亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        自主行駛調(diào)平系統(tǒng)建模及自適應(yīng)反步滑模控制

        2024-04-11 07:34:42向洋蒙艷玫韋錦
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        向洋, 蒙艷玫, 韋錦

        (廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

        0 引言

        根據(jù)綠籬修剪作業(yè)的實(shí)際情況,傳統(tǒng)的燃油卡車在適應(yīng)修剪需求時(shí)需要經(jīng)常改變行進(jìn)、倒退和停止的狀態(tài)。當(dāng)使用傳統(tǒng)手動(dòng)變速器的卡車底盤時(shí),操作人員需要不斷地切換卡車的油門和離合狀態(tài),不僅增加操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且還使離合器長時(shí)間處于過度接合狀態(tài),從而導(dǎo)致離合器的磨損速度加快,機(jī)器故障率也隨之增加。在修剪綠籬時(shí),修剪機(jī)械手放置在承載車一邊,導(dǎo)致承載車不僅要承受整機(jī)的重量,還受到機(jī)械手重心位置偏移引起的側(cè)向力矩的影響。此外,機(jī)械手往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力也會(huì)引起周期性的側(cè)向力矩。因?yàn)槌休d車有懸架,整機(jī)會(huì)在這些側(cè)向力矩的作用下傾斜或者產(chǎn)生振動(dòng)。這將對修剪的尺寸和形狀精度產(chǎn)生很大的影響[1]。傳統(tǒng)卡車底盤改造的綠籬修剪機(jī)也不易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè),嚴(yán)重制約了作業(yè)效率?;谝陨犀F(xiàn)狀,本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研制出的車載式綠籬修剪機(jī)底盤進(jìn)行改造,設(shè)計(jì)了一套以皮卡車為承載底盤的自主行駛驅(qū)動(dòng)承載機(jī)構(gòu),不僅能實(shí)現(xiàn)綠籬修剪機(jī)的自主行駛,而且能根據(jù)修剪機(jī)機(jī)械手的側(cè)置和路面起伏變化自適應(yīng)調(diào)整整機(jī)的姿態(tài),實(shí)現(xiàn)自主行駛系統(tǒng)自適應(yīng)平衡控制。

        本文設(shè)計(jì)的自主行駛調(diào)平系統(tǒng)通過電液比例控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對修剪機(jī)車身姿態(tài)的水平平衡調(diào)節(jié),能夠自適應(yīng)路面狀況和機(jī)械手側(cè)置帶來的重心偏置影響。相較于電機(jī)控制,電液比例控制系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn),包括反應(yīng)快速、重量輕、體積小、輸出推力大以及控制精度高等[2],然而,在實(shí)際的工程應(yīng)用中,電液比例控制系統(tǒng)面臨著多種問題。這些問題包括系統(tǒng)的非線性特性和內(nèi)部參數(shù)的不確定性,還有電液調(diào)平液壓缸在調(diào)平過程中負(fù)載不斷變化以及受到外界環(huán)境干擾等。這些問題給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了困難,因此很多學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究[3]。通過對系統(tǒng)存在的負(fù)載干擾不確定性和模型非線性問題進(jìn)行研究,文獻(xiàn)[4-7]設(shè)計(jì)了一種模糊自適應(yīng)比例積分微分(proportional intergal derivative, PID)控制器,并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)的模糊自適應(yīng)控制下,系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤輸入信號(hào)。與傳統(tǒng)的PID方法相比,模糊PID具有更好的控制性能,具體表現(xiàn)為較短的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間和快速的響應(yīng),然而,模糊PID的魯棒性相對較差,穩(wěn)定性不夠好。滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種非線性控制方法,在處理參數(shù)時(shí)變和外界擾動(dòng)時(shí)具有穩(wěn)定的特性,實(shí)現(xiàn)起來也非常簡單,并且能夠快速響應(yīng)和具有很強(qiáng)的魯棒性[8]。文獻(xiàn)[9-13]中使用滑模控制方法來應(yīng)對系統(tǒng)非線性因素的影響,并有效地解決問題,然而,滑模開關(guān)函數(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生高頻切換,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)抖動(dòng),對控制器的輸出特性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,工程實(shí)際應(yīng)用上比較困難。文獻(xiàn)[14-18]將自適應(yīng)控制技術(shù)和反步設(shè)計(jì)方法相結(jié)合,消除了參數(shù)時(shí)變和外界擾動(dòng)對系統(tǒng)性能造成的影響,在電液伺服控制、電機(jī)控制和機(jī)器人控制等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

        根據(jù)以上情況,本文設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)反步滑??刂频淖灾餍旭傠娨赫{(diào)平系統(tǒng),以應(yīng)對非線性、參數(shù)不確定性和外界環(huán)境干擾等問題。為了解決系統(tǒng)的非線性模型,我們將其分解成多個(gè)子系統(tǒng),并選擇合適的Lyapunov函數(shù)和中間虛擬控制變量。通過層層遞推,最終得到系統(tǒng)的控制律和參數(shù)自適應(yīng)律,并對誤差收斂性進(jìn)行了證明。仿真結(jié)果顯示,該控制方法具有較快的系統(tǒng)響應(yīng)速度,強(qiáng)大的自適應(yīng)能力和魯棒性,并且能夠?qū)崿F(xiàn)精確跟蹤,減少了誤差。

        1 系統(tǒng)組成及工作原理

        自主行駛車身電液調(diào)平系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)主要由車身調(diào)平機(jī)構(gòu)與電液控制系統(tǒng)2個(gè)部分組成。車身調(diào)平機(jī)構(gòu)位于圖中左半部分,主要由車架、液壓缸、傾角傳感器、左支撐輪和右支撐輪組成。液壓缸的下端連接在支撐輪支架上,上端則連接在車架橫梁上。通過車架升降液壓缸的伸縮來控制車架的傾斜角度,從而實(shí)現(xiàn)車載式綠籬修剪機(jī)車身的自適應(yīng)調(diào)平。電液控制系統(tǒng)由液壓油箱、變量泵、單向閥、溢流閥、分流閥、電磁比例閥和控制器等組件構(gòu)成??刂破魍ㄟ^輸出信號(hào)來控制比例閥的開口大小和方向,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對液壓缸的伸縮控制。右側(cè)部分即為電液控制系統(tǒng)的示意圖。通過分流閥的同步原理,液壓系統(tǒng)可以保證調(diào)平油缸 2、4 的進(jìn)、出油量基本相同,使得2個(gè)油缸協(xié)同運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)調(diào)平控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),完成整機(jī)車身的調(diào)平。通過車架上安裝的傾角傳感器,電液控制系統(tǒng)能夠判斷車身是否傾斜。當(dāng)車身傾斜向左時(shí),電磁比例閥6的閥芯位置在左邊,而電磁比例閥7的閥芯位置在右邊,這樣,調(diào)平油缸2的活塞桿會(huì)向上運(yùn)動(dòng),調(diào)平油缸4的活塞桿會(huì)向下運(yùn)動(dòng)。同時(shí),調(diào)平油缸2、4的活塞桿會(huì)協(xié)同作用于調(diào)平控制機(jī)構(gòu),從而使得車載式綠籬修剪機(jī)車身能夠保持水平,跟隨調(diào)平控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車輛傾斜向右側(cè)時(shí),電磁比例閥6、7的閥芯位置與傾斜向左側(cè)時(shí)相反,從而能夠迅速調(diào)整車身平衡。在車身保持平衡的情況下,電磁比例閥6、7的閥芯將保持在中間位置,調(diào)節(jié)油缸2、4被鎖定,而電磁換向閥13則會(huì)實(shí)現(xiàn)卸荷操作,這樣就能確保車身一直保持水平。

        1-左支撐輪;2-左液壓油缸;3-車架;4-右液壓油缸;5-右支撐輪;6、7-電磁比例閥;8-液壓油箱;9-分流閥;10-溢流閥;11-單向閥;12-變量泵;13-電磁換向閥。圖1 自主行駛車身電液調(diào)平系統(tǒng)Fig.1 Structure diagram of the autonomous vehicle body electro-hydraulic leveling system

        2 電液調(diào)平系統(tǒng)非線性模型

        圖1中的θd為角度參考給定值,θ為輸出反饋值,系統(tǒng)通過控制輸入信號(hào)u,控制輸出角度信號(hào)θ跟蹤指定角度信號(hào)θd。車身調(diào)平機(jī)構(gòu)中液壓缸輸出位移xp與角度θ的關(guān)系式由幾何關(guān)系可以求出。根據(jù)自主行駛電液調(diào)平系統(tǒng)中幾何關(guān)系與液壓系統(tǒng)理論,建立電液調(diào)平方程。

        ① 車身調(diào)平機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)方程為

        xp=lsinθ,

        (1)

        式中l(wèi)=OA=OB,是車架寬度的一半。

        ② 比例閥流量方程為

        (2)

        式中:ρ是液壓油密度;PS是液壓泵出口壓力;PL是負(fù)載壓力;xv是比例閥芯位移;QL是負(fù)載流量;ω是比例閥面積梯度;Cd是閥口流量系數(shù)。其中比例閥芯位移xv與輸入u之間可以等效為比例關(guān)系,xv=kpu,其中kp為比例閥增益。

        ③ 車架升降液壓缸流量方程為

        (3)

        式中:βe為油液有效體積彈性模量;V是液壓缸進(jìn)回油側(cè)總體積;Ct是液壓缸外泄漏系數(shù);AP是液壓缸活塞有效面積。

        ④ 活塞力平衡方程為

        (4)

        式中:FL是作用在液壓缸活塞上的外負(fù)載力;k是負(fù)載的彈性剛度系數(shù);BP是活塞和負(fù)載的黏性阻尼系數(shù);Mt是活塞與負(fù)載的總質(zhì)量。

        根據(jù)式(2)—(4),最終得電液調(diào)平系統(tǒng)狀態(tài)方程,取狀態(tài)

        其中x1、x2、x3分別為液壓缸活塞的位移、速度和加速度。

        (5)

        式中:

        系統(tǒng)的不確定性F主要包括參數(shù)不確定性和外界干擾部分,這些不確定性會(huì)對系統(tǒng)的輸入和輸出產(chǎn)生影響。u為系統(tǒng)輸入,y為系統(tǒng)輸出。

        3 自適應(yīng)反步滑??刂破髟O(shè)計(jì)

        ① 定義活塞桿位置跟蹤誤差為

        e1=x1-x1d,

        (6)

        對e1求導(dǎo)得

        (7)

        取Lyapunov函數(shù)為

        (8)

        對式(8)求導(dǎo)得

        (9)

        ② 定義誤差變量e2=x2-x2d,其中x2d為虛擬控制量,取

        (10)

        代入式(9)得

        (11)

        對e2求導(dǎo)有

        (12)

        取Lyapunov函數(shù)為

        (13)

        對式(13)求導(dǎo)有

        (14)

        ③ 定義誤差變量e3=x3-x3d,其中x3d為虛擬控制量,取

        (15)

        代入式(14)得

        (16)

        ④ 與滑模控制相結(jié)合,在算法的最后一步,定義滑模面為

        s=c1e1+c2e2+e3,

        (17)

        式中c1、c2為大于0的常數(shù),且滿足多項(xiàng)式p2+c2p+c1為Hurwitz。

        對式(17)求導(dǎo)有

        (18)

        (19)

        對式(19)求導(dǎo)得

        (20)

        令ξ1=a1a4、ξ2=a2a4、ξ3=a3a4、ξ4=a4(a5+F),則式(20)可以化簡為

        (21)

        ⑤ 加入自適應(yīng)控制,實(shí)現(xiàn)參數(shù)估計(jì)

        (22)

        其中δi>0(i=1,2,3,4,5)。對式(22)求導(dǎo)有

        (23)

        自適應(yīng)滑??刂破魅?/p>

        (24)

        控制器使用飽和函數(shù)sat(s)來替代理想滑動(dòng)模態(tài)中的符號(hào)函數(shù)sgn(s),以減弱系統(tǒng)的抖振。此處,ε>0,η>0且為常數(shù)

        (25)

        在該公式中,函數(shù)邊界層φ被分為2個(gè)部分:邊界層外部采用切換控制方法,而邊界層內(nèi)部則采用線性化反饋控制。

        (26)

        (27)

        式(23)可以化簡為

        (28)

        (29)

        將式(29)代入式(28)得

        (30)

        其中:E=(e1,e2,e3)T;

        下面對系統(tǒng)跟蹤誤差的收斂性進(jìn)行證明。

        定理1對于電液比例非線性系統(tǒng)(5),參數(shù)自適應(yīng)律為式(29),本文設(shè)計(jì)的控制器為式(24),選用合適的控制器參數(shù)c1、c2、k1、k2和ε,只要滿足以下不等式:

        (31)

        則整個(gè)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的,意味著系統(tǒng)的位移跟蹤誤差將會(huì)收斂。

        證明當(dāng)控制器參數(shù)c1、c2、k1、k2和ε滿足式(31)時(shí),矩陣Q的一、二、三階順序主子式全部大于0,從而得出該矩陣Q正定。

        因?yàn)閑1、e2、e3以及

        4 仿真驗(yàn)證與分析

        根據(jù)自主行駛電液調(diào)平系統(tǒng)的實(shí)際工況,給出電液調(diào)平系統(tǒng)模型參數(shù)值(見表1)。

        表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters

        考慮到自主行駛電液調(diào)平系統(tǒng)作業(yè)時(shí)的實(shí)際工況,給出參考角度輸入信號(hào)為θd=20°的階躍信號(hào),因?yàn)榭刂破髟O(shè)計(jì)的是跟蹤液壓缸活塞桿的位移,所以可以通過公式(1)得到液壓缸活塞桿位移參考曲線xp。在調(diào)平過程中,系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù),如負(fù)載質(zhì)量和黏性阻尼系數(shù)等,會(huì)在工作狀況改變時(shí)緩慢變化,特別是負(fù)載的彈性剛度系數(shù)很難準(zhǔn)確獲得數(shù)值時(shí)。彈性外負(fù)載力會(huì)隨車身傾斜的變化而改變。假設(shè)這些變化為某一不確定性,將該不確定性設(shè)為系統(tǒng)的總不確定性。假設(shè)外負(fù)載力變化為FL=FL0+0.1FL0sin(πt),設(shè)系統(tǒng)總的不確定性為F=5 000 sin(πt)。

        采用MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真研究,驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)反步滑??刂破鞯挠行院汪敯粜?。所設(shè)計(jì)的控制器采用特定的自適應(yīng)律參數(shù),并進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。設(shè)計(jì)的控制器與自適應(yīng)律參數(shù)選為:k1=500,k2=600,ε=450,η=5,c1=1,c2=2,δ1=30,δ2=500,δ3=400,δ4=5,δ5=90。

        在本仿真實(shí)驗(yàn)中,我們將系統(tǒng)的初值設(shè)定為0,并通過仿真驗(yàn)證得到了以下結(jié)果。角度跟蹤曲線比較如圖2所示。從圖2中可以明顯看出,自適應(yīng)反步滑??刂破鞯男阅芤獌?yōu)于傳統(tǒng)PID控制器的性能。在本文提出的控制器的作用下,系統(tǒng)大約在1.2 s就達(dá)到了平衡狀態(tài),比PID控制器快了整整5倍。2種控制器跟蹤誤差的比較如圖3所示。由圖3可知,2種控制器跟蹤誤差都在1°以內(nèi),本文設(shè)計(jì)的控制器跟蹤誤差更小。圖4、圖5是2種控制器的輸入曲線。從圖4、圖5可知,自適應(yīng)反步滑模控制的輸入要略大于PID控制輸入,與實(shí)際情況相符合,本文設(shè)計(jì)的控制器控制精度更高,響應(yīng)更快,但相應(yīng)輸入會(huì)更大。通過觀察圖5,我們可以得出結(jié)論:在實(shí)際工程應(yīng)用中,滑??刂拼嬖诙墩駟栴}。針對這個(gè)問題,本文采用了一種用飽和函數(shù)替代傳統(tǒng)滑??刂浦蟹?hào)函數(shù)的思想,通過這種方法使得控制輸入變得平滑,有效地減弱了系統(tǒng)的抖動(dòng)。圖6展示了在系統(tǒng)存在不確定情況下自適應(yīng)反步滑??刂破骰C孚吔倪^程。圖7至圖11展示了具有不確定參數(shù)的自適應(yīng)估計(jì)曲線。通過觀察這些圖可以得出結(jié)論,不確定參數(shù)的自適應(yīng)估計(jì)是有界的??刂破骺梢愿鶕?jù)系統(tǒng)的不確定性和外界干擾進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,從而使系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和強(qiáng)魯棒性。

        圖2 角度跟蹤曲線比較Fig.2 Comparison of angle tracking curves

        圖3 角度跟蹤誤差曲線比較Fig.3 Comparison of angle tracking error curves

        圖4 PID控制輸入電壓Fig.4 Input voltage of PID control

        圖5 自適應(yīng)反步滑模控制輸入電壓Fig.5 Input voltage of adaptive backstepping sliding mode control

        圖6 滑模面趨近過程Fig.6 Sliding surface approaching process

        5 結(jié)論

        本文設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)反步滑??刂频淖灾餍旭傠娨赫{(diào)平系統(tǒng),該系統(tǒng)通過傾角傳感器來測量車身的傾斜角度,并通過控制器計(jì)算得出的結(jié)果控制電磁比例閥的開口大小,從而驅(qū)動(dòng)左、右液壓缸的升降,最終實(shí)現(xiàn)綠籬修剪機(jī)車身的自動(dòng)調(diào)平功能。應(yīng)用相關(guān)的動(dòng)力學(xué)分析,可以建立一個(gè)非線性模型來描述電液調(diào)平系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)面臨著非線性、參數(shù)不確定性以及來自外界環(huán)境的干擾等問題。為了解決這些問題,我們設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)反步滑??刂破?該控制器可以有效地克服系統(tǒng)參數(shù)不確定性和外界環(huán)境干擾所帶來的影響。同時(shí),該控制器具備很強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性。通過仿真驗(yàn)證得出:相較于傳統(tǒng)PID控制方法,采用自適應(yīng)反步滑??刂品椒ㄔ诳刂菩阅芊矫娓邇?yōu)勢。通過采用自適應(yīng)反步滑??刂品椒?系統(tǒng)調(diào)平時(shí)間縮短了1/5,誤差保持在1°以下。此外,該方法還表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性,并且調(diào)平過程非常穩(wěn)定。

        猜你喜歡
        系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        Smartflower POP 一體式光伏系統(tǒng)
        WJ-700無人機(jī)系統(tǒng)
        ZC系列無人機(jī)遙感系統(tǒng)
        北京測繪(2020年12期)2020-12-29 01:33:58
        何為設(shè)計(jì)的守護(hù)之道?
        《豐收的喜悅展示設(shè)計(jì)》
        流行色(2020年1期)2020-04-28 11:16:38
        基于PowerPC+FPGA顯示系統(tǒng)
        半沸制皂系統(tǒng)(下)
        瞞天過?!律O(shè)計(jì)萌到家
        連通與提升系統(tǒng)的最后一塊拼圖 Audiolab 傲立 M-DAC mini
        設(shè)計(jì)秀
        海峽姐妹(2017年7期)2017-07-31 19:08:17
        国产精品女丝袜白丝袜美腿| bbbbbxxxxx欧美性| 亚洲国产AⅤ精品一区二区不卡| 精品国产自拍在线视频| 亚洲一区有码在线观看| 国产人妖伦理视频在线观看 | 国产极品少妇一区二区| 国产精品三级av及在线观看 | 欧美亚洲国产精品久久高清| 亚洲无码a∨在线视频| 人人妻人人澡av| 在线日本国产成人免费精品| 日本少妇又色又爽又高潮| 影音先锋色小姐| 成 人 免费 黄 色 视频| 欧美日韩人妻| 91狼友在线观看免费完整版| 国产99久久久国产精品免费| 亚洲中文字幕午夜精品| 亚洲精品久久| 性欧美大战久久久久久久久| 国产极品美女高潮抽搐免费网站| 国产精品女同久久久久久| 色偷偷亚洲精品一区二区| 插入日本少妇一区二区三区| 亚洲欧美中文字幕5发布| 无码丰满少妇2在线观看| 免费一级a毛片在线播出| 色妞一区二区三区免费视频| 国产av无码专区亚洲av麻豆| 越猛烈欧美xx00动态图| 欧美在线成人午夜网站| 巨臀精品无码AV在线播放| 国产超碰在线91观看| 三个男吃我奶头一边一个视频| 好看的欧美熟妇www在线| 久久青青热| 国产精品不卡免费版在线观看| 一区二区三区四区草逼福利视频 | 国产午夜av一区二区三区| 国产女同va一区二区三区|