双级伺服系统控制算法及仿真研究

摘要

伺服系统作为一种能够跟随外界给定输入信号实时变化的控制系统，被广泛应用于各个领域。随着对伺服系统控制精度，响应速度以及鲁棒性要求的不断提高，传统的单级伺服系统难以满足要求。针对高精度激光定位平台，本文设计了区别于传统定位平台的双级伺服系统进行控制。
　　首先，根据激光系统的工作原理以及提出的技术指标，设计了双级伺服系统的总体结构，主要包括粗、精通道驱动结构的设计。
　　其次，在Simulink仿真环境下搭建了基于直驱电机的粗通道平台三环仿真模型，并对三环模型中位置环的控制策略进行详细设计。针对PID控制器在抗扰方面的不足，位置环引入ADRC，通过模拟扰动重点比较了ADRC和PID控制的抗扰性能。同时对基于压电陶瓷驱动的快反镜结构进行建模分析，在Simulink仿真环境下搭建了精通道模型，采用复合控制，并与传统PID控制进行性能对比。
　　然后，针对控制器参数整定不易，设计了两种参数整定策略，复合参数整定法和融合粒子群参数整定法，并将其分别运用于精通道控制器参数整定，经验证均取得了不错的效果，省去了以往人工试凑法的时间。
　　最后，设计了双级驱动伺服系统的协调控制模块，采用S-函数实现双阈值切换策略，同时针对精通道在补偿粗通道误差时产生的滞后和不平稳现象，将曲线拟合最小二乘法、加权滤波算法和输出线性化模块引入到协调控制模块中，并在Simulink仿真环境下中搭建了双级伺服系统的仿真模型，输入典型信号进行测试，调试结果表明满足了系统所需的快速性和高精度要求。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 双级驱动定位平台研究现状

1．3．2 双级驱动定位平台控制策略研究现状

1．3．3 控制器参数整定研究现状

1．4 本文所做的工作及章节安排

2 双级驱动伺服系统总体结构设计

2．1 系统分析

2．2 总体结构设计

2．2．1 粗通道平台驱动结构设计

2．2．2 精通道平台驱动结构设计

2．3 本章小结

3 基于直驱电机粗通道平台建模及仿真研究

3．1 直驱电机数学模型建立及控制策略研究

3．1．1 d-q坐标系下直驱电机数学模型的建立

3．1．2 id=0矢量控制

3．2 粗通道三环仿真模型建立

3．2．1 三闭环仿真模型建立

3．2．2 坐标变换模块

3．2．3 PWM逆变模块

3．2．4 直驱电机模块设计

3．3 三环控制算法研究

3．3．1 电流环控制算法及参数整定研究

3．3．2 速度环控制算法及参数整定研究

3．3．3 位置环控制算法及参数整定研究

3．4 自抗扰控制器(ADRC)

3．4．1 ADRC的提出及意义

3．4．2 自抗扰控制器设计

3．5 ADRC参数整定

3．5．1 TD参数整定

3．5．2 ESO参数整定

3．5．3 NLSEF参数整定

3．6 ADRC在粗通道位置环中的仿真研究

3．6．1 基于ADRC位置环控制系统仿真模型建立

3．6．2 ADRC与PID抗扰能力对比分析

3．7 本章小结

4 基于快反镜系统的精通道平台建模与仿真研究

4．1 压电陶瓷驱动下的快反镜结构模型建立

4．1．1 压电陶瓷的性质

4．1．2 快速反射镜系统

4．1．3 快速反射镜选型

4．1．4 快反镜数学模型建立

4．2 复合控制

4．3 复合控制在精通道控制器中的应用

4．3．1 精通道仿真模型建立

4．3．2 仿真分析

4．4 本章小结

5 精通道控制器参数整定算法研究

5．1 复合参数整定法

5．1．1 二分法查找法

5．1．2 基于插值法查找

5．1．3 复合参数整定法效果分析

5．2 融合粒子群算法(FPSO)的提出

5．2．1 标准粒子群算法

5．2．2 遗传算法的引入

5．2．3 FPSO操作流程

5．2．4 运用经典函数测试FPSO性能

5．3 FPSO在精通道控制器参数整定中的应用

5．4 本章小结

6 双级伺服系统协调控制策略设计

6．1 协调控制模块设计

6．1．1 曲线拟合的最小二乘法

6．1．2 加权平均滤波算法

6．1．3 精通道渐变输出模块设计

6．1．4 协调控制策略

6．2 仿真分析

6．2．1 转台伺服系统性能指标

6．2．2 双级驱动伺服系统的仿真模型建立

6．2．3 实验结果分析

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果论文情况

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况