基于反步积分的齿轮传动稳定平台补偿控制技术研究

发布时间：2017-10-25 02:36

  本文关键词：基于反步积分的齿轮传动稳定平台补偿控制技术研究

  更多相关文章： 齿轮传动 齿隙 死区 李亚普诺夫函数 反步积分

【摘要】：光电稳定平台是一类运用在动态环境中的惯性稳定系统。随着工程应用对于空间和体积的限制日趋严格,光电稳定平台对执行机构的需求逐步从直驱式力矩电机向微型齿轮传动电机转变。微型电机速度大,体积小,并且鲁棒性好。但是,由于安装误差和长时间使用等原因,齿轮传动系统不可避免出现磨损,导致诸如齿隙问题。齿隙问题,比如换向跳变和机械噪音,在换向或者减速情况下,对于控制效果的影响非常明显。对于精度需求较大的系统,无法容忍出现系统不可控的情况,所以本文主要针对齿隙期间传动系统的快速性和稳定性的研究。论文首先介绍了非线性齿隙问题研究的背景和现状,并且引出本文使用的反步积分算法的起源、发展、研究现状和发展趋势。接着介绍惯性稳定系统的多种模型。研究发现,齿隙非线性存在多种模型。本文首先针对这些模型的原理进行比较分析,包括死区模型、齿隙模型和振冲模型,比较几种模型之间的优劣,进而说明为什么选择死区模型作为研究目标。接着,开始介绍本文采用的反步积分控制算法的基本原理。从反步积分控制算法的稳定性判据开始。依靠该判据,逐步推导反步积分控制器的几个控制律。完成反步积分控制器的构造之后,即可得到包括外在齿轮系统的整个系统的控制结构模型。然后,依照该模型,可以构造仿真模型。仿真模型并没有采用传统的simulink方法,而是设计函数文件。另外,仿真过程中发现,没有优化的控制器得到的是发散的输出响应曲线,即系统存在不稳定因素。为了找到该不稳定因素,需要对控制律进行幅值和相位分析。通过比较,可以发现在某一条控制律中,存在有极大值项。该项的产生与系统的固有参数和控制参数相关。给该项增加一个权值因子之后,可以发现,系统开始表现稳定。对多个影响稳定性条件的因素依次对比实验之后,得到算法的仿真控制规律。为了验证该控制规律,验证过程在稳定控制平台下进行。通过设计控制算法,并对仿真规律进行交叉实践,比较中可以发现,仿真中出现的问题,在实验中一一验证,并且得到了良好的效果。最后,反思实验中的优缺点,做出全文总结。通过模型、仿真和实验之后,证实了反步积分控制算法是有效性。当然,实验中发现诸多可供改进之处,这些问题都为以后进一步实验指明了方向。
【关键词】：齿轮传动 齿隙 死区 李亚普诺夫函数 反步积分
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273;TH132.41
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章引言10-18
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-16
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.3 课题主要研究内容16
• 1.4 研究内容和论文结构安排16-17
• 1.5 本章小结17-18
• 第2章齿轮传动稳定平台模型18-31
• 2.1 齿轮运动模型18-19
• 2.2 齿轮运动方程19-20
• 2.3 惯性稳定平台20-23
• 2.3.1 控制器整体结构20-22
• 2.3.2 双闭环仿真测试22-23
• 2.4 齿隙非线性系统模型23-27
• 2.4.1 间隙模型23-25
• 2.4.2 死区模型25-26
• 2.4.3 振冲模型26-27
• 2.5 死区特性PI控制器27-28
• 2.6 非线性补偿方法28-30
• 2.6.1 逆模型补偿28-29
• 2.6.2 可微的齿隙逆模型补偿29
• 2.6.3 切换控制补偿29
• 2.6.4 反步积分控制29-30
• 2.7 本章小结30-31
• 第3章反步积分控制器设计31-39
• 3.1 李亚普诺夫稳定判据31-33
• 3.1.1 稳定状态31-32
• 3.1.2 稳定判断法32-33
• 3.2 反步积分控制算法33-35
• 3.2.1 基本模型33-34
• 3.2.2 虚拟控制量34-35
• 3.3 构造控制器35-37
• 3.3.1 一阶子系统控制律35-36
• 3.3.2 二阶子系统控制律36
• 3.3.3 三阶子系统控制律36-37
• 3.4 控制系统框架37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章算法仿真与分析39-47
• 4.1 微分设计方法39-40
• 4.1.1 欧拉方法39-40
• 4.1.2 龙格库塔方法40
• 4.2 仿真测试40-45
• 4.2.1 参数41
• 4.2.2 原始波形曲线41-43
• 4.2.3 稳定仿真结果43-44
• 4.2.4 固有参数影响44
• 4.2.5 齿隙大小影响44-45
• 4.3 仿真测试结论45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章实验验证与优化47-56
• 5.1 实验平台47-51
• 5.1.1 平台结构47-49
• 5.1.2 设备使用参数49-51
• 5.2 软件设计结构51-52
• 5.2.1 工程数据流程图51-52
• 5.2.2 BacksteppingControl()函数52
• 5.2.3 UpdateValue()函数52
• 5.3 实验测试52-55
• 5.3.1 正弦输入52-53
• 5.3.2 反向运行53-54
• 5.3.3 改变控制参数54-55
• 5.4 实验反步积分规律55
• 5.5 本章小结55-56
• 第6章工作总结与展望56-58
• 6.1 工作总结56
• 6.2 工作创新之处56-57
• 6.3 工作展望57-58
• 参考文献58-62
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果62-63

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本文编号：1091725