振动控制的半物理仿真设计和控制系统研究

摘要

振动控制技术在现代科技中的应用十分广泛，例如桥梁、高楼大厦等建筑，高精度的数控机床、精密的机器人、离心机、涡轮机等机械设备，高速列车、高档汽车、飞机等交通工具，导弹、潜艇等军事武器这些都离不开振动控制技术的支持，否则难以制造高精尖的设备，甚至造成工程事故。因此，振动控制技术的研究具有重要意义。在很多先进的振动控制技术应用中，控制系统的设计是关键，设计不好会带来反作用，因而有必要对振动控制系统进行更深入的研究。半物理仿真是很有发展前景的控制系统设计技术，包含快速控制器原型和硬件在回路仿真两大功能，在航空航天、机器人、汽车、工业控制等领域有着较多的应用。此系统拥有一套功能强的控制器硬件及软件，具备模型化编程方法，能够自动生成代码，因而研究人员能快速搭建控制系统，实现快速控制器原型的功能;对设计好的控制系统，采用半物理仿真技术，模拟被控对象，研究人员能全面地测试控制系统的性能，实现硬件在回路仿真的功能。本文针对振动控制系统设计的特点，主要做了以下四部分工作: 1.基于MATLAB/Simulink和TI TMS320F28335DSP，设计了一种用于开发振动控制系统的半物理仿真系统。该系统包括三个部件:(1)高性能的控制系统硬件，包括6通道高精度的AD，用于采集振动信号，4通道DA，用于输出模拟信号控制减振器的线圈电流、电机等，SPI、I2C、RS232等通讯接口，用于跟传感器和监控计算机的通讯，PWM和IO接口，用于电机、继电器等的控制，这些接口能满足大多数振动控制系统硬件功能的需求;(2)支持MATLAB/Simulink模型化开发的软件工具箱，具有自动代码生成功能，进行控制系统开发时，在Simulink中搭建含有算法和硬件接口的控制程序，然后自动生成控制程序的DSP代码，把代码下载到DSP处理器中并运行该程序，实现振动信号采集，控制程序执行和控制信号输出;(3)一套计算机的监控软件，能实现数据的观测、控制参数的在线修改和数据的采集等功能。 2.设计了一套对振动控制算法进行性能评估的半物理仿真系统——直线电机驱动的二级倒立摆。选用输出力线性度好的直线电机作为驱动电机，对直线电机驱动的二级倒立摆进行分析，建立了一阶状态方程的模型。对振动控制常用的线性二次型最优控制LQR和滑模鲁棒控制算法进行分析，采用前面所述的半物理仿真系统，并通过这两种算法成功实现直线电机二级倒立摆的平衡控制。同时，对比分析这两种算法的控制实验，发现LQR控制算法具有更高的控制精度，而滑模变结构控制具有更好的鲁棒性能。 3.针对机械系统存在的不确定性扰动，如机械振动系统负载的变化和材料的老化，采用模糊数学的方法描述这种不确定性，建立了基于二阶微分方程的模糊机械系统模型，阐述了其特性并设计了对应的鲁棒控制器。利用Lyapunov-minmax理论，选择合适的Lyapunov候选函数，证明了设计的控制器的稳定性。以二轴机械臂为例进行分析，将模糊机械系统的鲁棒控制和传统的建模方法的PD控制进行比较，结果表明前者能取得更好的控制效果。 4.利用设计的半物理仿真系统开发了机械式自调谐动力吸振器、磁流变液阻尼器、磁流变弹性体动力吸振器的控制系统。研究表明开发的半物理仿真系统能解决多种减振器的控制问题。(1)机械式自调谐吸振器的控制系统:通过采集加速度信号和吸振器弹簧跨距的位移传感器信号，采用变步长自寻优算法，控制吸振器进行移频，在多模态实验平台上进行减振实验，在11Hz-18Hz的单频激励下，达到-4.5dB以上的减振效果;(2)磁流变液阻尼器的控制系统:通过采集1/4车辆实验台架的上下质量块的速度信号，采用On-Off控制和模糊控制算法，对磁流变液阻尼器进行控制，实现上质量块减振的目的。在实验台架上进行减振实验，当激振频率的变化范围为1.2Hz-2.4Hz时，最高能达到22％的减振效果;(3)磁流变弹性动力吸振器的控制系统:通过采集减振平台的加速度信号、吸振器动质量块和基座的速度信号，控制磁流变弹性体的励磁线圈的电流和音圈电机的主动力，实现变步长自寻优算法和相位调节算法。在多模态实验平台上进行减振实验，能够在11-18Hz的范围内取得-5dB以上的减振效果。

目录

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摘要

图目录

表目录

1．1引言

1．2振动控制技术研究现状

1．2．1振动控制分类

1．2．2振动控制系统和控制算法研究

1．3振动控制中的吸振和隔振

1．3．1动力吸振器

1．3．2隔振器

1．4半物理仿真研究概述

1．4．1快速控制原型

1．4．2硬件在环仿真

1．4．3 V模式控制系统开发

1．5自动控制算法评估平台研究概述

1．6本论文主要研究内容

2．1前言

2．2振动控制半物理仿真系统架构

2．3硬件设计

2．4自动代码生成和Simulink工具箱设计

2．4．1自动代码生成

2．4．2 Simulink工具箱设计

2．5监控软件设计

2．5．1总体功能设计

2．5．2变量实时显示

2．5．3参数在线调节

2．5．4变量保存

2．6小结

第3章振动控制的自动控制算法评估平台研究

3．1前言

3．2机电系统的力学建模、控制算法设计、仿真和实时控制

3．3基于一阶状态方程的直线电机二级倒立摆建模

3．4基于精确模型的LQR控制算法的评估

3．5滑模变结构鲁棒控制算法的评估

3．6小结

4．1前言

4．2模糊机械系统的控制方程与基本特征

4．2．1基于二阶微分方程的模糊机械系统

4．2．2模糊机械系统的基本特征

4．3模糊机械系统的鲁棒控制器设计和稳定性分析

4．3．1鲁棒控制系统的设计和稳定性分析

4．3．2模糊机械系统的鲁棒控制器设计

4．3．3李雅普诺夫候选函数选择及合理性分析

4．3．4模糊机械系统的鲁棒控制器稳定性分析

4．4二轴机械臂的建模、鲁棒控制设计和仿真

4．4．1二轴机械臂的模糊机械系统建模

4．4．2二轴机械臂的鲁棒控制器设计和仿真实验

4．5小结

第5章基于半物理仿真的振动控制系统研究

5．1前言

5．2机械式自调谐动力吸振器控制器的设计

5．2．1机械式自调谐动力吸振器控制器和减振实验平台

5．2．2机械式自调谐动力吸振器控制系统设计及实验

5．3磁流变液阻尼器控制器的设计

5．3．1磁流变液阻尼器和四分之一车辆系统实验平台

5．3．2磁流变液阻尼器控制器的设计

5．4磁流变弹性体动力吸振器控制器的设计

5．4．1磁流变弹性体动力吸振器和减振实验平台

5．4．2磁流变弹性体动力吸振器控制系统设计及实验

5．5小结

第6章总结和展望

6．1总结

6．2创新点

6．3展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果