仿真转台电液伺服系统辨识与预测控制

摘要

仿真转台作为制导武器系统的重要试验平台，具有重要的经济价值和战略意义，尤其在国防领域中占有举足轻重的地位。国内外对转台涉及的各项关键技术的研究都在不断地深入，技术水平也在不断地提高。电液位置伺服系统及其控制策略作为转台的关键技术，对转台性能指标有着极大的影响。采用液压马达作为驱动元件,并由此组成的电液位置伺服系统，是具有非线性特征的多输入/多输出系统。通过线性化处理并用线性控制方法虽然能够满足一定的性能要求，但这需要准确地知道系统各构成部分的数据，建立数学模型来实现。而在系统元件参数不能准确确定时，就需要采用辨识方法建模及配置相应的控制策略来满足性能要求。因此，根据转台电液位置伺服系统的特点，采用新的技术方法和手段，配置合适的控制策略，对仿真转台的研制与性能的提高具有十分重要的意义。
　　在大量查阅国内外相关文献的基础上，本文综述了国内外仿真转台的发展状况，包括总体结构形式，驱动方式，设计方法，控制策略，以及新技术的综合应用。同时也介绍了影响仿真转台主要性能的关键技术及相关因素，并概述了转台电液位置伺服系统相关问题，控制策略及实现方法。
　　本文以哈尔滨工业大学液压实验室的液压马达为驱动元件，组成电液位置伺服系统，结合LabVIEW的软硬件集成开发环境和模型预测控制方法，对电液位置伺服系统辨识以及预测控制方法的应用进行了研究。
　　通过建立单轴电液位置伺服系统模型，并对三阶化处理的模型进行分析计算，依此作为辨识模型的比较依据。针对转台电液位置伺服系统存在非线性特征，在系统元件参数不能准确确定时，建立系统控制模型存在不完备的问题。采用现代“虚拟仪器”技术，构造电液伺服系统的辨识系统。该系统能够并行处理电液伺服系统在线辨识三要素（误差评价、模型验证、模型阶的优化），同时给出参数与非参数模型。提高了系统辨识过程的综合性能，并可以较高的精度获得系统的参数模型。辨识方法快捷准确，实验模型能够有效地为伺服系统预测控制设计提供依据。
　　将模型预测控制MPC（ModelPredictiveControl）方法用于转台电液位置伺服系统，充分发挥预测控制基于模型又不过份依赖模型的控制特点。解决电液伺服系统不确定因素对性能的影响。在介绍MPC基本原理，模型预测描述方法基础上，为解决转台电液伺服系统响应速度问题，采用广义线性前馈（GeneralizedLinearFeedForwardFilter）预测控制的算法，以较低阶的滤波器模型精确地逼近系统。本文在理论分析的基础上，将此应用于电液位置伺服系统的模型预测，验证了GLFF低阶逼近系统的优势。通过采用Laguerre核的GLFF网络作为电液位置伺服系统的模型预测项组成MPC控制器，以电液位置伺服系统为控制对象，进行MPC控制器的分析、设计与仿真实验，解决了控制精度与响应速度的统一协调问题。
　　本文采用新的实验技术方法作为电液位置伺服系统基础实验平台。利用LabVIEW环境下的G语言+MATLAB的混合编程方法，充分发挥LabVIEW的硬件驱动及图形显示等底层函数功能，同时发挥MATLAB的控制算法功能，将两者相结合，用于伺服系统的性能测试与控制。通过对电液伺服系统的实验，体现了其综合优势。
　　在LabVIEW环境下所进行的电液位置伺服系统的辨识方法和测试控制实验方法，以及采用广义线性前馈网络的模型预测控制所进行的仿真，结果表明，采用本文涉及的辨识方法能够快速准确地获得实验模型用于控制设计，采用基于GLFF模型预测控制能够比常规方法获得更好的电液位置伺服系统的控制性能。

目录

仿真转台电液伺服系统辨识与预测控制

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外仿真转台概况

1.2.1 仿真转台的主要组成部分与作用

1.2.2 国外仿真转台的发展概况

1.2.3 我国仿真转台的发展概况

1.3 仿真转台的总体结构设计与关键技术

1.3.1 总体结构设计

1.3.2 仿真转台的关键技术

1.4 仿真转台的驱动型式与技术

1.4.1 电机驱动

1.4.2 液压驱动

1.5 仿真转台的控制方法与技术

1.5.1 仿真转台的控制方法概述

1.5.2 现代控制理论与技术在仿真转台上的应用

1.5.3 仿真转台电液位置伺服系统的性能研究概况

1.5.4 模型预测控制概述

1.6 论文的主要工作

第2 章 单轴电液位置伺服系统的建模及辨识研究

2.1 引言

2.2 单轴阀控马达电液位置伺服系统的数学模型

2.2.1 单轴电液位置伺服系统的组成

2.2.2 阀控马达动力执行机构传递函数

2.2.3 系统其它环节的传递函数

2.2.4 单轴电液位置伺服系统传递函数

2.2.5 单轴系统的基本设计与计算

2.3 基于LabVIEW 环境的阀控马达电液伺服机构系统辨识

2.3.1 基本原理简介

2.3.2 LabVIEW 环境下的系统辨识方案

2.3.3 电液位置伺服系统的辨识建模

2.4 本章小结

第3 章 模型预测控制（MPC）方法

3.1 引言

3.2 模型预测控制的基本原理

3.3 模型预测控制的一般描述方法

3.3.1 预测模型的描述形式

3.3.2 模型预测中的建模方式

3.4 典型模型预测控制原理

3.4.1 动态矩阵控制（DMC）

3.4.2 模型算法预测控制（MAC）

3.4.3 广义预测控制(GPC)

3.4.4 模型预测控制系统的分析

3.5 统一预测控制（UPC）

3.5.1 统一的预测模型

3.5.2 统一的目标函数结构

3.5.3 统一的控制律

3.6 模型预测控制的扩展与应用

3.6.1 多变量系统预测控制

3.6.2 非线性系统模型预测

3.6.3 其它形式的模型预测控制应用与有关问题

3.7 预测控制在电液伺服系统中应用与问题

3.7.1 电液伺服系统DMC 算法流程

3.7.2 电液伺服系统的预测控制

3.8 本章小结

第4 章 基于广义线性前馈的模型预测控制

4.1 引言

4.2 信号、系统、滤波器与预测模型

4.2.1 信号和系统

4.2.2 滤波器与预测模型

4.2.3 FIR型滤波器逼近未知系统方法

4.3 GLFF 结构定义与原理

4.3.1 GLFF 模型表述

4.3.2 关于GLFF 模型核的概念

4.3.3．GLFF 核的推导与性质

4.4 GLFF 预测模型的参数选择与优化方法

4.4.1 模型的维

4.4.2 N 的“优化”选择

4.4.3 加权向量w 的优化选择

4.4.4 时间尺度向量λ的优化选择

4.4.5 采用GLFF 网络的时域综合

4.4.6 GLFF 的应用

4.5 GLFF 预测模型的仿真实验

4.6 GLFF 预测控制仿真实验

4.7 本章小结

第5 章 单轴电液位置伺服系统的实验分析研究

5.1 引言

5.2 单轴电液位置伺服系统实验台与测控系统的组成

5.3 基于LabVIEW+MATLAB 电液伺服系统测控技术与方法

5.3.1 概述

5.3.2 图形化编程语言LabVIEW

5.3.3 LabVIEW 在国外仿真转台中的应用实例

5.3.4 LabVIEW 环境中MATLAB 的嵌入方法

5.3.5 LabVIEW 环境中电液位置伺服系统的结构与软件流程

5.4 单轴电液位置伺服系统测试与控制软硬件设计

5.4.1 测控系统主要硬件电路设计

5.4.2 测控系统主要应用软件设计

5.5 实验项目与结果分析

5.5.1 阶跃与方波响应实验

5.5.2 低速特性（斜坡响应）实验

5.5.3 正弦响应实验

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间已发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历