被动式力矩伺服系统关键技术研究

发布时间：2019-04-30 17:51

【摘要】：被动式力矩伺服系统主要应用于舵机系统的半实物仿真,能够模拟真实环境下舵机所承受的各种负载力矩,分析和研究舵机系统的各项性能指标,在航空制造、轮船制造和科研实验等诸多领域发挥着十分重要的作用。随着国民经济的高速发展和飞行器需求的迅猛增长,对舵机系统各项性能指标的要求越来越高,相应地,对被动式力矩伺服系统的加载能力和伺服精度等方面也提出了更高的要求,因此,对被动式力矩伺服系统控制策略进行研究很有意义,也是十分必要的。被动式力矩伺服系统控制的关键技术问题在于:在力矩加载过程中,加载电机跟随舵机做被动运动,随着加载频率的提高,多余力矩越来越大,干扰了正常力矩加载;在小力矩加载过程中,系统本身存在的摩擦力矩可能和加载力矩一起对舵机加载,造成实际加载力矩多于加载指令,或者抵消了一部分加载力矩,造成实际加载力矩少于加载指令;系统在运行一段时间后,由于震动和磨损等原因使得传动系统出现间隙,系统模型参数发生变化。总之,系统存在的多余力矩问题、摩擦问题、间隙问题和系统不确定问题严重制约了系统性能的提升。针对上述问题,开展本文的研究工作。首先,建立被动式力矩伺服系统数学模型。针对系统存在的摩擦,采用Lu Gre模型,并基于最小二乘法和二阶阻尼系统阶跃响应曲线对模型参数进行了辨识。针对系统存在的间隙,采用描述传递力矩与相对位移关系的死区模型,并给出了间隙的测量方法。建立了包含舵机系统、加载系统、间隙模型和摩擦模型的被动式力矩伺服系统综合模型。对多余力矩进行理论推导,分析其产生机理及相关影响因素。其次,对被动式力矩伺服系统低频加载过程中的摩擦问题、间隙问题和系统模型不确定问题等非线性影响采用基于反步控制的方法进行抑制。针对摩擦使系统力矩输出产生死区和不平稳输出的现象,分别采用前馈补偿法、基于观测器和反步自适应控制的方法进行抑制。针对间隙对系统响应造成的相位滞后、伺服精度不高、稳定性差等方面的影响,分别采用逆模型串联补偿和基于反步控制的方法进行抑制。针对系统存在的未建模、模型不确定和未知死区等不确定问题,采用基于RBF神经网络的反步自适应控制方法。再次,对被动式力矩伺服系统加载过程中的非线性和多余力矩问题采用基于神经网络的方法进行补偿控制。针对小力矩加载问题,由于摩擦力矩的干扰,加载精度很难保证,采用摩擦模型估计、双定子电机的内定子控制直接补偿。为了保证伺服精度和抑制多余力矩的影响,设计了基于RBF辨识器的模糊神经网络PID,采用GA+BP的混合算法,提高收敛速度。针对高频加载问题,采用动态模糊神经网络以串并联的方式进行辨识多余力矩系统,训练完成后,实时估计多余力矩值并转换成控制量输入内定子控制端,由内定子控制补偿多余力矩,主定子即外定子承担加载任务。控制器采用结构简单、鲁棒性较强的单神经元PID控制器,由RBF神经网络辨识器提供系统Jacobian信息。针对复杂的非线性系统高频加载问题,为了抑制多余力矩,采用基于双定子电机和多余力矩模型的补偿策略,为了抑制非线性影响,采用两个DFNN,一个用作辨识器,辨识系统逆模型;一个用作控制器,与常规PID并联。当DFNN辨识器完全逼近系统逆模型时,DFNN控制器将消除PID控制器的控制作用,实现输出力矩对加载指令的跟踪。最后建立了被动式力矩伺服系统的实验平台,对上述控制策略进行了实验验证。实验结果表明,采用本文所设计的控制策略进行加载,各项系统指标均满足设计指标要求,较好地解决了多余力矩、摩擦、间隙和系统不确定等问题。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM921.541
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本文编号：2468919