本發(fā)明涉及貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的多變量約束控制領(lǐng)域，特別涉及貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多變量約束控制方法。

背景技術(shù)：

在貼片機(jī)工作的過(guò)程中，根據(jù)不同的需要，會(huì)要求貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滿足一定的約束條件，例如貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)必須在某一個(gè)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，否則會(huì)導(dǎo)致貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)撞擊貼片機(jī)的邊緣，對(duì)貼片機(jī)設(shè)備造成損害；貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度也不可能達(dá)到無(wú)限大，或受到貼片機(jī)所處環(huán)境的限制導(dǎo)致動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度不能過(guò)大；再者，在貼片機(jī)工作時(shí)，為貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所能提供的最大電壓和電流都是有限的，即貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所能提供的最大控制輸入是有限的，當(dāng)所需的控制輸入量超過(guò)蹄片及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所能提供的最大值時(shí)，貼片機(jī)會(huì)無(wú)法正常工作。為了解決這些系統(tǒng)受到約束問(wèn)題，需要提出了一種基于參考調(diào)節(jié)器的多變量約束控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在由于速度過(guò)大而對(duì)貼片機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)造成損害或者因?yàn)榭刂戚斎氤^(guò)貼片機(jī)所能提供的最大輸入導(dǎo)致貼片機(jī)不能正常工作等問(wèn)題，而提出基于參考調(diào)節(jié)器的貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多變量約束控制方法。

基于參考調(diào)節(jié)器的貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多變量約束控制方法包括以下步驟：

步驟一、建立貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沿x軸或y軸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，用狀態(tài)空間模型表示，并確定貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受到的約束條件；x軸為橫向，y軸為縱向；

步驟二、根據(jù)步驟一建立的動(dòng)力學(xué)模型，為貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采樣控制器；

步驟三、在假設(shè)貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)以及外界擾動(dòng)為常值的條件下，預(yù)測(cè)當(dāng)參考信號(hào)不發(fā)生變化時(shí)貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)和控制輸入的大??；貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)包括貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)的位移和速度；

步驟四、根據(jù)步驟三預(yù)測(cè)的結(jié)果，設(shè)計(jì)參考調(diào)節(jié)器，使貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足步驟一中的約束條件。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明方法是通過(guò)設(shè)計(jì)參考調(diào)節(jié)器，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)，從而使系統(tǒng)狀態(tài)或控制輸入限制在約束范圍內(nèi)。

采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的參考調(diào)節(jié)器，有效的解決了貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的約束控制問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)的位移，速度和施加的控制輸入大小的約束，達(dá)到保護(hù)貼片機(jī)設(shè)備和保證控制效果的目的。從圖5-9中可以看出，在貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行的過(guò)程中，貼片機(jī)的位移被約束在400mm之內(nèi)，速度也在被約束在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，控制輸入量也幾乎處處小于最大輸入值的70％。

附圖說(shuō)明

圖1為貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)；

圖2為施加了參考調(diào)節(jié)器后的閉環(huán)系統(tǒng)框圖；

圖3為參考信號(hào)為階躍信號(hào)，不施加參考調(diào)節(jié)器時(shí)貼片機(jī)系統(tǒng)動(dòng)平臺(tái)的狀態(tài)；

圖4為參考信號(hào)為階躍信號(hào)，不施加參考調(diào)節(jié)器時(shí)系統(tǒng)的控制輸入；

圖5為參考信號(hào)為階躍信號(hào)，帶有參考調(diào)節(jié)器時(shí)貼片機(jī)系統(tǒng)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡；

圖6為參考信號(hào)為階躍信號(hào)，帶有參考調(diào)節(jié)器時(shí)貼片機(jī)系統(tǒng)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；

圖7為參考信號(hào)為階躍信號(hào)，帶有參考調(diào)節(jié)器時(shí)系統(tǒng)的控制輸入；

圖8為參考信號(hào)為r(t)＝x0+100(1-cos(3.14t))(1-e^-t)，帶有參考調(diào)節(jié)器時(shí)貼片機(jī)系統(tǒng)動(dòng)平臺(tái)的狀態(tài)；

圖9為參考信號(hào)為r(t)＝x0+100(1-cos(3.14t))(1-e^-t)，帶有參考調(diào)節(jié)器時(shí)系統(tǒng)的控制輸入。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：基于參考調(diào)節(jié)器的貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多變量約束控制方法包括以下步驟：

步驟一、建立貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沿x軸或y軸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，用狀態(tài)空間模型表示，并確定貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受到的約束條件；x軸為橫向，y軸為縱向；

步驟二、根據(jù)步驟一建立的動(dòng)力學(xué)模型，為貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采樣控制器；

步驟三、在假設(shè)貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)以及外界擾動(dòng)為常值的條件下，預(yù)測(cè)當(dāng)參考信號(hào)不發(fā)生變化時(shí)貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)和控制輸入的大小；貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)包括貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)的位移和速度；

步驟四、根據(jù)步驟三預(yù)測(cè)的結(jié)果，設(shè)計(jì)參考調(diào)節(jié)器，使貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足步驟一中的約束條件。

多變量約束指的是對(duì)貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)的位移、速度和控制輸入進(jìn)行約束。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述步驟一中建立貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沿x軸或y軸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，用狀態(tài)空間模型表示，并確定貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受到的約束條件的具體過(guò)程為：

忽略貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)的定位力和庫(kù)倫摩擦力，根據(jù)牛頓第二定律，建立貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)沿x軸或y軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)最小二乘辨識(shí)的方法確定貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不確定性參數(shù)m和b，以及外界擾動(dòng)或未建模動(dòng)態(tài)的界：

其中m≈11kg∈[θ1min，θ1max]＝[10kg,15kg]為貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量，θ1min和θ1max分別為m的上界和下界，和分別為x(t)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，x(t)貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)的位移，u(t)為控制輸入，b≈7n·s/m∈[θ2min，θ2max]＝[3n·s/m,20n·s/m]為動(dòng)平臺(tái)的粘滯阻力系數(shù)，θ2min和θ2max分別為b的上界和下界，d(t)表示貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中由于環(huán)境等因素受到的干擾或在建立貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)忽略的一些次要過(guò)程，分別稱為外界干擾和未建模動(dòng)態(tài)，d(t)上界的值為d0＝1n，將上式改寫(xiě)為狀態(tài)空間模型：

其中θ1＝m，θ2＝b，貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受到如下形式的約束：

其中為貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的約束集，x1min和x1max分別為x1(t)可取的最小值和最大值，x2min和x2max分別為x2(t)可取的最小值和最大值，umin和umax分別為u(t)可取的最小值和最大值。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述步驟二中根據(jù)步驟一建立的動(dòng)力學(xué)模型，為貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采樣控制器的具體過(guò)程為：

為系統(tǒng)設(shè)計(jì)自適應(yīng)采樣控制器為：

其中表示kt時(shí)刻θ1的估計(jì)值，表示kt時(shí)刻θ2的估計(jì)值，為虛擬采樣控制律，貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)在kt時(shí)刻的位置為x1[k]，位置誤差為z1[k]＝x1[k]-r[k]，速度為x2[k]，速度差為z2[k]＝x2[k]-α1[k]，r[k]為采樣輸入信號(hào)，t為采樣時(shí)間，k1、k2>0為控制器參數(shù)，為控制器中的魯棒項(xiàng)，ε為用來(lái)調(diào)節(jié)與sgn(h[k]·z2k)之間誤差大小的參數(shù)，tanh表示雙曲正切函數(shù)，sgn表示符號(hào)函數(shù)，表示經(jīng)過(guò)光滑投影算子π1(θ)作用后的值，表示經(jīng)過(guò)投影算子π2(θ)作用后的值，光滑投影算子πi(θ),i＝1,2應(yīng)具有如下性質(zhì)

具體可選擇如下形式

εi為用來(lái)調(diào)節(jié)光滑投影算子πi(θ)與投影算子之間誤差大小的參數(shù)，

分別為參數(shù)θ1與θ2的自適應(yīng)律調(diào)整函數(shù)，應(yīng)具有如下性質(zhì)：

若

其他

具體可選擇如下形式：

其中i＝1,2；

所得到的閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述步驟三中在假設(shè)貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)以及外界擾動(dòng)為常值的條件下，預(yù)測(cè)當(dāng)參考信號(hào)不發(fā)生變化時(shí)貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)和控制輸入的大小的具體過(guò)程為：

定義判斷函數(shù)：

其中表示定義，表示當(dāng)輸入信號(hào)為r[τ]、初始位置為x1、初始速度為x2時(shí)貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)在τt時(shí)刻的位置，表示當(dāng)輸入信號(hào)為r[τ]、初始位置為x1、初始速度為x2時(shí)貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)在τt時(shí)刻的速度，表示當(dāng)輸入信號(hào)為r[τ]、貼片機(jī)動(dòng)平臺(tái)的位置為速度為時(shí)貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制輸入；

假設(shè)在t時(shí)刻后貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外界干擾和未建模動(dòng)態(tài)為常值，預(yù)測(cè)模型的參考輸入信號(hào)vpt[k]在δt0時(shí)間內(nèi)以如下形式變?yōu)槌Ｖ担?/p>

利用貼片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的近似模型：

預(yù)測(cè)未來(lái)δt時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)的狀態(tài)以及控制輸入的最大值與最小值x1pmax,x1pmin,x2pmax,x2pmin,upmax,upmin；則此時(shí)：

εv為大于0的常數(shù)，rc(t+kt)為初步調(diào)節(jié)后的參考信號(hào)在t+kt時(shí)刻時(shí)的值。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：所述步驟四中根據(jù)步驟三預(yù)測(cè)的結(jié)果，設(shè)計(jì)參考調(diào)節(jié)器的具體過(guò)程為：

設(shè)計(jì)參考調(diào)節(jié)器如下：

v[k]＝v[k-1]+κ[k](rc[k]-v[k-1]),kt≤t<(k+1)t

其中v[k]為參考調(diào)節(jié)器的的輸出；κ[k]＝k(x1[k],x2[k],v[k-1],rc[k])為參考調(diào)節(jié)器參數(shù)，k(x1[k],x2[k],v[k-1],rc[k])定義如下：

若存在一個(gè)常數(shù)λ∈[0,1]使得則k(x1,x2,v,rc)定義如下

其中表示使成立的最大的λ；

若不存在λ∈[0,1]使成立，則

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例一：

所得到施加了參考調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。將參考調(diào)節(jié)器和控制器應(yīng)用到具體的貼片機(jī)上。取a/d采樣時(shí)間為0.125ms，期望輸出為階躍信號(hào)r(t)＝100。設(shè)計(jì)控制器參數(shù)為：k1＝5000，k2＝8000。參數(shù)自適應(yīng)系數(shù)為：γ1＝γ2＝100。假設(shè)實(shí)際系統(tǒng)受到如下約束

圖3和圖4分別給出的是不施加參考調(diào)節(jié)器時(shí)貼片機(jī)系統(tǒng)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和控制輸入大小，可以看出因?yàn)榭刂戚斎脒^(guò)大，超過(guò)了貼片機(jī)所能提供的最大值導(dǎo)致貼片機(jī)系統(tǒng)停機(jī)。圖5、圖6和圖7給出的是帶有參考調(diào)節(jié)器時(shí)貼片機(jī)系統(tǒng)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度以及控制輸入大小。

參考軌跡為r(t)＝x0+100(1-cos(3.14t))(1-e^-t)，采樣時(shí)間、控制器參數(shù)和參數(shù)自適應(yīng)系數(shù)不變。假設(shè)實(shí)際系統(tǒng)受到如下約束：

圖8和圖9分別給出的是帶有參考調(diào)節(jié)器時(shí)貼片機(jī)系統(tǒng)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和控制輸入大小。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。