伺服驱动系统机械参数辨识与振荡抑制技术研究
发布时间：2020-10-16 04:05
伺服驱动系统是工业自动化最为重要的控制和执行机构之一,在数控机床、机器人、航天军事等领域得到广泛应用。近年来,国产伺服技术研发水平不断提高,其市场占有率增长迅速。伺服驱动越来越多需要响应机械的需求,如弹性连接、间隙、机器安全等等,这些问题所带来的技术难点目前仍然处于探索阶段,国内外商用伺服相应技术的研究均缺乏亮点。本论文针对驱动系统结构不确定及机械参数未知、机械谐振引起的安全性、间隙非线性等问题展开关键技术的研究,从而为研发更高性能伺服驱动产品提供新的理论与实践探索,对实现国产伺服技术的赶超及引领具有重要意义。具体研究内容包括:首先,针对伺服驱动系统机械参数未知及结构不确定问题,本论文利用最小二乘技术辨识系统机械参数,并提出基于评价函数的系统结构辨识方法,从而实现伺服驱动系统机械参数与结构的双重辨识。分别建立单惯量与双惯量系统结构模型,根据最小二乘原理,辨识系统中惯量、阻尼、刚度等机械参数。然后,假定系统为双惯量结构,依据电机本体惯量的辨识结果建立评价函数,并确定负载系统结构,从而实现系统机械参数与结构的双重辨识,并为后续关键技术的研究提供准确的系统模型。然后,以双惯量弹性系统模型为被控对象,依次研究比例积分(Proportional integral,PI)控制、模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)以及显示模型预测(Explicit Model Predictive Control,EMPC)-比例积分切换控制,从而抑制系统机械谐振并实现轴矩限幅控制。首先依据相同阻尼系数的极点配置法整定PI控制器参数,但有限的极点配置范围使得该方法并不能有效抑制机械谐振现象。在此基础上,研究MPC控制器并简化为半离线半在线计算的EMPC。为了拓展算法在伺服产品中的应用范围,首次提出EMPC-PI切换控制方法,以速度误差滞环作为切换条件,经实验验证,该算法在抑制机械谐振、实现轴矩限幅的同时,兼顾快速的动态响应。进一步,当传动装置中含有齿轮或者滚珠丝杠等部件时,会为系统引入间隙非线性。本文在速度环下分析间隙机理,并提出自适应轴矩补偿策略,从而抑制间隙。首先将间隙非线性建模为死区,并利用描述函数法对其进行机理分析,表明间隙的存在会等效降低轴刚度,同时降低系统谐振频率并加剧振荡幅值。然后,提出一种自适应轴矩补偿算法,通过反馈与补偿参数的设计,使系统等效为单惯量刚性系统,从而抑制间隙引起的振荡,并实现轴矩限幅控制。进一步结合负载惯量辨识技术来提高算法的自适应性。最后,将间隙在速度环的研究拓展到位置环,针对全闭环系统中的极限环振荡现象进行机理分析并提出抑制措施。利用描述函数法结合Nyquist稳定判据推导极限环频率表达式,并分析系统机械参数对极限环特性的影响。为了抑制极限环振荡,采用基于极点配置的线性状态反馈控制手段,将系统等效补偿为单惯量刚性系统,从而抑制极限环振荡。最终,实验结果证明所提出方法能够在不同工况下有效抑制极限环振荡。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM921.541;TH112
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 课题相关国内外研究现状
1.2.1 系统辨识策略研究现状
1.2.2 机械谐振抑制及轴矩限幅控制研究现状
1.2.3 间隙非线性分析及补偿策略研究现状
1.2.4 全闭环系统中的极限环机理分析与抑制研究现状
1.3 本文主要研究内容
第2章 伺服驱动系统机械参数与结构辨识
2.1 引言
2.2 伺服驱动系统数学模型的建立
2.2.1 单惯量刚性系统建模
2.2.2 双惯量弹性系统建模
2.3 系统机械参数辨识
2.3.1 递推最小二乘原理
2.3.2 单惯量系统的机械参数辨识原理
2.3.3 双惯量系统的机械参数辨识原理
2.4 系统模型结构辨识
2.5 驱动系统辨识实验验证
2.5.1 对拖实验平台
2.5.2 参数辨识算法的计算时间测试
2.5.3 驱动系统辨识实验结果及分析
2.6 本章小结
第3章 双惯量系统机械谐振抑制及轴矩限幅控制
3.1 引言
3.2 基于极点配置法的PI控制器参数优化
3.3 模型预测控制MPC策略
3.3.1 MPC在线计算原理
3.3.2 EMPC半离线半在线计算原理
3.3.3 轴矩限幅的制约条件
3.4 EMPC-PI切换控制器的设计
3.4.1 DSP数据存储空间测试
3.4.2 切换条件的设计
3.5 谐振抑制及轴矩限幅控制实验验证
3.5.1 谐振实验平台
3.5.2 工程法设计PI控制实验结果及分析
3.5.3 极点配置法优化的PI控制实验结果及分析
3.5.4 EMPC-PI控制效果及鲁棒性分析
3.6 本章小结
第4章 间隙非线性振荡机理分析及补偿
4.1 引言
4.2 含间隙非线性的双惯量系统模型建立
4.2.1 间隙非线性建模
4.2.2 含间隙双惯量系统建模
4.3 间隙非线性振荡的机理分析
4.4 自适应轴矩补偿算法
4.4.1 低通滤波器的改进
4.4.2 轴矩补偿策略参数的设计
4.4.3 自适应性分析
4.5 自适应轴矩补偿策略实验验证
4.5.1 间隙实验平台
4.5.2 陷波滤波器实验结果及分析
4.5.3 自适应轴矩补偿策略实验结果及分析
4.6 本章小结
第5章 全闭环系统中极限环振荡机理分析及抑制
5.1 引言
5.2 半闭环与全闭环控制结构分析
5.2.1 半闭环控制结构特征
5.2.2 全闭环控制结构特征
5.3 极限环振荡的机理分析
5.3.1 极限环频率推导
5.3.2 系统参数对极限环的影响
5.4 基于状态反馈控制的极限环抑制策略
5.4.1 状态反馈控制结构
5.4.2 状态反馈系数设计
5.4.3 状态反馈策略仿真分析
5.5 极限环机理分析及抑制实验验证
5.5.1 极限环特性的实验结果及分析
5.5.2 极限环抑制的实验结果及分析
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】
本文编号：2842733
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM921.541;TH112
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 课题相关国内外研究现状
1.2.1 系统辨识策略研究现状
1.2.2 机械谐振抑制及轴矩限幅控制研究现状
1.2.3 间隙非线性分析及补偿策略研究现状
1.2.4 全闭环系统中的极限环机理分析与抑制研究现状
1.3 本文主要研究内容
第2章 伺服驱动系统机械参数与结构辨识
2.1 引言
2.2 伺服驱动系统数学模型的建立
2.2.1 单惯量刚性系统建模
2.2.2 双惯量弹性系统建模
2.3 系统机械参数辨识
2.3.1 递推最小二乘原理
2.3.2 单惯量系统的机械参数辨识原理
2.3.3 双惯量系统的机械参数辨识原理
2.4 系统模型结构辨识
2.5 驱动系统辨识实验验证
2.5.1 对拖实验平台
2.5.2 参数辨识算法的计算时间测试
2.5.3 驱动系统辨识实验结果及分析
2.6 本章小结
第3章 双惯量系统机械谐振抑制及轴矩限幅控制
3.1 引言
3.2 基于极点配置法的PI控制器参数优化
3.3 模型预测控制MPC策略
3.3.1 MPC在线计算原理
3.3.2 EMPC半离线半在线计算原理
3.3.3 轴矩限幅的制约条件
3.4 EMPC-PI切换控制器的设计
3.4.1 DSP数据存储空间测试
3.4.2 切换条件的设计
3.5 谐振抑制及轴矩限幅控制实验验证
3.5.1 谐振实验平台
3.5.2 工程法设计PI控制实验结果及分析
3.5.3 极点配置法优化的PI控制实验结果及分析
3.5.4 EMPC-PI控制效果及鲁棒性分析
3.6 本章小结
第4章 间隙非线性振荡机理分析及补偿
4.1 引言
4.2 含间隙非线性的双惯量系统模型建立
4.2.1 间隙非线性建模
4.2.2 含间隙双惯量系统建模
4.3 间隙非线性振荡的机理分析
4.4 自适应轴矩补偿算法
4.4.1 低通滤波器的改进
4.4.2 轴矩补偿策略参数的设计
4.4.3 自适应性分析
4.5 自适应轴矩补偿策略实验验证
4.5.1 间隙实验平台
4.5.2 陷波滤波器实验结果及分析
4.5.3 自适应轴矩补偿策略实验结果及分析
4.6 本章小结
第5章 全闭环系统中极限环振荡机理分析及抑制
5.1 引言
5.2 半闭环与全闭环控制结构分析
5.2.1 半闭环控制结构特征
5.2.2 全闭环控制结构特征
5.3 极限环振荡的机理分析
5.3.1 极限环频率推导
5.3.2 系统参数对极限环的影响
5.4 基于状态反馈控制的极限环抑制策略
5.4.1 状态反馈控制结构
5.4.2 状态反馈系数设计
5.4.3 状态反馈策略仿真分析
5.5 极限环机理分析及抑制实验验证
5.5.1 极限环特性的实验结果及分析
5.5.2 极限环抑制的实验结果及分析
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】
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本文编号：2842733
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