电液负载模拟器非线性建模及补偿方法研究

摘要

电液负载模拟器优点很多，适用于大负载力矩，宽频带，高精度的航天飞行器负载模拟。但系统非线性导致响应偏差大、启动延时、低速匍匐、极限环振荡等现象的产生，很大程度上制约了航天飞行器控制性能的提高，因此，对非线性因素导致的不良后果进行研究并补偿具有重要的意义。摩擦和间隙等非线性环节会降低电液负载模拟器的跟踪精度，为消除这种现象，论文对电液负载模拟器摩擦和间隙非线性进行了建模辨识及补偿研究。
　　论文首先建立了电液负载模拟器的数学模型，采用两个液压缸对顶的物理模型等效方案，该物理模型与电液负载模拟器实际结构相匹配。在此基础上，建立了包含Stribeck摩擦和迟滞间隙的非线性数学模型。其次，重点对摩擦模型和间隙模型的参数进行辨识，根据试验测出扭矩角速度曲线，采用粒子群算法辨识出摩擦参数，以小幅值信号为指令采用辨识间隙幅值法辨识间隙参数。最后，根据所建模型选取干扰观测器补偿法对系统中的摩擦进行补偿，设计了保证加权闭环传递函数范数最小的外回路鲁棒控制器，并提出间隙逆模型自适应策略，根据间隙的变化实时调整逆模型参数，对滞后及偏差进行补偿。实验结果表明，补偿后系统的最大角位置跟踪误差均方值由原来的0.726°减小到了0.185°，最大角速度跟踪误差由原来的0.274rad/s减小到了0.037rad/s。辨识得到的摩擦和间隙参数与负载模拟器相匹配，有效补偿了滞后和偏差，提高了电液负载模拟器的跟踪精确度。
　　研究表明，本文所提出的电液负载模拟器系统非线性补偿方法是可行的，研究成果对今后电液负载模拟器的研究和研制都具有一定的借鉴作用。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 学位论文选题根据

1．2 课题背景意义

1．3 电液负载模拟器研究现状

1．3．1 电液负载模拟器发展历程简介

1．3．2 电液负载模拟器非线性的研究现状

1．3．3 机械系统中摩擦非线性的研究现状

1．3．4 机械系统中间隙非线性的研究现状

1．3．5 研究现状总结

1．4 研究内容

1．5 本章小结

2．电液负载模拟器系统建模

2．1 引言

2．2 电液负载模拟器工作原理简介

2．3 电液负载模拟器非线性影响因素分析

2．3．1 架构加入轴承引进摩擦的影响

2．3．2 结构增加了球铰副引起间隙的影响

2．4 电液负载模拟器数学模型建立

2．4．1 电液负载模拟器线性数学模型建立

2．4．2 摩擦模型建立

2．4．3 间隙模型建立

2．4．4 电液负载模拟器非线性数学模型建立

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 参数辨识的基本原理和策略

3．2．1 参数辨识的基本原理

3．2．2 参数辨识的粒子群算法策略

3．3 摩擦模型参数辨识

3．3．1 摩擦模型参数辨识的前期工作

3．3．2 摩擦模型参数辨识的具体步骤

3．4 间隙模型参数辨识

3．4．1 间隙模型参数辨识的前期工作

3．4．2 间隙模型参数辨识的具体步骤

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 摩擦补偿算法设计

4．2．1 基于模型的前馈摩擦补偿分析

4．2．2 基于干扰观测器的摩擦补偿分析

4．3 摩擦补偿算法的仿真研究

4．4 间隙补偿算法设计

4．4．1 固定逆模型补偿控制算法设计

4．4．2 自适应逆模型补偿控制算法设计

4．4．3 梯度自适应律设计

4．4．4 在线参数估计的收敛性证明

4．5 间隙补偿算法的仿真研究

4．5．1 系统频率响应分析

4．5．2 系统阶跃响应分析

4．6 本章小结

5．补偿控制算法的实验研究

5．1 引言

5．2 电液负载模拟器试验台

5．3 摩擦补偿算法的实验研究

5．4 间隙补偿算法的实验研究

5．4．1 系统频率响应试验

5．4．2 系统阶跃响应试验

5．5 实验结论

5．6 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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