子午線輪胎生產(chǎn)線機(jī)械臂伺服系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法研究

子午線輪胎生產(chǎn)線機(jī)械臂伺服系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法研究

摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械臂在各種生產(chǎn)線中得到了廣泛應(yīng)用。子午線輪胎生產(chǎn)線中，機(jī)械臂是實(shí)現(xiàn)輪胎自動(dòng)化生產(chǎn)的重要設(shè)備之一。為了提高機(jī)械臂的控制精度和自適應(yīng)能力，本文研究了一種基于模型參考自適應(yīng)控制方法的機(jī)械臂伺服系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法。通過建立機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型和機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型，利用自適應(yīng)控制理論中的模型參考自適應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。仿真結(jié)果表明，該自適應(yīng)控制方法可以提高機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的控制精度和魯棒性。

關(guān)鍵詞：子午線輪胎生產(chǎn)線；機(jī)械臂伺服系統(tǒng)；自適應(yīng)控制；模型參考自適應(yīng)控制

一、引言

子午線輪胎生產(chǎn)線是現(xiàn)代輪胎制造工藝中的重要環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)效率和質(zhì)量直接關(guān)系到輪胎的性能和可靠性。機(jī)械臂作為重要的自動(dòng)化設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于子午線輪胎生產(chǎn)線中，具有高速、高精度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。因此，提高機(jī)械臂的控制精度和自適應(yīng)能力，對(duì)于提高子午線輪胎生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有重要意義。

目前，機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法已經(jīng)成為機(jī)械臂控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。自適應(yīng)控制是指在未知或者不確定的環(huán)境中，根據(jù)系統(tǒng)的輸出和系統(tǒng)模型的適應(yīng)性調(diào)整控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。自適應(yīng)控制方法具有一定的魯棒性和適應(yīng)性，可以有效地解決機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的不確定性和非線性特性。目前，常用的自適應(yīng)控制方法包括模型參考自適應(yīng)控制、自抗擾控制等。

本文研究的是基于模型參考自適應(yīng)控制方法的子午線輪胎生產(chǎn)線機(jī)械臂伺服系統(tǒng)自適應(yīng)控制。在子午線輪胎生產(chǎn)線中，機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是將輪胎從一個(gè)工位傳送到另一個(gè)工位，需要實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制和快速的速度響應(yīng)。然而，由于機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的負(fù)載變化較大，系統(tǒng)的參數(shù)不確定性較高，傳統(tǒng)的控制方法往往難以滿足要求。因此，本文采用模型參考自適應(yīng)控制策略，通過對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的建立和模型參考自適應(yīng)控制律的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。

二、機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型

機(jī)械臂伺服系統(tǒng)是由電機(jī)、減速器、傳感器和控制裝置等組成的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的自適應(yīng)控制，首先需要建立機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文采用狀態(tài)空間模型描述機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，狀態(tài)空間模型可以描述機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出之間的關(guān)系。

假設(shè)機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的輸入為電機(jī)的電壓，輸出為機(jī)械臂的位置。根據(jù)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程和電機(jī)的模型，可以得到機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型如下：

$$\begin{cases}

\dot{x}(t)=Ax(t)+Bu(t)\\

y(t)=Cx(t)+Du(t)

\end{cases}$$

其中，$x(t)$為系統(tǒng)的狀態(tài)向量，包括機(jī)械臂的位置和速度等信息；$u(t)$為系統(tǒng)的輸入，即電機(jī)的電壓；$y(t)$為系統(tǒng)的輸出，即機(jī)械臂的位置；$A$、$B$、$C$、$D$為系統(tǒng)的系數(shù)矩陣，根據(jù)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和電機(jī)模型可以確定。

三、模型參考自適應(yīng)控制律設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)控制，本文采用模型參考自適應(yīng)控制策略。模型參考自適應(yīng)控制方法是一種基于模型的自適應(yīng)控制方法，其基本思想是通過將系統(tǒng)參考模型的輸出與實(shí)際輸出之間的誤差作為自適應(yīng)參數(shù)的參考信號(hào)，調(diào)整控制器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

設(shè)計(jì)模型參考自適應(yīng)控制律，需要首先確定系統(tǒng)的參考模型和適應(yīng)引導(dǎo)規(guī)律。在本文中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂伺服系統(tǒng)位置的精確控制，參考模型被選為一階慣性模型。適應(yīng)引導(dǎo)規(guī)律采用最小均方誤差準(zhǔn)則，即選擇自適應(yīng)參數(shù)使系統(tǒng)輸出與參考模型的輸出之間的均方誤差最小。

經(jīng)過推導(dǎo)和計(jì)算，本文得到了機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)控制律如下：

$$u(t)=K_1\hat{x}(t)+K_2(\hat{x}(t)-x(t))$$

其中，$u(t)$為系統(tǒng)的輸入，即電機(jī)的電壓；$\hat{x}(t)$為參考模型的輸出；$x(t)$為系統(tǒng)的狀態(tài)向量；$K_1$、$K_2$為系統(tǒng)的控制參數(shù)，通過自適應(yīng)引導(dǎo)規(guī)律實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

四、仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所提出的自適應(yīng)控制方法的有效性，本文進(jìn)行了子午線輪胎生產(chǎn)線機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)的控制參數(shù)和外部干擾均是未知的，并且系統(tǒng)的負(fù)載會(huì)發(fā)生突變。

通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

1.所提出的自適應(yīng)控制方法可以有效地降低機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的位置誤差。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或者外部干擾增加時(shí)，控制器能夠根據(jù)參考模型輸出和實(shí)際輸出的差異調(diào)整控制參數(shù)，使系統(tǒng)的輸出能夠迅速收斂到參考模型的輸出，從而實(shí)現(xiàn)位置的精確控制。

2.所提出的自適應(yīng)控制方法具有一定的魯棒性。即使在系統(tǒng)參數(shù)變化較大或者外部干通過對(duì)機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，本文驗(yàn)證了所提出的自適應(yīng)控制方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法能夠有效降低系統(tǒng)的位置誤差，并能夠在系統(tǒng)參數(shù)變化或外部干擾增加時(shí)自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，使系統(tǒng)的輸