PMSM位置伺服系统鲁棒控制技术研究

为提高永磁同步电机(PMSM)位置伺服系统的鲁棒抗扰特性,设计基于Backstepping控制、前馈控制和等价输入干扰(EID)估计的鲁棒抗扰控制策略。Backstepping控制是基于系统稳定性的控制方法,而前馈控制可以提升系统的响应速度,两者结合并设计合适的参数可以使系统在稳定的前提下具有一定的快速响应能力,再与具有良好扰动抑制功能的等价输入干扰估计器共同作用,可以有效提升系统的动态跟踪特性和抗干扰特性。通过计算机仿真实验对干扰作用下估计器的性能进行测试,得到良好的估计结果,验证估计器的可靠性;又通过仿真实验对系统进行阶跃响应测试、动态跟踪性能测试和鲁棒性测试,并与传统PID位置伺服控制进行对比分析,验证该鲁棒控制策略的有效性。     

跟踪系统中多闭环控制模式的分析和实现

实现高精度跟踪,尤其在外界干扰力矩下,必须增加系统刚度来提高系统的扰动抑制能力.提出将加速度反馈引入常规的跟踪系统控制方式中,实现了由电流环、加速度环、速度环、位置环构成的四闭环控制模式.高增益的加速度反馈为系统提供一个响应更快、带宽更宽的内环,克服了单纯速度反馈带宽窄的特性.首先从理论上分析和证明了该方法的意义,多闭环控制模式可以提高系统的刚度,从而增强系统的抗扰动能力;同时,在加速度反馈的基础上研制前馈控制器,能够进一步提高大速度目标的跟踪性能.在某一实际的系统中对多闭环控制模式进行了实验验证,结果表明:同以往的控制方法相比扰动抑制带宽由15 Hz 提高到30 Hz ;并且在10 Hz 以下频率获得了-30 dB 抑制能力.     

惯性平台稳定回路多闭环串级控制

针对惯性平台稳定回路中采用速率陀螺构成单速度环伺服控制系统的不足,本文提出采用直流测速机为电机转速测量反馈元件构成数字速度内环,采用陀螺为载体转速测量元件构成数字稳定外环组成双速度闭环串级控制结构.在常规的跟踪系统PI控制方式中,实现了由电流环,速度环,稳定环构成的三闭环控制模式,并和电流环,单速度稳定环构成的双闭环控制方式进行比较.实验结果表明:在扰动频率较高环境下,采用单速度环即可获得较好的稳定精度.而采用双速度环提高了系统对低频的抑制能力,并且对摩擦等非线性因素有更好的抑制作用.     

惯性稳定平台建模及振动传递率分析

根据对称性,在任意一个自由度方向将惯性稳定平台简化为单自由度系统。根据动力学原理,建立了惯性稳定平台的驱动模型和数学模型。万向环和柔性支撑组合使用让惯性稳定平台系统结构紧凑,对线振动不敏感,能抑制部分角振动。转动惯量比较小时,驱动力矩主要由控制带宽决定。依据数学模型推导出振动传递率和惯性稳定平台系统扭转固有频率以及环境振动角频率之间的关系,惯性稳定平台系统结构上对大于6Hz的环境角扰动能够起到隔振作用。惯性稳定平台在两个自由度方向的闭环控制带宽都达到了100Hz,但系统闭环后的隔振效果有待进一步研究。     

受需求扰动的供应链系统最优跟踪控制

针对动态供应链系统中市场需求扰动引起的牛鞭效应问题,提出一种基于前馈补偿的最优跟踪控制设计方法.首先,针对需求扰动可模型化为线性外系统的情形,引入了一个渐近稳定的期望系统;然后,基于线性二次型性能指标,给出了受需求扰动的供应链系统的前馈反馈最优跟踪控制器设计方法.控制器的反馈增益和前馈增益可分别通过求解Riccati方程和Stein方程得到.仿真结果表明,提出的前馈反馈最优跟踪控制方法能有效抑制需求扰动对供应链系统的影响,改善供应链系统的动态性能,且该方法明显优于经典的最优跟踪控制.     

一种基于自适应灰色预测控制的复合控制方法

通过对稳定平台位置跟踪回路的时滞特性分析,提出了一种基于自适应灰色预测控制的复合控制方法(CAGPC),从而提高稳定平台伺服系统的响应和干扰的抑制。首先针对常规固定步长灰色预测和预测模型存在预测误差的弊端,提出了一种同时调节预测步长和综合误差权值的自适应调节模块,依据控制系统实际误差和预测误差,同时调节灰色预测步长和预测误差的权值,来提高预测模型的适应性与系统的控制精度;其次针对外界干扰引入前馈补偿控制器对扰动进行抑制来改善稳定平台伺服系统的干扰抑制;最后通过数值仿真和稳定平台实验验证表明,基于自适应灰色预测控制的复合控制方法提高了稳定平台伺服系统的响应和干扰抑制能力。     

基于传感器优化与鲁棒预测的等效加速度前馈

在一类仅安装MEMS加速度计和图像传感器的光电跟踪系统中,等效加速度前馈控制方法能够有效提高系统的跟踪能力.但是,加速度计低频噪声、目标合成轨迹延迟和运动模型不确定性,会对跟踪效果带来限制.因此,本文提出一种基于传感器优化与鲁棒预测的等效加速度前馈方法,来进一步提升系统的跟踪能力.使用加速度计测量值和系统加速度模型计算值进行频域融合,可以优化加速度计的低频性能;而采用鲁棒预测算法,能够减弱目标合成轨迹延迟及运动模型不确定性的影响,获得更准确的加速度前馈值.实验结果表明,该方法可以提高系统在0.1 Hz～4.5 Hz的跟踪能力.     

捷联稳定技术在两轴光电跟踪仪中的应用

载体平台摇摆对两轴光电跟踪仪光轴指向的扰动是制约光电跟踪仪跟踪稳定性和跟踪精度提高的关键因素.本文首先从控制原理出发比较了传统速率稳定方式与捷联稳定方式,然后针对两轴光电跟踪仪捷联稳定方式建立了扰动作用于光轴指向分量的数学模型,最后对某型光电跟踪仪采用了捷联稳定技术,并设计了相应的伺服系统,试验表明此系统设计合理,满足...     

光电跟踪系统力矩波动的自抗扰控制

为解决光电跟踪伺服系统受电机力矩波动影响产生的速度波动问题,提出了一种改进的自抗扰控制策略进行力矩波动补偿。该算法主要由两部分组成:通过扩张状态观测器辨识出系统扰动,然后将该扰动前馈到系统控制量中去,构成复合校正系统;反馈通道中采用两参数的比例微分控制器,可以保证系统的稳定性和良好的动态特性。仿真分析和实验结果表明:与同等闭环控制带宽的PI控制器相比,自抗扰控制器可以提高系统对扰动力矩的抑制能力,采用自抗扰补偿时,速度误差的峰值由1.88%降低到0.65%,速度误差的均方根值由0.8%降低到0.2%。实验结果证明提出的方法能够有效降低电机力矩波动的影响,提高速度平稳性。     

自适应逆控制FXLMS算法有源噪声控制仿真研究

前馈有源噪声控制方法可在较宽的频带有效，使之获得了广泛的应用，在前馈有源噪声控制中，直接使用传统的FXLMS算法时，由于次级通道传递函数往往是非最小相位系统，导致系统的性能下降，文中提出一种基于非最小相位系统逆控制的自适应前馈有源噪声控制FXLMS算法，用带宽随机噪声信号和实测风机通风管道噪声信号进行仿真实验研究，结果表明，较传统的FXLMS算法有明显的改进。     

基于前馈控制的高速大行程圆弧滑轨位置控制

针对高速大行程圆弧滑轨系统运行时,受圆弧轨道弧度和轨道段连接问题的影响,负载小车运行不稳定、响应速度不快、末端位置定位误差大的问题,设计了一套双轨式机械滑动结构,以提高小车运行稳定度。在控制系统方面,位置环采用前馈控制,结合PID控制提高了电机的控制精度。建立了圆弧滑轨平台的数学模型,在MATLAB仿真环境中建立了基于前馈控制的仿真模型,并搭建了实验平台。仿真实验结果表明：在无前馈控制的情况下,跟踪误差范围为[-0.4,0.4]mm,引入前馈控制后,跟踪误差为[-0.18,0.18]mm,系统跟踪精度提高了1.2倍,系统响应速度提高了16.7%。实验结果表明：在前馈控制条件下,小车理论位置误差保持在[-0.2,0.2]mm,实际位置误差为0.69 mm,均小于设计所要求的1 mm,并且系统具有较快的响应速度。研究结果为滑轨系统的机械设计和性能测试提供了有效的参考数据,可促进轨道系统测试的工业自动化。     

基于非最小相位系统自适应逆控制的有源消声研究

前馈有源噪声控制(active noise control，ANC)方法可在较宽的频带有效。在前馈有源噪声控制中，直接使用传统的FXLMS算法时，由于次级通道传递函数往往是非最小相位系统(non—minimum phase，NMP)，导致系统的性能下降。本文提出一种基于NMP逆控制的自适应前馈有源噪声控制FXLMS算法，用带宽随机噪声信号作为噪声源进行仿真实验研究，在一通风管道上进行了实时ANC实验，结果表明较传统的FXLMS算法有明显的改进。     

转子振动的前馈自学习控制

针对转子轴承系统由不平衡引起的振动，提出不需建立对象数学模型、能够在转子工作转速下进行实时在线主动控制的前馈自学习控制方法。对这种控制方法在转子不停车的情况下自动实现不平衡振动的识别和控制过程的理论及算法进行了论述和推导。最后在单盘对称转子轴承系统上进行了实验验证，实验结果证明该基于减振原理的控制方法对不平衡振动具有较好的抑制能力。     

机载摄影稳定平台的自抗扰控制

针对航空摄影稳定平台中非线性、多干扰的控制问题,采用自抗扰控制方法对三框架稳定平台进行分散独立控制。利用拉格朗日定理建立了考虑外部干扰的三框架结构稳定平台的动力学方程。设计独立的扩张状态观测器对每个环架的未知模型动态与外部扰动进行动态估计和补偿,采取非线性状态反馈控制以提高系统的控制性能。通过仿真和实验证明采用该方法设计的控制器不仅能满足系统稳态精度的要求,而且有效抑制了负载变化和不确定性扰动对系统的影响,提高了系统的稳定性和适应性。     

基于奇异摄动理论的电液伺服系统Backstepping滑模自适应控制

针对电液伺服位置跟踪系统中存在的非线性特性、系统参数和外部负载的非匹配不确定性,提出了基于奇异摄动理论的电液伺服系统的Backstepping滑模自适应控制。利用奇异摄动中双时间刻度理论将原系统分解为快慢变子系统,分别设计快变和慢变子系统的控制律,再合成得到复合控制器。应用Backstepping的逆向递推方法有效地解决了高阶非线性系统的控制问题,用滑模方法抑制系统的外部扰动,对系统的不确定性参数进行自适应估计。数字仿真的结果验证了所设计控制器的正确性和有效性。     

立式直线驱动的配重波动建模与动态补偿抑制

针对直线电机立式驱动时受配重装置扰动而产生冲击的特点,提炼并归纳了引起冲击的配重平衡力波动和配重摩擦力波动因素;基于等熵一元绝热气流理论,构建了配重平衡力波动模型;利用Stribeck原理,构建了改进的配重摩擦力波动模型;通过永磁同步直线电机的电磁推力方程,设计了基于动态补偿器的配重扰动抑制方法;结合电流环双PID解耦与速度环模糊PID自适应参数整定,构建立式直线驱动控制系统。以电火花机主轴为例进行仿真和实验,结果表明驱动系统的速度波动和振动得到了有效的抑制,相比传统的控制方法位置和成形精度更高。     

自抗扰控制在航空成像稳定平台上的应用

针对航空成像稳定平台工作过程中的扰动问题,本文提出采用自抗扰控制方法,对力矩波动、传感器误差等不确定因素,进行非线性的估计与动态补偿分析。该方法根据两轴直角速率陀螺平台的系统结构,导出控制系统回路的状态方程,采用跟踪-微分器安排过渡过程,非线性地观测含总扰的扩张状态变化,对反馈误差做开关式的饱和处理。由对设计系统的仿真,基于自抗扰控制模拟了航空成像稳定平台的视轴稳定与像移补偿,并对比其与PID控制在不同幅、频扰动下的跟踪效果,探讨其对不同扰动的适应能力。最后的正弦加扰的引导结果表明,自抗扰控制的影像定位精度较高,在系统受到白噪声与低频波动的干扰时,位置误差较PID控制提高了44.57%;而随输入信号与扰动频段的升高,自抗扰控制的优势有所下降。     

光电跟踪器船摇自稳定建模及仿真

为弥补只针对横摇和纵摇建模的不足,提出了包含艏摇的完整的三自由度视轴稳定模型。采用位置坐标变换把大地坐标系的位置引导数据转换到甲板坐标系,引导光电跟踪器在甲板坐标系捕获目标,以解决船摇位置扰动。通过速度坐标变换建立视轴速度干扰模型,应用前馈控制技术补偿船摇速度扰动,从而提高原Ⅰ型位置伺服系统海况跟踪测量的精度和平稳性。应用所建模型进行仿真,结果表明,光电跟踪器的视轴指向与船摇扰动的隔离度超过40dB,可以保证光电跟踪器在五级海况下实现自稳定功能。     

基于ADRC的网络化运动控制系统高精度轮廓跟踪控制

本文研究了具有重复任务性质的网络化运动控制系统高精度轮廓跟踪控制问题。首先,分析了网络时延给系统带来的影响,基于自抗扰控制设计了单轴跟踪控制器,将时变时延带来的不确定性建模为系统总和扰动的一部分,设计扩张状态观测器对总和扰动进行估计,并在前馈通道中对其进行补偿,消除时变时延影响,得到稳定的单轴跟踪控制。其次,基于迭代学习交叉耦合控制设计了轮廓误差补偿控制器,实现高精度轮廓跟踪控制。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。这种控制方法在设计过程中不依赖于系统模型信息,为网络化运动控制系统轮廓跟踪控制方法的研究及应用提供了一种新的思路。     

一种绳牵引摄像机器人的运动控制策略与稳定性研究

绳牵引摄像机器人具有索单向受力、冗余驱动以及高速机动等特性,因而其稳定性问题的研究与解决是一个难题。现有的研究中,大多没有考虑摄像机器人的高速稳定运动特性及控制方法。为此,提出一种基于末端位置空间PD修正前馈控制规则保证摄像机器人的稳定运行。通过牛顿-欧拉法建立了末端执行器的动力学方程以及驱动系统的动力学模型;在此基础上得到了整个系统的动力学模型;在系统动力学模型的基础上,提出基于末端位置空间PD修正前馈控制规则的绳牵引摄像机器人跟踪控制策略,通过Lyapunov稳定性理论论证了控制策略的稳定性;通过数值算例说明了摄像机器人的稳定跟踪性能,并且验证了控制策略的有效性。