多电机驱动系统的特征建模与自适应控制

发布时间：2017-10-22 02:27

  本文关键词：多电机驱动系统的特征建模与自适应控制

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【摘要】：多电机联动系统在驱动大功率和大惯量系统的场合中有着不可替代的作用。由于齿隙、摩擦等非线性因素的存在，采用传统的动力学建模方法得到高阶、非线性的复杂模型，使得控制器的设计非常困难。本文将建立多电机驱动系统的特征模型并在特征模型的基础上设计自适应控制器，最后在四电机驱动系统的实验平台上进行实验验证。本文的主要研究内容如下： （1）建立含齿隙非线性的多电机驱动系统的动力学模型，并研究消除齿隙的方法。基于动力学模型提出两种消隙方法：一是设计动态消隙控制器，即施加动态偏置力矩消隙；二是设计扩张状态观测器将齿隙非线性作为扩张状态进行观测与补偿，利用快速递归动态面设计系统的控制律，，同时达到消除齿隙和有限时间跟踪控制的目的。通过仿真和实验验证了该方法的有效性。 （2）在动力学模型的基础上建立系统的特征模型，采用带遗忘因子的递归最小二乘法对系统的特征参数进行辨识。分析并得到了闭环稳定时特征系数的取值范围。研究了齿隙的大小、系统的输入信号以及采样时间对系统建模精度的影响，仿真结果表明建模误差随着齿隙的增大或者采样时间的增大而增大，在跟踪正弦输入信号时参数的收敛速度最快，但建模误差较大。 （3）针对建立的特征模型，设计了基于补偿的复合自适应同步控制器。主要包括保证系统闭环稳定的黄金分割控制，提高系统稳态精度的逻辑积分控制，改善齿隙非线性影响的消隙补偿控制，以及多电机之间的同步控制。另外，设计了改进的黄金分割自适应控制器。并通过仿真验证了所提出的两种控制器的有效性。 （4）介绍了四电机实验平台的软硬件组成，对本文设计的三种控制器进行了实验验证，主要包括基于动力学模型的动态消隙控制器，基于特征模型的消隙复合自适应同步控制器和基于特征模型的改进黄金分割自适应同步控制器。分析三种控制器的跟踪性能，实验结果表明基于特征模型的自适应同步控制比基于动力学模型的控制有更高的跟踪精度和更好的动态性能。 最后对本文所做的研究工作进行了总结与展望。
【关键词】：多电机系统 齿隙非线性 特征模型 自适应控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM301.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景与意义11
• 1.2 多电机驱动系统的建模与同步控制研究概况11-13
• 1.2.1 多电机驱动系统的模型建立12-13
• 1.2.2 多电机驱动系统的同步控制13
• 1.3 非线性环节的建模与补偿13-14
• 1.3.1 齿隙非线性的建模与补偿13-14
• 1.3.2 摩擦非线性的建模与补偿14
• 1.4 自适应控制的发展状况14-16
• 1.5 论文结构安排16-17
• 第2章 四电机驱动系统的动力学模型与消隙方法研究17-35
• 2.1 引言17
• 2.2 含齿隙非线性的四电机动力学模型的建立17-24
• 2.2.1 齿隙的非线性模型与分析17-20
• 2.2.2 多电机驱动系统的动力学建模20-24
• 2.3 动态消隙控制器设计24-29
• 2.3.1 消隙控制器的设计24-26
• 2.3.2 仿真结果26-29
• 2.4 基于扩张状态观测器的消隙研究29-33
• 2.4.1 基于扩张观测器的动态面消隙控制器设计29-32
• 2.4.2 仿真结果32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第3章 四电机驱动系统的特征建模方法研究35-57
• 3.1 引言35-36
• 3.2 特征模型的建立与验证36-50
• 3.2.1 全系数自适应理论36-37
• 3.2.2 四电机驱动系统特征模型的建立37-40
• 3.2.3 采用递推最小二乘法进行参数辨识40-45
• 3.2.4 不同齿隙值下的特征模型验证45-50
• 3.3 特征系数的分析50-53
• 3.4 特征建模精度的影响因子分析53-56
• 3.4.1 系统输入信号对建模精度的影响53-54
• 3.4.2 系统采样时间对建模精度的影响54-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第4章 基于特征模型的四电机驱动系统的自适应控制57-73
• 4.1 引言57
• 4.2 基于补偿的黄金分割自适应同步控制57-61
• 4.2.1 黄金分割复合自适应控制器57-58
• 4.2.2 补偿与同步环节58-60
• 4.2.3 基于补偿的黄金分割自适应同步控制器设计60-61
• 4.3 改进的黄金分割自适应同步控制61-62
• 4.4 仿真结果62-72
• 4.4.1 黄金分割自适应同步控制仿真结果63-66
• 4.4.2 基于补偿环节的黄金分割自适应同步控制仿真结果66-69
• 4.4.3 改进的黄金分割自适应同步控制仿真结果69-72
• 4.5 本章小结72-73
• 第5章 四电机驱动系统的位置跟踪实验73-85
• 5.1 实验平台的硬件组成73-75
• 5.2 实验平台的控制模式75-78
• 5.3 实验平台的软件组成78-79
• 5.4 控制算法的实验验证79-84
• 5.4.1 基于动态消隙控制器的 PID 控制79-80
• 5.4.2 基于特征模型的复合自适应控制80-82
• 5.4.3 基于特征模型的改进黄金分割自适应同步控制82-84
• 5.5 本章小结84-85
• 第6章 总结与展望85-88
• 6.1 研究工作总结85-86
• 6.2 研究工作展望86-88
• 参考文献88-93
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单93-94
• 致谢94

【参考文献】

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本文编号：1076367