态,为系统输入,跟踪误差,其中为期望轨迹。 设计如下控制律 (0-4) 其中,均为正奇数且。 将上式代入式(0-3)得到如下闭环系统: (0-5) 并设计滑模面如下 (0-6) 其中表示初始条件。那么式(0-5)和(0-6)确保了系统(0-3)在控制律(0-4)下的终端稳定性,定义滑模面为终端滑模子(terminal slider),并定义形如式(0-4)的控制律为终端滑模控制(terminal slider control)。显然,式(0-4)所示的控制比全状态反馈线性化控制性能优越。 结合式(0-6)(0-4)得到如下控制律

(0-7) 那么考虑到控制量有界且误差有界,误差的指数必须为正,即 (0-8) 该条件进一步缩小了参数的设计范围。但是以上分析设计基础是滑模面初始条件,那么对于不同的期望轨迹其初始值不同(也就是说式(0-6)不一定对仍以期望轨迹均能满足),因此需要对滑模控制器的参数进行重新设计。传统滑模利用高增益开关切换来迫使系统从任意初始条件均可收敛到滑模面,文献[]提出建立初始条件和滑模面之间的动态系统来解决传统滑模的缺陷。设计如下滑模控制律 (0-9) 并将其代入系统(0-3)中得到 (0-10) 上式表明对于任意初始条件,滑模变量均将在有限时间收敛到稳态值,之后系统跟踪误差将在滑模面(0-6)上有限时间内到达平衡点。定义式(0-10)所示的滑模面为动态终端滑模子(dynamic terminal slider)。注意传统的滑模面只能保证在任意初始条件下渐进指数收敛,但是通过建立动态终端 滑模面可在不利用高增益开关的条件下,保证对于任意初始条件滑模变量均可在有限时间内收敛到滑模面。 1.1.2终端滑模控制的基本原理[3] 1.1. 2.1未考虑不确定性二阶系统的终端滑模控制 对于如下式(1-1)所示二阶线性或非线性系统(未考虑系统不确定性): (1-1) 其中和为系统状态,和为和的线性或非线性函数,为系统输入。为使得以上系统动态终端收敛(terminal convergence),定义如下一阶终端滑模变量: (1-2) 其中各参数满足如下条件: (1-3)

滑模控制与智能计算

滑模控制方法 1 / 4 滑模控制与智能计算 1.1 滑模控制与智能计算[1][2] 1.1.1 滑模控制基本理论 SMC 由前苏联V.I.Utkin 和S.V.Emlyanov 教授在20世纪50年代末期提出,其为一种特殊的变结构控制。 对于如下MIMO-SMC 系统 (0-1) 其中为系统状态矢量,为控制输入,表示影响控制系统性能的所有因素,如扰动和系统参数不确定性。若 ,那么存在控制使得,也即扰动满足匹配条件,此时SMC 对MIMO 仍然具备不变性特点。 SMC 的设计流程主要包括两步(设计SMC 的两个主要阶段):(1)趋近阶段:系统状态在有限时间内由任意初始状态趋近switching manifold ;(2)滑模阶段:系统状态在switching manifold 上作滑模运动,也即switching manifold 成为吸引子。那么SMC 的两个主要设计步骤为switching manifold 设计和不连续控制律设计,前者选取switching manifold 以满足期望的动态特征,一般可选取为线性超平面,后者通过设计不连续控制以保证switching manifold 有限时间可达,该控制器为局部或全局的,取决于特殊的控制需求。 对于系统(0-1),依据SMC 的主要设计步骤,switching manifold 可表示为 , 其中 为由系统动态特性要求决定的m-维矢量。 SMC 控制律 控制结构如下 (0-2) 其中 根据SMC 理论,当sliding mode occurs 等效控制律可推导如下 (0-3) 不失一般性,假设非奇异。一般而言,存在虚拟控制可使滑模 ,那么可得 (0-4)

非奇异终端滑模

非奇异终端滑模控制(读书笔记) 王蒙 1、非奇异终端滑模控制特点 非奇异终端滑模控制是近年来出现的一种新型滑模控制方法,它通过有目 的地改变切换函数,直接从滑模设计方面解决了现有终端滑模控制存在的奇异 性问题,实现了系统的全局非奇异控制;同时它又继承了终端滑模的有限时间 收敛特性,与传统的线性滑模控制相比,可令控制系统有限时间内收敛到期望 轨迹,且具有较高的稳态精度,特别适用于高速、高精度控制。 2、线性滑模控制方法 (1)这对不确定二阶非线性系统 122 (,)()()x x x f x t u t d t =? ? =++? 其中,12()[(),()];(,)x t x t x t f x t =为未知函数,表示系统内部扰动,假设其估计值为 1 2?(,)f x t x =,且满足21?(,)(,)(,)0.1f x t f x t F x t x -≤=;()0.1sin()d t t =表示系统外部扰动,且假设()0.1d t D ≤=;系统初始状态120.3,0.5x x ==。 (2)线性滑模通常设计为系统状态的线性组合 12()0s t x x β=+=,其中,0β>。 (3)等效控制律为()()()eq n u t u t u t =+,其中,eq u 为等效控制项,n u 为非线性控制项。(4)下面详细给出控制律的设计过程 ①当系统处于滑动状态时,暂且不考虑系统的参数摄动和外部扰动(()0d t =) 由等效控制原理,如果达到理想的滑动模态,则()0s = x ,即()0s x s x t ??=?=?? x 对滑模s 求时间的一阶导数12222?((,)())0eq s x x x x x f x t u t βββ=+=+=++= ②从而得到等效控制项为21 ?(,)eq u x f x t β =- -

滑模控制基本概念总结

滑模控制基本概念总结 滑模控制基本概念 1 滑模控制首先做的事情就是寻找切换面s(x),切换面就是让系统的轨迹最终能到达这个切换面上,并且沿着切面运动,所以切换面一定是稳定的,既当x沿着s(x)运动时,x 最终变为零,既到达平衡点。一般x取误差和误差的导数,这样就适用于典型的反馈控制。所以关键问题是选择s(x)=cx的系数c,是s(x)稳定,方法较多,典型的就是 s(x)=x1+cx2,c>0,x1导数为x2,求解微分方程,显然x会趋于0. 2 之后就是选择控制u使系统从任意初始位置出发都可以到达s(x)=0这条曲线(平衡状态),因为上面已经提到,只要到达s(x)=0就会稳定到0点,所以此时u的选取原则就是 1)能达性,既能到达s(x)=0 可以验证,如果s(x)s(x)'<0就可以满足上述条件。按此条件设计的控制称为切换控制。(李雅普诺夫第二判别法,函数正定,导数负定?) 2)跟踪性,既到达s(x)=0后就不要乱跑了,必须在s(x)上运动。 可以验证,如果s(x)=0,s(x)'=0,x就不会脱离s(x)=0了。按此条件设计的控制称为等效控制。这样滑模控制的设计就完成了。 传统的滑模控制属于切换控制,既使x到达s(x)=0就算达到目标了,因为根据切换面的性质会自动收敛到平衡原点,我想又提出等效控制的原因就是因为切换控制抖振的存在,使其性能很不好,因为等效控制其实已经不是变结构控制了,而是根据理想的模型设计的理想控制。这样综合两个控制就可以使当x远离s(x)=0时等效控制不起作用,而切换控制其作用,当x到达s(x)=0时,切换控制不起作用,而等效控制其作用。 不过目前还有很多方法可以是系统任何初始状态都在s(x)=0内,按理说只使用等效控制就可以了,但如果考虑到系统的不确定性,那么还是需要切换控制的,因为切换控制鲁棒性极强,即使系统出现偏差还是可以使其回到s(x)=0上,这时在使用等效控制。 1 / 1

三阶积分终端滑模控制方法

三阶积分终端滑模控制方法 1.1三阶积分终端滑模 1.1.1压电驱动纳米定位平台运动控制问题描述 1.1.1.1纳米定位系统动态建模 考虑磁滞非线性时,压电驱动纳米定位系统的完整动态模型为 (0-1) 其中为时间变量。分别为质量、阻尼系数、刚度和纳米定位平台压电系数,分别为输入电压、纳米定位平台的输出位移、系统的辞职效应、模型不确定性和扰动项。以上动态方程可进一步简化描述如下 (0-2) 其中。本文不直接对磁滞效应进行建模,而是将磁滞非线性影响和其它不确定性统一视为集中扰动,以下省略变量。1.1.1.2扰动估计 基于动态模型(0-2),扰动项可描述如下: (0-3) 但是以上扰动估计方法由于algebraic loop不可实现。以下根据文献[]提出的摄动估计技术进行扰动估计,即 (0-4) 其中为采样时间间隔。那么,式(0-2)所示的动态模型变为 (0-5) 表示扰动估计误差。为助于控制器设计,给出以下合理假设: 假设1:。 1.1.1.3状态估计 由式(0-4)可知,扰动估计器的实现需要计算位置的高阶微分项。但 是,在实际应用中只有位置可测。因此,为实现扰动估计必须设计位置的高阶微分项的估计器或观测器,如Luenberger观测器、高增益观测器和滑模观测器等。然而传统的观测器只能实现状态估计的渐进收敛,而Levant提出的鲁棒精确差分技术(Robust Exact Differentiator, RED)可实现状态估计的有限时间收敛。 特别地,k阶RED可实现k次实时的鲁棒差分,其中2阶RED可设计如下:

(0-6) 其中,且。差分器的输出分别为 : (0-7) 定义状态估计误差为 (0-8) 那么,式(0-6)可描述为 (0-9) 其中可在有限时间内实现。 式(0-9)所示的误差动态推导错误,已由文献[]指出,正确推导过程如下:由式(0-6)-(0-8)可知, (0-10) ,因此式(0-9)的正确表达为 (0-11) 利用以上微分器,估计的扰动变为 (0-12) 其中 (0-13) (0-14) 由式(0-11)。此时,如果利用式(0-13)进行扰动估计, 。结合假设1可知,扰动估计误差的变化率有界, 。

滑模变结构控制理论及其算法研究与进展_刘金琨

第24卷第3期2007年6月 控制理论与应用 Control Theory&Applications V ol.24No.3 Jun.2007滑模变结构控制理论及其算法研究与进展 刘金琨1,孙富春2 (1.北京航空航天大学自动化与电气工程学院,北京100083;2.清华大学智能技术与系统国家重点实验室,北京100084) 摘要:针对近年来滑模变结构控制的发展状况,将滑模变结构控制分为18个研究方向,即滑模控制的消除抖振问题、准滑动模态控制、基于趋近律的滑模控制、离散系统滑模控制、自适应滑模控制、非匹配不确定性系统滑模控制、时滞系统滑模控制、非线性系统滑模控制、Terminal滑模控制、全鲁棒滑模控制、滑模观测器、神经网络滑模控制、模糊滑模控制、动态滑模控制、积分滑模控制和随机系统的滑模控制等.对每个方向的研究状况进行了分析和说明.最后对滑模控制的未来发展作了几点展望. 关键词:滑模控制;鲁棒控制;抖振 中图分类号:TP273文献标识码:A Research and development on theory and algorithms of sliding mode control LIU Jin-kun1,SUN Fu-chun2 (1.School of Automation Science&Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing100083,China; 2.State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems,Tsinghua University,Beijing100084,China) Abstract:According to the development of sliding mode control(SMC)in recent years,the SMC domain is character-ized by eighteen directions.These directions are chattering free of SMC,quasi SMC,trending law SMC,discrete SMC, adaptive SMC,SMC for mismatched uncertain systems,SMC for nonlinear systems,time-delay SMC,terminal SMC, global robust SMC,sliding mode observer,neural SMC,fuzzy SMC,dynamic SMC,integral SMC and SMC for stochastic systems,etc.The evolution of each direction is introduced and analyzed.Finally,further research directions are discussed in detail. Key words:sliding mode control;robust control;chattering 文章编号:1000?8152(2007)03?0407?12 1引言(Introduction) 滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动.由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识,物理实现简单等优点.该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越,从而产生颤动. 滑模变结构控制出现于20世纪50年代,经历了50余年的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一般的设计方法.以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了3个发展阶段.第1阶段为以误差及其导数为状态变量研究单输入单输出线性对象的变结构控制;20世纪60年代末开始了变结构控制理论研究的第2阶段,研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统;进入80年代以来,随着计算机、大功率电子切换器件、机器人及电机等技术的迅速发展,变结构控制的理论和应用研究开始进入了一个新的阶段,所研究的对象已涉及到离散系统、分布参数系统、滞后系统、非线性大系统及非完整力学系统等众多复杂系统,同时,自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传算法等先进方法也被应用于滑模变结构控制系统的设计中. 2滑模变结构控制理论研究进展(Develop-ment for SMC) 2.1消除滑模变结构控制抖振的方法研 究(Research on chattering elimination of SMC) 2.1.1滑模变结构控制的抖振问题(Problems of SMC chattering) 从理论角度,在一定意义上,由于滑动模态可以 收稿日期:2005?10?19;收修改稿日期:2006?02?23. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60474025,90405017).

无刷直流电机的滑模控制器的设计与仿真

无刷直流电机的滑模控制器的设计与仿真 摘要 舵伺服系统在航空航天领域,有着广泛应用和重要的研究价值。应用无刷直流电机作为舵系统执行器,可以增大系统输出转矩,实现系统小型化。本文基于无刷直流电机执行器,利用 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元,应用滑模变结构控制策略,实现舵机系统伺服,提高舵系统抗扰性和信号响应的快速性;并在系统中加入滑模观测器,实现对于系统内部状态量的观测,为实现无位置传感器控制提供条件本文应用无刷直流电机作为舵系统执行器,通过分析和设计滑模变结构控制算法,实现舵系统位置伺服控制,利用滑模变结构控制策略的特性,提高系统对于扰动和内部参数摄动的鲁棒性,与基于传统控制策略的伺服机构相比,系统的抗扰性得到了提高。并在系统中引入滑模观测器,利用电流、电压传感器采样相电流和相电压作为该观测器的给定量,观测出电机的速度,转子运动换相位置信号和三相反电动势波形,从而实现电机的无位置传感器控制。 本文通过分析舵伺服机构的主要结构和工作原理,根据实际系统技术要求,设计出基于电动伺服系统的数字控制器。利用 DSP 强大的数据处理能力和 FPGA 并行运算能力,实现设计的控制算法,提高舵系统的性能。通过 MATLAB 中 Simulink 环境下构建理想系统模型,应用滑模控制算法,进行模型仿真。通过系统仿真分析,设计出满足离散系统的滑模控制器参数。通过 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元实现滑模变结构控制算法,应用于舵伺服系统中[1]。最后,通过完成整体硬件与软件平台设计,实现对舵伺服系统的控制。通过仿真和实验结果分析,验证了滑模控制具有强鲁棒性和抗扰性,满足舵系统对于快速性和抗扰性的技术要求,提高了系统 整体控制性能。 关键字:滑模控制;滑模观测器;无刷直流电机;舵伺服系统;DSP+FPGA

滑模变结构控制

滑模变结构控制 【原理,优点,意义,步骤,特点】 变结构控制系统的特征是具有一套反馈控制律和一个决策规则,该决策规则就是所谓的切换函数,将其作为输入来衡量当前系统的运动状态,并决定在该瞬间系统所应采取的反馈控制律,结果形成了变结构控制系统。该变结构系统由若干个子系统连接而成,每个子系统有其固定的控制结构且仅在特定的区域内起作用。引进这种变结构特性的优势之一是系统具有每一个结构有用的特性,并可进一步使系统具有单独每个结构都没有的新的特性,这种新的特性即是变结构系统的滑动模态。滑动模态的存在,使得系统在滑动模态下不仅保持对系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰等不确定性因素的鲁棒性,而且可以获得较为满意的动态性能。迄今为止,变结构控制理论已经历了50年的发展历程,形成了自己的体系,成为自动控制系统中一种一般的设计方法。它适用的控制任务有镇定与运动跟踪等。滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制,本质上是一类特殊的非线性控制,且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中,根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使

得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。原理:滑模变结构控制的原理,是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面,通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面,控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点,这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系,所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。所设计的切换超平面需满足达到条件,即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。现在以N维状态空间模型为例,采用极点配置方法得到M(N

滑模变结构控制

滑模变结构控制作为一种特殊的鲁棒控制方法【原理,优点,意义,步骤,特点】 变结构控制系统的特征是具有一套反馈控制律和一个决策规则,该决策规则就是所谓的切换函数,将其作为输入来衡量当前系统的运动状态,并决定在该瞬间系统所应采取的反馈控制律,结果形成了变结构控制系统。该变结构系统由若干个子系统连接而成,每个子系统有其固定的控制结构且仅在特定的区域内起作用。引进这种变结构特性的优势之一是系统具有每一个结构有用的特性,并可进一步使系统具有单独每个结构都没有的新的特性,这种新的特性即是变结构系统的滑动模态。滑动模态的存在,使得系统在滑动模态下不仅保持对系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰等不确定性因素的鲁棒性,而且可以获得较为满意的动态性能。迄今为止,变结构控制理论已经历了50年的发展历程,形成了自己的体系,成为自动控制系统中一种一般的设计方法。它适用的控制任务有镇定与运动跟踪等。 滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制,本质上是一类特殊的非线性控制,且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中,根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。 原理: 滑模变结构控制的原理,是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面,通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面,控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点,这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系,所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。所设计的切换超平面需满足达到条件,即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。现在以N维状态空间模型为例,采用极点配置方法得到M(N

滑模控制

滑模变结构理论 一、引言 滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结 构”并不固定,而是可以在动态过程中根据系统当前的状态(如偏差及其 各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态 轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使 得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线 辩识,物理实现简单等优点。该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越, 从而产生颤动。滑模变结构控制出现于20世纪50年代,经历了 50余年 的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一 般的设计方法。以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了 3个发展阶 段.第1阶段为以误差及其导数为状态变量研究单输入单输出线性对象的 变结构控制; 20世纪60年代末开始了变结构控制理论研究的第2阶段, 研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统;进入80年代以来, 随着计算机、大功率电子切换器件、机器人及电机等技术的迅速发展, 变 结构控制的理论和应用研究开始进入了一个新的阶段, 所研究的对象已 涉及到离散系统、分布参数系统、滞后系统、非线性大系统及非完整力 学系统等众多复杂系统, 同时,自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传 算法等先进方法也被应用于滑模变结构控制系统的设计中。 二、基本原理 带有滑动模态的变结构控制叫做滑模变结构控制(滑模控制)。所谓滑动模态是指系统的状态被限制在某一子流形上运动。通常情况下,系统 的初始状态未必在该子流形上,变结构控制器的作用在于将系统的状态 轨迹于有限时间内趋使到并维持在该子流形上,这个过程称为可达性。系 统的状态轨迹在滑动模态上运动并最终趋于原点,这个过程称为滑模运 动。滑模运动的优点在于,系统对不确定参数和匹配干扰完全不敏感。下 图简要地描述了滑模变结构控制系统的运动过程,其中S(t)为构造的切 换函数(滑模函数), S(t)=0为滑模面。 图1

滑模变结构控制(SMC)的基本思路

步骤一:确定状态变量(分为单输入系统和多输入系统)以及状态变量之间的关系 比如永磁同步电机速度滑模变结构控制: 状态变量为: 状态变量之间的关系(可以通过电机的电压,磁链,转矩和运动学方程推导)比如确定如上x1,x2以及系统的关系,可根据如下方程(其中有错误注意): 得到状态关系方程(其中a为常数与电机参数有关): 永磁同步电机位置滑模变结构控制: 状态变量为: 步骤二:确定滑动面方程(切换函数S) 必须确保滑动模态在S = 0时t趋近于无穷大是稳定的。(根据实际情况确保品质参数),其表达式如下:

这种切换函数下得到的响应是过阻尼响应,理论上是不存在超调量的。 对于多输入系统,其切换函数为: 步骤三: 方法一:确定趋近率函数(切换函数的微分S’),并确定滑模变结构控制的输出量即控制率函数Ux(Ux)。另外,需要由电机方程指定该控制率函数和电机系统变量的关系(实际需要决定)(比如:速度滑模变结构的输出肯定是与电机电流iq是有关系的,从而便于下一步的电流逆变器的控制)。 常见的趋近率函数为: 其他特殊的更常用的趋近律如下:

如此可确定控制率函数的表达式。(本质上控制率函数是用来去除系统参数变化和外部扰动对系统的影响。) 该方法的缺点是:由于系统在滑动面上对参数及系统外部扰动的抗干扰性很强。而在滑动面外(趋近运动),控制率函数在起作用,而控制率函数是与系统参数有关的。所以收到系统参数的影响。为了能够实现系统一直具有很高的鲁棒性,可以使系统设置从初始时刻就处于滑动面上,见方法二(全局滑模变结构控制)。 方法二:合适选择切换函数并先确定控制率函数Ux。(由于系统一直处于滑动面上,所以无需选择趋近率函数) 比如PMSM的速度滑模变结构控制:

毕业设计论文-切换系统滑模控制设计

毕业设计 学生姓名: Zang Wenbo 学号: 090803207 学院:电气工程学院 专业:测控技术与仪器 题目:切换系统滑模控制设计 指导教师: 评阅教师: 2013年6月

河北科技大学毕业设计成绩评定表 姓名学号成绩 专业测控技术与仪器 题目切换系统滑模控制设计 指 导 教 师 评 语 及 成 绩指导教师: 年月日评 阅 教 师 评 语 及成绩评阅教师: 年月日 答辩小组评语 及成绩答辩小组组长: 年月日 答辩委员 会意见学院答辩委员会主任: 年月日 注:该表一式两份,一份归档,一份装入学生毕业设计说明书中。

毕业设计中文摘要 切换系统是按某种切换规则在各子系统之间切换的混杂系统,是混杂系统理论与应用研究中非常活跃的一个分支。切换系统滑模控制问题是现代非线性系统控制中的一个重要课题,在过去的几十年中得到了广泛的关注,而且已被成功用于大量实际系统。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的结构并不固定。它可以在动态过程中,根据系统当前的实时状态来对其进行控制,从而达到预定的控制目的。具有响应速度快,对参数摄动不敏感、鲁棒性能好等优点。许多实际系统本身具有切换的特性,例如含有继电、饱和、滞环等环节的被控对象以及工业上常见的多液罐系统。此类系统适宜用切换系统来进行建模分析,并设计相应的切换控制器来对其进行控制。 本论文通过对切换系统滑模控制的基本理论知识及/ Matlab Simulink软件的学习,主要分为四章:第一章介绍了切换系统滑模控制的基本的发展过程;第二章介绍了基本的切换系统滑模控制的相关理论;第三章介绍了如何对切换系统进行观测器的设计,并给出了用/ Matlab Simulink软件进行的具体实例仿真;第四章介绍了如何对简单的切换系统进行滑模控制设计,同时也给出了用/ Matlab Simulink软件进行的具体实例仿真,得到仿真曲线,验证控制器的控制性能,完成了对切换系统的控制器的设计。 关键词切换系统滑膜控制

滑模控制

滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制, 其本质上是一类特殊的非线性控制,且非线性表现为控制的不连续性. 这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中,根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动. 由于滑动模态可以进行设计且与对象 参数及扰动无关,这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点. 滑模变结构控制是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面,通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面,控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点,这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系,所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。超平面的设计方法有极点配置,特征向量配置设计法,最优化设计方法等,所设计的切换超平面需满足达到条件,即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。控制器的设计有固定顺序控制器设计、自由顺序控制器设计和最终滑动控制器设计等设计方法[1]。现在以N维状态空间模型为例,采用极点配置方法得到M(N

滑模控制基本概念总结

滑模控制基本概念 1 滑模控制首先做的事情就是寻找切换面s(x),切换面就是让系统的轨迹最终能到达这个切换面上,并且沿着切面运动,所以切换面一定是稳定的,既当x沿着s(x)运动时,x最终变为零,既到达平衡点。一般x取误差和误差的导数,这样就适用于典型的反馈控制。所以关键问题是选择s(x)=cx的系数c,是s(x)稳定,方法较多,典型的就是 s(x)=x1+cx2,c>0,x1导数为x2,求解微分方程,显然x会趋于0. 2 之后就是选择控制u使系统从任意初始位置出发都可以到达s(x)=0这条曲线(平衡状态),因为上面已经提到,只要到达s(x)=0就会稳定到0点,所以此时u的选取原则就是 1)能达性,既能到达s(x)=0 可以验证,如果s(x)s(x)'<0就可以满足上述条件。按此条件设计的控制称为切换控制。(李雅普诺夫第二判别法,函数正定,导数负定?) 2)跟踪性,既到达s(x)=0后就不要乱跑了,必须在s(x)上运动。 可以验证,如果s(x)=0,s(x)'=0,x就不会脱离s(x)=0了。按此条件设计的控制称为等效控制。这样滑模控制的设计就完成了。 传统的滑模控制属于切换控制,既使x到达s(x)=0就算达到目标了,因为根据切换面的性质会自动收敛到平衡原点,我想又提出等效控制的原因就是因为切换控制抖振的存在,使其性能很不好,因为等效控制其实已经不是变结构控制了,而是根据理想的模型设计的理想控制。这样综合两个控制就可以使当x远离s(x)=0时等效控制不起作用,而切换控制其作用,当x到达s(x)=0时,切换控制不起作用,而等效控制其作用。 不过目前还有很多方法可以是系统任何初始状态都在s(x)=0内,按理说只使用等效控制就可以了,但如果考虑到系统的不确定性,那么还是需要切换控制的,因为切换控制鲁棒性极强,即使系统出现偏差还是可以使其回到s(x)=0上,这时在使用等效控制。

相关文档
最新文档