基于视觉伺服的滑模控制及其振动模型补偿技术在二自由度球平衡系统中的轨迹跟踪应用 Mohammed Abdeldjalil Djehaf、Ahmed Hamet Sidi 和 Youcef Islam Djilani Kobibi

《Vibration》：Visual Servoing Sliding Mode Control with Vibration Model Compensation for Trajectory Tracking in a 2-DOF Ball Balancer System Mohammed Abdeldjalil Djehaf, Ahmed Hamet Sidi and Youcef Islam Djilani Kobibi

　　

摘要

球平衡器是一种非线性的、机电耦合的、多变量的、开环不稳定系统，广泛应用于研究实验室、航空航天、军事和汽车工业中，用于评估控制机制的有效性。由于精确控制球体位置的内在难度，再加上执行器饱和以及系统对干扰的敏感性，轨迹跟踪一直是一个长期存在的挑战。传统控制器通常会出现振荡现象，且稳态误差超出可接受范围。滑动模控制（SMC）能在模型不确定性面前表现出较强的鲁棒性；然而，由于切换过程中的不完美、时间延迟以及执行器动态特性，滑动表面附近仍会发生抖动性有限频率、有限幅度的振荡，这成为了一个重要限制。本研究通过将显式振动模型补偿集成到SMC设计中，来解决这一问题，适用于2自由度的球平衡器系统，并采用了视觉伺服技术。该系统采用了双环控制架构：内环负责伺服角位置控制，外环通过视觉伺服反馈来管理球体位置跟踪。设计的滑动模控制器采用了功率速率到达律（Power Rate Reaching Law），生成了两种控制律——一种包含阻尼和刚度项的显式振动模型补偿控制律，另一种则没有这些补偿项。实验验证表明，采用补偿方案的SMC在稳态误差（0.034毫米 vs 0.386毫米）和超调量（3.95% vs 13.81%）方面均有显著改善，抖动幅度也降低了约72%。