基于分数阶的交流伺服驱动系统控制参数整定方法研究

发布时间：2019-10-16 18:54

【摘要】：高速高精的运动控制对伺服驱动系统的控制性能要求很高,伺服驱动系统不仅需要具有良好的动态响应性能,而且能够对系统参数的不确定性以及外部的扰动具有很强的鲁棒性。因此,需要探寻一种控制策略来保证伺服驱动系统的控制性能,经典的PID控制方法简单,高效,易于实现。然而,由于实际的伺服驱动系统存在着一定的非线性和不确定性因素,这些因素将直接影响经典PID的控制性能。因此,本文将利用分数阶微积分理论对传统PID控制器进行拓展和优化,研究分数阶PID控制策略,旨在继承和发扬传统PID控制器的优点并弥补其不足,以满足高性能交流伺服驱动系统的需求。由于伺服驱动系统的性能与控制参数密切相关,因此,为了使分数阶PID控制器能尽量发挥出其控制的优势,本文将重点研究分数阶PID控制器的参数整定方法,通过相关理论和实验研究,探寻稳定、高效以及适用性广的分数阶PID参数整定方法。本文结合国家自然科学基金项目,首先对交流伺服驱动系统的速度环控制模型进行了分析,并建立了其分数阶数学模型,同时,提出了一种基于优化算法的分数阶模型参数的辨识方法。相关理论和实验证明了分数阶模型可以更好地描述交流伺服驱动系统。然后,开展了分数阶PID控制器参数整定策略的研究,包括图形化整定,数值化整定以及在线整定三类方法。具体的研究内容如下：对于基于模型的图形化整定,提出了一种基于不确定参数模型的分数阶PID控制器参数图形化整定方法,利用该方法所设计的分数阶PID控制器对伺服驱动系统参数的变化具有很强的鲁棒性；对于无模型的图形化整定,提出了一种基于频率响应的分数阶PID控制器参数图形化整定方法,该方法能同时适用于线性和非线性分数阶PID控制器。对于基于模型的数值化整定,提出了一种基于改进型随机多参数优化算法(SMDO优化算法)的分数阶PID控制器参数整定方法,该方法综合考虑了伺服驱动系统的时域和频域性能指标,并能适用于整数阶和分数阶系统,同时改进了传统的SMDO优化算法,提高了整定算法的准确性和效率：对于无模型的数值化整定,提出了一种基于频域虚拟参考反馈整定(频域VRFT)的分数阶PID控制器参数整定方法,该方法无需反复的迭代的实验,仅仅只需要一次数据的采集。同时还将所提出的方法进行了拓展,使其能应用于伺服驱动系统工作状态发生变化的情况。对于基于模型的在线整定,提出了一种基于数据库的分数阶PID控制器参数在线整定方法,该方法利用递推最小二乘法对伺服驱动系统模型进行在线地辨识,并根据所辨识出的模型从控制参数数据库中搜索出合适的控制参数,从而完成了对伺服驱动系统自适应分数阶控制,该方法计算量小,易于实现；对于无模型的在线整定,提出了一种基于小波神经网络的分数阶PID控制器参数在线整定方法,该方法利用小波神经网络取代传统的BP神经网络,从而提高了神经网络的适应能力和容错能力,并通过离线整定出的控制器参数来优化在线整定方法,使伺服驱动系统在整个运行过程中始终保持满意的控制性能,并且,该方法可以同时适用于线性和非线性分数阶PID控制器。搭建了永磁同步旋转电机以及永磁同步直线电机伺服驱动系统实验平台。进行了相关的硬件和软件设计,把所提出的算法在实验平台上进行了验证,实验证明了所提出算法的适用性和稳定性。
【图文】：

伺服驱动,商业

（ｃ）发那科Ｓｅｒｖｏ邋ｇｕｉｄｅ逦（ｄ）科尔摩根ＷｏｒｋＢｅｎｃｈ逡逑图１．３商业伺服自整定软件逡逑控制策略在提高伺服驱动系统性能方面起着十分关键的作用。由于伺服驱动系逡逑统中执行机构和伺服电机的非线性、强锦合，时变等特点，使得传统的ＰＩＤ控制方逡逑式往往很难获得满意的控制性能，因此，现代控制策略，如滑模控制、鲁棒控制、逡逑４逡逑１逡逑

分数阶微积分,分数阶,控制领域

表了著作《分数阶微分方程》ｆＷ，系统介绍了分数阶微积分的概念、分数阶微积分逡逑方程的解法、分数阶微积分的Ｌａｐｌａｃｅ和Ｆｏｕｒｉｅｒ变换等，此书为分数阶控制理论的逡逑发展做出了奠基性的贡献，如图１．５（ａ），从此对于分数阶Ｐ阻控制器的研究便层出不逡逑穷，许多文献［５２－５５］都己证明分数阶Ｐ瓜控制器有着传统ＰＩＤ无法比拟的优点。逡逑除了邋ＰＩＤ型的控制器，近年来分数阶微积分也朝着其他不同种类的控制策略进逡逑行延伸。例如，张碧陶等人提出了分数阶淆模控制，传统滑模控制中的抖振问逡逑题在分数阶滑模中得到了抑制；文献［５９－６１］中提出了分数阶预测控制，并与传统预逡逑测控制进行了对比。此外还有分数阶模型自适应控制ｔ６２ｌ，分数阶鲁棒控制分数逡逑－逡逑
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273

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