滚珠丝杠式电动舵机非线性分析及控制策略研究
发布时间：2021-10-29 04:40
电动舵机是导弹控制系统中重要的控制子系统，电动舵机根据自动驾驶仪控制指令进行偏转，改变导弹的飞行姿态，其性能直接影响导弹的性能。受到制造工艺、安装精度制约，电动舵机存在间隙、摩擦等非线性因素，同时随着电动舵机日趋向高带宽、轻量化方向发展，电动舵机组件的弹性变形直接影响了系统的运动性能，因此，研究间隙、摩擦、弹性变形等非线性因素对电动舵机伺服系统动态特性的影响，并选择合适的方法来减弱、抑制或消除这些因素影响相当重要。本文以滚珠丝杠式电动舵机为研究对象，对电动舵机中的非线性因素进行理论分析和仿真分析，并以此为基础展开相应的控制理论与方法研究，且进行了实验验证。论文主要包括以下五个方面的内容：（1）依据系统总体指标，对电动舵机进行负载匹配、元件选型。同时根据第二类拉格朗日方程建立了电动舵机结构动力学模型，基于ANSYS对电动舵机进行模态及谐响应分析，得到舵机系统的固有频率和振型，并设计完成了满足要求的舵机结构。（2）考虑到间隙、摩擦、弹性变形等非线性因素，采用笛卡尔坐标法建立舵机的多体动力学模型，并通过ADAMS仿真分析了非线性因素对舵机性能的影响。结果表明非线性因素对舵机性能具有严重影响。...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.2 电动舵机研究概况
1.2.1 电动舵机发展概况
1.2.2 电动舵机关键技术发展概况
1.3 非线性电动舵机多体动力学研究概况
1.3.1 影响电动舵机系统性能的非线性因素
1.3.2 多体动力学研究概况
1.4 自抗扰控制器研究概况
1.5 论文主要研究内容与结构安排
1.5.1 论文主要研究内容
1.5.2 论文结构安排
第2章 电动舵机系统设计及动态特性分析
2.1 引言
2.2 电动舵机系统技术指标
2.3 电动舵机系统的组成
2.3.1 传动系统
2.3.2 反馈测量系统
2.3.3 计算机控制系统
2.4 电动舵机机械性能分析
2.4.1 电动舵机机械系统结构动力学建模
2.4.2 确定电动舵机系统参数
2.4.3 舵机机构动态特性分析
2.5 本章小结
第3章 非线性电动舵机多体系统建模与仿真
3.1 引言
3.2 电动舵机运动学建模
3.3 电动舵机多体动力学建模
3.4 含间隙电动舵机动力学建模及分析
3.4.1 含间隙电动舵机动力学建模
3.4.2 间隙测定
3.4.3 含间隙电动舵机多体动力学分析
3.5 含摩擦电动舵机动力学建模及分析
3.5.1 摩擦测定及辨识
3.5.2 含摩擦多体动力学分析
3.6 含柔性体电动舵机动力学建模及分析
3.6.1 含柔性体电动舵机动力学建模
3.6.2 含柔性电动舵机多体动力学分析
3.7 电动舵机非线性因素对舵机带宽的影响
3.8 本章小结
第4章 基于改进自抗扰控制器的电动舵机控制策略
4.1 引言
4.2 电动舵机数学模型
4.3 改进自抗扰控制器
4.3.1 改进自抗扰控制器原理
4.3.2 改进自抗扰控制器设计及分析
4.4 系统稳定性分析
4.5 基于 NSGA-II 算法的改进自抗扰控制器参数整定
4.5.1 优化方案分析
4.5.2 改进自抗扰控制器参数整定
4.5.3 优化性能分析
4.6 联合仿真分析
4.6.1 阶跃信号分析
4.6.2 正弦信号分析
4.7 本章小结
第5章 基于观测器的改进 PID 控制电动舵机研究
5.1 引言
5.2 基于扰动观测器的电动舵机非线性 PID 控制器设计
5.2.1 扰动观测器
5.2.2 非线性 PID
5.2.3 仿真分析
5.2.4 联合仿真分析
5.3 基于降维观测器的电动舵机 PID_LQR 控制器设计
5.3.1 LQR 控制原理
5.3.2 PID_LQR 控制器设计
5.3.3 降维观测器的设计
5.3.4 仿真验证与分析
5.4 本章小结
第6章 电动舵机指标测试
6.1 引言
6.2 电动舵机实验系统介绍
6.2.1 xPC Target 半物理仿真原理
6.2.2 电动舵机实验原理
6.3 电动舵机性能指标测试及分析
6.3.1 跟踪性能测试
6.3.2 舵机带宽测试
6.3.3 其他性能测试
6.4 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 全文创新点
7.3 工作展望
参考文献
在学期间学术成果情况
指导教师及作者简介
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]改进自抗扰控制谐波式电动舵机伺服系统[J]. 张明月,杨洪波,章家保,丁同超,贾宏光. 光学精密工程. 2014(01)
[2]电动舵机速度环改进自抗扰控制研究[J]. 张明月,章家保,丁同超,贾宏光. 计算机测量与控制. 2013(09)
[3]基于降维观测器的电动舵机PIDLQR控制[J]. 张明月,杨洪波,贾宏光. 计算机测量与控制. 2013(07)
[4]积分反馈自抗扰控制力矩陀螺框架伺服系统设计[J]. 陈茂胜,金光,张涛,戴路,朴永杰,周美丽,曲宏松. 光学精密工程. 2012(11)
[5]基于ADRC的MSCMG框架系统高精度控制[J]. 薛立娟,李海涛,李红,徐向波. 北京航空航天大学学报. 2012(11)
[6]基于DSP+CPLD的四电动舵机伺服控制器设计[J]. 米月星,林辉,李志. 微特电机. 2012(08)
[7]抑制飞控系统舵机间隙影响的非线性补偿器设计[J]. 黄立梅,吴成富,马松辉. 飞行力学. 2012(02)
[8]根据系统时间尺度整定自抗扰控制器参数[J]. 李述清,张胜修,刘毅男,周帅伟. 控制理论与应用. 2012(01)
[9]针对大气紊流改进的飞控系统设计及仿真研究[J]. 张婧,陈澜,李晓曦,柳扬. 计算机测量与控制. 2011(04)
[10]基于DSP的模糊PID舵机控制算法设计与实现[J]. 崇阳,李言俊,张科,吕梅柏. 飞行力学. 2011(02)
硕士论文
[1]制导弹药气动舵机关键技术分析及解决办法[D]. 牛鑫培.南京理工大学 2008
[2]联合直接攻击炸弹（JDAM）电动舵机控制系统的设计[D]. 鲍文亮.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3463982
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.2 电动舵机研究概况
1.2.1 电动舵机发展概况
1.2.2 电动舵机关键技术发展概况
1.3 非线性电动舵机多体动力学研究概况
1.3.1 影响电动舵机系统性能的非线性因素
1.3.2 多体动力学研究概况
1.4 自抗扰控制器研究概况
1.5 论文主要研究内容与结构安排
1.5.1 论文主要研究内容
1.5.2 论文结构安排
第2章 电动舵机系统设计及动态特性分析
2.1 引言
2.2 电动舵机系统技术指标
2.3 电动舵机系统的组成
2.3.1 传动系统
2.3.2 反馈测量系统
2.3.3 计算机控制系统
2.4 电动舵机机械性能分析
2.4.1 电动舵机机械系统结构动力学建模
2.4.2 确定电动舵机系统参数
2.4.3 舵机机构动态特性分析
2.5 本章小结
第3章 非线性电动舵机多体系统建模与仿真
3.1 引言
3.2 电动舵机运动学建模
3.3 电动舵机多体动力学建模
3.4 含间隙电动舵机动力学建模及分析
3.4.1 含间隙电动舵机动力学建模
3.4.2 间隙测定
3.4.3 含间隙电动舵机多体动力学分析
3.5 含摩擦电动舵机动力学建模及分析
3.5.1 摩擦测定及辨识
3.5.2 含摩擦多体动力学分析
3.6 含柔性体电动舵机动力学建模及分析
3.6.1 含柔性体电动舵机动力学建模
3.6.2 含柔性电动舵机多体动力学分析
3.7 电动舵机非线性因素对舵机带宽的影响
3.8 本章小结
第4章 基于改进自抗扰控制器的电动舵机控制策略
4.1 引言
4.2 电动舵机数学模型
4.3 改进自抗扰控制器
4.3.1 改进自抗扰控制器原理
4.3.2 改进自抗扰控制器设计及分析
4.4 系统稳定性分析
4.5 基于 NSGA-II 算法的改进自抗扰控制器参数整定
4.5.1 优化方案分析
4.5.2 改进自抗扰控制器参数整定
4.5.3 优化性能分析
4.6 联合仿真分析
4.6.1 阶跃信号分析
4.6.2 正弦信号分析
4.7 本章小结
第5章 基于观测器的改进 PID 控制电动舵机研究
5.1 引言
5.2 基于扰动观测器的电动舵机非线性 PID 控制器设计
5.2.1 扰动观测器
5.2.2 非线性 PID
5.2.3 仿真分析
5.2.4 联合仿真分析
5.3 基于降维观测器的电动舵机 PID_LQR 控制器设计
5.3.1 LQR 控制原理
5.3.2 PID_LQR 控制器设计
5.3.3 降维观测器的设计
5.3.4 仿真验证与分析
5.4 本章小结
第6章 电动舵机指标测试
6.1 引言
6.2 电动舵机实验系统介绍
6.2.1 xPC Target 半物理仿真原理
6.2.2 电动舵机实验原理
6.3 电动舵机性能指标测试及分析
6.3.1 跟踪性能测试
6.3.2 舵机带宽测试
6.3.3 其他性能测试
6.4 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 全文创新点
7.3 工作展望
参考文献
在学期间学术成果情况
指导教师及作者简介
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]改进自抗扰控制谐波式电动舵机伺服系统[J]. 张明月,杨洪波,章家保,丁同超,贾宏光. 光学精密工程. 2014(01)
[2]电动舵机速度环改进自抗扰控制研究[J]. 张明月,章家保,丁同超,贾宏光. 计算机测量与控制. 2013(09)
[3]基于降维观测器的电动舵机PIDLQR控制[J]. 张明月,杨洪波,贾宏光. 计算机测量与控制. 2013(07)
[4]积分反馈自抗扰控制力矩陀螺框架伺服系统设计[J]. 陈茂胜,金光,张涛,戴路,朴永杰,周美丽,曲宏松. 光学精密工程. 2012(11)
[5]基于ADRC的MSCMG框架系统高精度控制[J]. 薛立娟,李海涛,李红,徐向波. 北京航空航天大学学报. 2012(11)
[6]基于DSP+CPLD的四电动舵机伺服控制器设计[J]. 米月星,林辉,李志. 微特电机. 2012(08)
[7]抑制飞控系统舵机间隙影响的非线性补偿器设计[J]. 黄立梅,吴成富,马松辉. 飞行力学. 2012(02)
[8]根据系统时间尺度整定自抗扰控制器参数[J]. 李述清,张胜修,刘毅男,周帅伟. 控制理论与应用. 2012(01)
[9]针对大气紊流改进的飞控系统设计及仿真研究[J]. 张婧,陈澜,李晓曦,柳扬. 计算机测量与控制. 2011(04)
[10]基于DSP的模糊PID舵机控制算法设计与实现[J]. 崇阳,李言俊,张科,吕梅柏. 飞行力学. 2011(02)
硕士论文
[1]制导弹药气动舵机关键技术分析及解决办法[D]. 牛鑫培.南京理工大学 2008
[2]联合直接攻击炸弹（JDAM）电动舵机控制系统的设计[D]. 鲍文亮.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3463982
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