基于零相位滤波的迭代学习控制器设计

摘要

智能手机行业正方兴未艾。其中，金属手机外壳以其优异的质感、耐磨损等优点越来越受大众的青睐，市场规模巨大。而目前智能手机的金属外壳加工所使用的数控机床为传统机床，并未考虑到同一工件大批量重复加工问题，仍然将大批量的加工任务当作单件来生产，导致次品率居高不下。为解决上述问题，提出了迭代学习加工方法，使机床能够利用先前的加工过程来优化后续加工，以提高加工精度。迭代学习控制为核心控制算法，本课题将对其收敛性、稳定性以及工程应用过程中会出现的过冲现象进行研究，并提出相应解决方案。
　　本研究基于dSPACE1103控制卡，课题设计了速度环路扫频辨识实验，得到了速度闭环的数学模型。工程实践中往往将位置环的控制模式设为比例（Proportion）控制，为使得被控系统获得良好的动态特性，需要对控制参数P进行适当的优化。课题中将采用迭代反馈整定方法进行控制参数整定。迭代学习控制在应用过程中往往会出现误差先收敛后发散最终又收敛这一过冲现象。课题分别从时域和频域两个角度对这一现象进行分析，得出结论：误差频谱中的高频成分积累最终导致过冲现象。为解决这一问题，需要设计相关滤波器将误差高频成分过滤掉。而普通滤波器存在相位差，于是我们引入零相位滤波器来完成滤波。误差的超前补偿可以使误差更快速地收敛到更小值。无论是零相位滤波还是误差超前补偿都是在两次迭代运行之间的离线状态下完成的。具体的最优超前补偿步数与其对应的最大截止频率，需要依据算法设计相关的仿真实验来确定。根据过冲现象的成因分析和相关的滤波与补偿机制，课题进行了仿真实验，得到了期望效果，误差实现了单调收敛。基于理论推导与仿真实验，设计了具体的数控机床实验，误差实现了单调收敛，最终误差可以收敛到1μm以内，验证了零相位滤波与误差超前补偿的效果。并对迭代运行过程中的误差进行了频谱分析，从而可以直观体现出零相位滤波的效果。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 伺服系统的建模与参数优化

2.1 伺服系统的建模与辨识

2.2 伺服系统参数优化

2.3 本章小结

第3章 迭代运行过程中的过冲现象分析

3.1 迭代学习控制的时域分析

3.2 迭代学习控制的频域分析

3.3 过冲现象的仿真验证

3.4 本章小结

第4章 基于零相位滤波的迭代学习控制器设计

4.1 单调递减学习瞬态的实现条件

4.2 获取闭环被控系统频率特性

4.3 确定迭代学习增益

4.4 选择合适的超前补偿因子找出最大截止频率

4.5 设计零相位滤波器

4.6 基于零相位滤波迭代学习控制器

4.7 本章小结

第5章 数控机床实验验证

5.1 实验准备

5.2 迭代学习控制与纯反馈控制的比较

5.3 误差超前补偿对迭代学习控制的影响

5.4 零相位滤波对迭代学习控制的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢