基于机电一体化耦合动力学模型的伺服控制系统研究

摘要

本文密切结合国家自然科学基金项目，以实现二自由度机械手全数字化仿真为目标，搭建了虚拟机电一体化样机模型，研究了系统的控制器设计及优化方法，并取得如下成果： (1).基于Matlab/Simulink及Adams商用软件，建立了伺服驱动及机械本体子系统的数字化模型，并以Matlab中S-function为源代码，开发了机、电两类子系统的接口程序，完成了整个系统的虚拟样机模型。采用“位移/速度驱动，实时负载反馈”的控制策略，解决了半闭环控制中信息交换实时性的问题。 (2).基于图形化编程语言，分别建立了空间矢量脉宽调制、基于U-I模型的定子坐标系的转矩和磁链观测器，基于转子旋转坐标系的磁链观测器等模块，并采用两种变频调速技术(直接转矩控制和矢量控制)，完成了伺服驱动系统的快速化建模。 (3).依内环到外环的PID整定策略，分别对基于直接转矩控制(DTC)和矢量控制(VC)系统的电流环，速度环和位置环进行优化设计，保证了整个系统的鲁棒性。在此基础上，给出了合适的速度及加速度前馈参数，保证了系统在运行过程中的跟随特性。通过比较发现，DTC系统的快速性优于VC系统，而VC系统的稳定性能更好。 (4).针对变负载的实际工况，对上述半闭环系统的位置环采用模糊规则实时调节。将模糊策略进行封装并增加到整个仿真试验系统中，通过模糊仿真发现，所设计的模糊自适应优化策略比单纯VC系统要优良的多。 上述研究成果不仅为机械手数控技术的开发具有一定的指导作用，而且还可以为机械零部件的优化设计的优劣和评判奠定了坚实的基础。

目录

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第一章绪论

1.1.课题研究意义

1.2.国内外研究现状

1.2.1机械子系统建模技术

1.2.2伺服电机变频调速系统分析

1.2.3伺服驱动子系统控制器设计

1.2.4机、电信息交换技术以及虚拟样机设计

1.3.本文的主要研究内容

第二章机电一体化系统全数字化模型

2.1引言

2.2机械子系统

2.3伺服子系统

2.3.1电机的选择

2.3.2直接转矩控制原理及数字化仿真

2.4联合仿真

2.5仿真及结果

2.6小结

第三章矢量控制原理及其数字化实现

3.1引言

3.2矢量控制模型

3.2.1.基于转子磁场定向的矢量控制

3.2.2.Clark变换

3.2.3.Park变换

3.2.4.电机的数学模型

3.2.5.Svpwm理论及其数字化实现

3.3 PID参数整定

3.3.1.电流环

3.3.2.速度环

3.3.3.位置环

3.3.4.前馈引入

3.4仿真与比较

3.5结论

第四章模糊自适应PID参数在线整定

4.1引言

4.2模糊自适应PID原理

4.3模糊自适应PID控制器数字化实现

4.3.1量化因子及比例因子

4.3.2模糊控制器的输入、输出量及模糊化

4.3.3模糊控制规则

4.3.4去模糊化方法

4.3.5数字化实现

4.4仿真与比较

4.5小结

第五章全文结论

5.1结论

5.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢