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摘要本文研究了具有高度非线性的气动伺服系统位置跟踪控制问题。系统的建模考虑了系统执行器的摩擦力对活塞与负载的运动的影响。采用终端滑模和加幂积分相结合的方法，设计了状态反馈控制器，并用Lyapunov稳定性理论证明了该控制器作用下闭环系统的全局有限时间稳定性。实际应用中，系统的状态并非都是可以测量的。为估计系统不可测量的状态，文中设计了局部有限时间收敛的非线性全文状态观测器，并给出了观测器的稳定性证明。然后，基于上述设计的观测器和状态反馈控制器，给出了气动伺服系统的输出反馈控制器。数值仿真结果验证了所提出方法的有效性。
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关键词 气动伺服系统 有限时间收敛 状态反馈 观测器 输出反馈 MATLAB 19371
毕业设计说明书（论文）外文摘要
Title The preliminary research on finite-time control system
Abstract
The position tracking control of the highly nonlinear Pneumatic Servo System is investigated in this paper. The model of the system considers the friction effect of the actuator on the piston and load’s movement. By using the methods of terminal sliding mode and adding a power integrator, the author designs a state feedback controller, and proves the global finite-time stability of the closed-loop system via Lyapunov stability theory. In practice, the system’s states are not all measurable. To estimate the unmeasurable states, an all-dimension observer with local finite-time convergence is given. Moreover, the stability of the observer is proved. Then, based on the proposed state feedback controller and observer, an output feedback controller is developed. Numerical simulation results verify the effectiveness of the proposed method.
Keywords Pneumatic Servo System Finite-time Convergence State Feedback Observer Output Feedback MATLAB
目 次
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 论文主要内容 2
1.3 论文结构安排 3
2 预备知识 4
2.1 连续系统稳定性及相关概念 4
2.2 齐次性定义及相关概念 6
2.3 相关引理 6
2.4 本章小结 8
3 气动伺服系统建模 9
3.1 比例伺服阀模型 9
3.2 气缸模型 11
3.3 摩擦力模型 13
3.4 气动伺服系统状态方程 14
3.5 本章小结 15
4 控制器设计 16
4.1 状态反馈控制器设计 16
4.2 观测器设计 18
4.3 输出反馈控制器设计 20
4.4 本章小结 20
5 数值仿真结果与分析 21
5.1 状态反馈闭环系统仿真 21
5.2 输出反馈闭环系统仿真 23
5.3 本章小结 27
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
附录A 32
附录B 36
1 绪论
1.1 研究背景与意义
2000多年前，埃及人扬帆远航，沿尼罗河逆流而上，18世纪中叶的蒸汽机发明以前，水路交通几乎都直接借助风力。利用空气作为动力进行工作的历史可追溯到远古，而气压传动技术大约产生于1776年，John Wilkinson发明的空气压缩机。此后，气压传动技术逐步发展并应用于多个领域，如采矿业的气动风钻，火车的气压制动设备等，这些应用显示出了气压传动的快速、简单、安全与可靠的优点。目前，人们把气压传动作为一种低成本的工业自动化方式应用于采矿、汽车制造、冶金、石油勘探、机床控制及铁路交通等领域。