一种基于扩张状态观测器的Stewart平台主动隔振PD控制方法技术

一种基于扩张状态观测器的Stewart平台主动隔振PD控制方法，本发明专利技术涉及PD控制方法。本发明专利技术是要解决控制策略的制定较为简单，控制精度有待提高、没有考虑系统的不确定性挠性附件的影响、没有考虑平台的结构非线性以及控制算法的设计过程具有任意性的问题而提出的一种基于扩张状态观测器的Stewart平台主动隔振PD控制方法。该方法是通过一、建立Stewart平台的动力学模型；二、建立Stewart平台的六个执行机构的动力学模型；三、得到Stewart平台的状态空间；四、确定观测器对系统状态的观测误差为收敛的观测误差；五、设计基于扩张观测器的PD控制器等步骤实现的。本发明专利技术应用于PD控制方法领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及Stewart平台主动隔振PD控制方法，特别设及一种基于扩张状态观测 器的Stewart平台主动隔振PD控制方法。
技术介绍
当今航天器面临的空间任务越来越多种多样，需要携带大量的测量或通讯设备， 因此导致航天器自身结构日益复杂，且低频模态密集，同时运些所装载的敏感载荷往往有 很高的指向精度和稳定度需求。如果只针对航天器本体进行姿态控制，已经很难完成越来 越高的任务要求，需要寻求其他的方案来对保证敏感载荷的稳定性，而对其进行多自由度 隔振是近期研究的热点，在众多方案中Stewart平台由于其特殊的结构特性，使得其非常 适合对敏感载荷进行6自由度振动隔离和微操作，国内外许多学者都对此进行了深入研 究。.lEEProceedings-ControlTheoryand Applications, 2004, 151 (1) :95-102.提出 了一种非线性PID控制方法，W实现Stewart平 台的高精度姿态跟踪。建立六自由度Stewart平台的运动学模型，并基于该模型采用非线 性PID控制方法，最后进行了实验验证。但从运动学方程的建立过程可W看出，该方案只对 关节空间进行建模，并没有对操作平台运动特性进行动力学建模分析，由于采用传统的PID 控制作为核屯、控制方案，导致控制效果并不理想。 文献ZhangY,ZhangJ.Theimagingstabilityenhancementofoptical payloadusingmultiplevibrationisolationplatforms.Journalof Vibration&Control, 2013.着重介绍了含有多个Steward隔振平台的航天器建模方案，并 对进行了频域及稳定性分析。但文中采用的隔振方法属于被动隔振的范畴，仅能隔离特定 频率的振动，不能对全频带的振动进行隔离，隔振效果有限，同时在建模过程中进行了较大 程度上的化简，没有考虑系统的未建模不确定性W及晓性附件的影响。 文献YangT,MaJ,HouZG,etal.Robustbackste卵ingcontrolofactive vibrationisol曰tionusing曰stew曰rtpi曰tform//IEEEInternationalConference onRoboticsandAutomation.I邸E, 2009:1788-1793.利用化wton-Euler方法建立了义用 音圈电机作为作动器的平台模型，并对平台进行解禪处理，将其等效成6个单入单出的通 道设计了基于Lyapunov稳定性的非线性鲁棒控制算法，W克服系统的不确定性。但文中仅 考虑了平台的几何非线性并没有考虑平台的结构非线性，也没有对不确定性的来源进行深 入分析，且控制算法的设计过程具有任意性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术没有对操作平台进行详细建模分析，控制策略 的制定较为简单，控制精度有待提高、控制效果有限、没有考虑系统的不确定性晓性附件的 影响、没有考虑平台的结构非线性W及控制算法的设计过程具有任意性的问题而提出的一 种基于扩张状态观测器的Stewart平台主动隔振PD(p;ropo;rtiondifferentiation)控制 方法。 上述的专利技术目的是通过W下技术方案实现的： 步骤一、设Stewart平台上平面绕Stewart平台的X轴W角度庐进行转动， Stewart平台上平面绕Stewart平台的Y轴W角度0进行转动，Stewart平台上平面绕 Stewart平台的Z轴^角度1]^进行转动，由化巧1:〇]1-611161'方法建立Stewart平台的动力学 模型如式（1)所示： 其中，乂 = (-r，.;'，；，口,0，!/')'为Stewart平台上的广义位置向量，X,y和Z分别为 Stewart平台上平面在X，Y和Z轴上的位移；MGRsxe为Stewart平台的惯性矩阵；R为实 数；BGRsxe为Stewart平台的阻尼矩阵；KGRsxe为Stewart平台的刚度矩阵；CGR6为 Stewart平台所受向屯、力；义e货6为Stewart平台柯氏加速度向量且为X-阶导数；f为Stewart平台柯氏加速度向量且为X二阶导数；AsGR6为模型不确定性，XGR6为6个 支杆的执行机构产生的广义驱动力；WgGR6为外部振动引起的干扰向量； 步骤二、根据音圈驱动电机的电压平衡方程，建立Stewart平台的六个执行机构 的动力学模型如式（2)所示：[001引其中，L为电感系数；R为直流电机的电阻，K。为电机的反电动势；AmGR6为电机 的音圈电机的不确定性；U为基于扩张状态观测器的PD控制器；WmGR6为电机中外部振动 引起的干扰向量J为雅克比矩阵；i为音圈电机线圈的电流强度；i为im的一阶导数； 步骤立、根据Stewart平台的动力学模型和Stewart平台的六个执行机构的动力 学模型计算得到Stewart平台的状态空间； 步骤四、由Stewart平台的状态空间，设计Stewart平台扩张状态观测器计算扩张 状态观测器确定扩张状态观测器对系统状态的观测误差为收敛的观测误 差； 步骤五、根据扩张观测器的观测量与和鳥设计基于扩张状态观测器的PD控制 器，利用PD控制器抑制外界的干扰扰动从而进行Stewart平台的隔振控制； 其中，kp为PD控制器的比例系数；kd为PD控制器的微分系数；xi=X;去2:为X2 的观测状态，烏为X4的观测状态；A：, =/;基于扩张状态观测器的PD控制器具体为：[001 引口、[001引专利技术效果 本专利技术考虑6自由度主被动隔振问题，设计了基于立方体构型的Stewart平 台的主被动隔振算法，首先建立W音圈电机为执行机构的Stewart平台的运动学和动 力学模型并对模型进行合理变换，将平台等效成6个单入单出的子系统，考虑到实际应 用中的传感器的数量和设备的成本问题，设计了基于扩张状态观测器的PD(propodion differentiation)主被动隔振控制器，并给出了考虑扩张状态观测器收敛性时的参数设计 准则，所设计的控制算法与被动隔振相比，极大地提高了平台的隔振效果同时有效减少了 所需传感器的数量。 与上述算法相比，本专利技术具有W下优点： ①很多方法都没有考虑执行机构，而本专利技术详细建立了音圈电机作动器的动力学 方程； ②大部分控制方法都是基于关节空间进行设计的，控制精度有限，而本专利技术基于 工作空间进行控制，控制精度更高； ③本专利技术考虑基于工作空间设计的控制算法的平台广义速度的不可测性，采用扩 张状态观测器来观测广义速度信息，降低了实际应用中操作平台的复杂度和成本。 由图6~8可知，扩张状态观测器能在有限的时间内跟踪上系统的广义位置和速 度信号，且扩张出的状态可W估计出外部干扰。在只考虑被动隔振的情况下，本专利技术的立方 体构型的Stewart平台对宽频带内的正弦干扰和随机噪声干扰都有很好的隔振效果。加入 基于扩张状态观测器的PD主动隔振后，隔振效果都有明显的改善，稳态误差有一个数量级 的提升，尤其是对中高频的正弦干扰和随机噪声干扰。 通过本专利技术的建立Stewart平台的动力学模型和Stewart平台的六个执行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于扩张状态观测器的Stewart平台主动隔振PD控制方法，其特征在于一种基于扩张状态观测器的Stewart平台主动隔振PD控制方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、设Stewart平台上平面绕Stewart平台的X轴以角度进行转动，Stewart平台上平面绕Stewart平台的Y轴以角度θ进行转动，Stewart平台上平面绕Stewart平台的Z轴以角度ψ进行转动，由Newton‑Euler方法建立Stewart平台的动力学模型如式(1)所示：Mχ··+Cχ·+Bχ·+Kχ+Δs=τ+ws---(1)]]>其中，为Stewart平台上的广义位置向量，x,y和z分别为Stewart平台上平面在X,Y和Z轴上的位移；M∈R6×6为Stewart平台的惯性矩阵；R为实数；B∈R6×6为Stewart平台的阻尼矩阵；K∈R6×6为Stewart平台的刚度矩阵；C∈R6为Stewart平台所受向心力；为Stewart平台柯氏加速度向量且为χ一阶导数；为Stewart平台柯氏加速度向量且为χ二阶导数；Δs∈R6为模型不确定性，τ∈R6为6个支杆的执行机构产生的广义驱动力；ws∈R6为外部振动引起的干扰向量；步骤二、根据音圈驱动电机的电压平衡方程，建立Stewart平台的六个执行机构的动力学模型如式(2)所示：Li·m+Rim+KeJχ·+Δm=u+wm---(2)]]>其中，L为电感系数；R为直流电机的电阻，Ke为电机的反电动势；Δm∈R6为电机的音圈电机的不确定性；u为基于扩张状态观测器的PD控制器；wm∈R6为电机中外部振动引起的干扰向量；J为雅克比矩阵；im为音圈电机线圈的电流强度；为im的一阶导数；步骤三、根据Stewart平台的动力学模型和Stewart平台的六个执行机构的动力学模型计算得到Stewart平台的状态空间；步骤四、由Stewart平台的状态空间，设计Stewart平台扩张状态观测器计算扩张状态观测器确定扩张状态观测器对系统状态的观测误差为收敛的观测误差；步骤五、根据扩张观测器的观测量和设计基于扩张状态观测器的PD控制器，利用PD控制器抑制外界的干扰扰动从而进行Stewart平台的隔振控制；其中，kp为PD控制器的比例系数；kd为PD控制器的微分系数；x1＝χ；为x2的观测状态，为x4的观测状态；基于扩张状态观测器的PD控制器具体为：u=Kpx1+Kdx^2-x^4---(7).]]>...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙延超，马广富，高寒，马晶晶，陈亮名，李传江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23