大惯量负载伺服系统动力学建模与控制研究

摘要

随着现代工业和航空航天的不断发展，大惯量负载伺服系统得到了快速发展，对伺服系统电机驱动功率和控制精度的要求也越来越高。为了简化问题和便于控制器设计，传统的电机传动模型直接将负载侧的惯量等特征量直接折算到电机侧，忽略了传动的柔性及其与系统运动的耦合。但是随着电机功率和负载惯量的增大，其柔性变形对系统整体运动以及动力学特性的影响已经不能忽略。因此，针对大惯量负载伺服系统的高性能控制研究具有非常重要的意义。
　　本文以一类大惯量负载伺服系统为研究对象，综合考虑系统传动柔性、未建模动态和外界扰动，进行了动力学建模研究并设计了自适应鲁棒控制器。主要工作包括:
　　对大惯量负载传动系统动力学特性进行了深入分析和研究，针对大惯量负载伺服系统，依据牛顿运动学建立了基于典型大惯量负载伺服系统的动力学模型，依据模态分析和模态截断理论建立了多变量系统动力学模型;
　　针对具有未建模动态、外界扰动的大惯量负载伺服系统，分别设计了基于Backstepping的自适应鲁棒控制器和MIMO自适应鲁棒控制器，实现了控制系统的渐近稳定跟踪，并对控制器的性能进行了仿真验证;
　　为了有效克服测量噪声影响，进一步提高控制性能，设计了基于期望补偿的自适应鲁棒控制器，实现了控制系统的渐近稳定跟踪和鲁棒性能的提高，并对控制器的性能进行了仿真验证;
　　针对实际ECP205惯量测试系统，完成了基于Backstepping的自适应鲁棒控制器和基于期望补偿的自适应鲁棒控制器的系统调试，验证了控制器的渐近稳定跟踪性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 刚柔耦合多体系统研究现状

1．2．2 大惯量负载伺服系统研究现状

1．2．3 伺服系统的控制算法研究

1．3 本文主要内容和结构安排

2 大惯量负载伺服系统动力学分析及建模

2．1 基于典型大惯量负载伺服系统的动力学模型

2．1．1 典型大惯量负载伺服系统描述

2．1．2 系统动力学分析

2．1．3 系统动态数学模型推导

2．2 基于模态分析法的系统动力学模型

2．2．1 模态分析法简介

2．2．2 系统描述

2．2．3 系统动力学分析

2．2．4 系统动态数学模型推导

2．3 本章小结

3 大惯量负载伺服系统自适应鲁棒控制

3．1 基于典型大惯量负载伺服系统模型控制器设计

3．1．1 系统控制目标

3．1．2 自适应鲁棒控制算法简介

3．1．3 Backstepping设计原理简介

3．1．4 参数估计投影算法简介

3．1．5 基于Backstepping的自适应鲁棒控制器设计

3．1．6 控制系统性能分析

3．1．7 仿真结果分析

3．2 模态分析系统模型控制器设计

3．2．1 系统控制目标

3．2．2 误差算子分析

3．2．3 自适应鲁棒控制器设计

3．2．4 控制系统性能分析

3．2．5 仿真结果分析

3．3 本章小结

4 大惯量负载伺服系统基于期望补偿的自适应鲁棒控制

4．1 基于期望补偿的自适应鲁棒控制简介

4．2 典型大惯量负载伺服系统模型控制器设计

4．2．1 控制器设计

4．2．2 控制系统性能分析

4．2．3 仿真结果分析

4．3 模态分析系统模型控制器设计

4．3．1 控制器设计

4．3．2 控制系统性能分析

4．3．3 仿真结果分析

4．4 本章小结

5 ECP 205控制系统调试

5．1 ECP 205控制系统简介

5．1．1 实时控制器

5．1．2 用户上位机软件

5．1．3 电动机械装置

5．2 系统参数辨识

5．2．1 参数JM、JL、Ksh、bM、bL的辨识

5．2．2 参数Khw的辨识

5．3 控制器输出限幅

5．4 自适应鲁棒控制算法调试

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录