多电机伺服系统耦合同步控制研究

摘要

现代科学技术的飞速发展，对伺服系统的控制精度和功率要求越来越高。随着大惯量、大功率负载的伺服系统需求逐步增加，单电机驱动由于输出力矩有限，往往在驱动大惯量负载时无法满足控制性能要求，进而影响生产效率。近来，多电机伺服系统的研究为解决大惯量负载控制问题提供了一条有效途径。然而，多驱动伺服系统中存在电机之间的相互耦合关系，使得系统的轨迹跟踪和同步控制精度难以同时保证。
　　本文以多电机伺服系统为主要研究对象，研究了多电机伺服系统的同步控制及整体设计方案，本文的主要工作如下:
　　首先，对多电机伺服系统进行建模和特征分析。在考虑综合扰动的情况下，构建多电机伺服系统的速度环模型。在其基础上，设计了基于模糊自抗扰的多电机跟踪控制器和基于自适应积分滑模的多电机同步控制器。引入模糊策略对扩张状态观测器的参数进行整定，实现了参数的动态调节。在传统相邻耦合策略的基础上，通过引入耦合因子，提出一种改进型相邻耦合策略，并一步结合滑模控制，构造自适应积分滑模型相邻耦合速度同步控制器，将切换增益大小控制在一个合理的范围内，有效降低了滑模的抖振现象，提高了系统的抗干扰能力。最后通过仿真验证了所提出算法的有效性。
　　建立多电机系统的位置环模型，提出一种偏差均值耦合位置环同步策略，结合快速非奇异终端滑模算法设计了多电机伺服系统的位置环同步控制器，实现了系统同步误差在有限时间内收敛;提出一种基于初态迭代学习控制律的多电机伺服系统位置环跟踪控制器设计方法，放宽了迭代学习初始定位的条件，实现系统的重复运动性能的提高，并对控制器进行了仿真验证。
　　在迭代学习理论的基础上，结合自抗扰控制和迭代学习控制各自的优点，进一步提出自抗扰迭代学习跟踪控制策略。将自抗扰控制中的有限时间跟踪微分器和扩张状态观测器与迭代学习控制相结合，分别设计基于迭代有限时间跟踪微分器和迭代扩张状态观测器的迭代学习跟踪控制器，实现了迭代初始值的优化及跟踪精度的提高，仿真结果验证了所提出的算法的有效性。
　　最后针对选定的双轴雕刻机和伺服驱动器，搭建了系统的实验平台。完成了基于扰动补偿的自抗扰偏差均值耦合控制器的系统调试。实验结果表明，基于自抗扰的耦合同步控制相较分布式控制具有更好的同步性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 背景和意义

1．2 多电机系统的研究现状

1．3 多电机伺服同步控制系统的研究现状

1．4 本文内容安排

第2章 自抗扰及迭代学习控制理论

2．1 自抗扰理论分析

2．1．1 自抗扰控制的产生及发展

2．1．2 自抗扰控制原理描述

2．2 迭代学习理论分析

2．2．1 迭代学习控制的产生及发展

2．2．2 迭代学习控制原理描述

2．4 本章小结

第3章 基于改进相邻耦合自抗扰的多电机速度同步控制

3．1 多电机速度环系统模型

3．2 传统相邻耦合同步策略

3．3 改进相邻耦合控制策略

3．4 控制器设计

3．4．1 基于模糊自抗扰的速度跟踪控制器设计

3．4．2 基于改进相邻耦合滑模的多电机同步控制器设计

3．5 多电机速度控制器系统仿真

3．6 本章小结

第4章 基于偏差均值耦合迭代学习的多电机位置同步控制

4．1 多电机位置环系统模型

4．2 偏差均值耦合控制策略

4．3 控制器设计

4．3．1 基于迭代学习控制的位置跟踪子控制器设计

4．3．2 基于非奇异终端滑模的位置同步子控制器设计

4．4 多电机位置控制器系统仿真

4．5 本章小结

第5章 基于自抗扰迭代学习的多电机同步控制

5．1 基于有限时间跟踪微分器的迭代学习控制

5．1．1 问题描述

5．1．2 迭代有限时间跟踪微分器

5．1．3 迭代学习控制算法设计

5．1．4 系统仿真

5．2 基于扩张状态观测器的迭代学习控制

5．2．1 问题描述

5．2．2 迭代扩张状态观测器设计

5．2．3 迭代学习控制算法设计

5．2．4 系统仿真

5．3 本章小结

6．1 引言

6．2 硬件搭建

6．3 软件设计

6．3．1 系统驱动器主程序

6．3．2 CAN总线

6．3．3 多电机同步的软件实现

6．4 实验结果分析

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果