伺服驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)自動化最為重要的控制和執(zhí)行機構(gòu)之一,在數(shù)控機床、機器人、航天軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來,國產(chǎn)伺服技術(shù)研發(fā)水平不斷提高,其市場占有率增長迅速。伺服驅(qū)動越來越多需要響應(yīng)機械的需求,如彈性連接、間隙、機器安全等等,這些問題所帶來的技術(shù)難點目前仍然處于探索階段,國內(nèi)外商用伺服相應(yīng)技術(shù)的研究均缺乏亮點。本論文針對驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定及機械參數(shù)未知、機械諧振引起的安全性、間隙非線性等問題展開關(guān)鍵技術(shù)的研究,從而為研發(fā)更高性能伺服驅(qū)動產(chǎn)品提供新的理論與實踐探索,對實現(xiàn)國產(chǎn)伺服技術(shù)的趕超及引領(lǐng)具有重要意義。具體研究內(nèi)容包括:首先,針對伺服驅(qū)動系統(tǒng)機械參數(shù)未知及結(jié)構(gòu)不確定問題,本論文利用最小二乘技術(shù)辨識系統(tǒng)機械參數(shù),并提出基于評價函數(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)辨識方法,從而實現(xiàn)伺服驅(qū)動系統(tǒng)機械參數(shù)與結(jié)構(gòu)的雙重辨識。分別建立單慣量與雙慣量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)最小二乘原理,辨識系統(tǒng)中慣量、阻尼、剛度等機械參數(shù)。然后,假定系統(tǒng)為雙慣量結(jié)構(gòu),依據(jù)電機本體慣量的辨識結(jié)果建立評價函數(shù),并確定負載系統(tǒng)結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)系統(tǒng)機械參數(shù)與結(jié)構(gòu)的雙重辨識,并為后續(xù)關(guān)鍵技術(shù)的研究提供準確的系統(tǒng)模型。然后,以雙慣量彈性系統(tǒng)模型為被控對象,依次研究比例積分(Proportional integral,PI)控制、模型預(yù)測控制(Model Predictive Control,MPC)以及顯示模型預(yù)測(Explicit Model Predictive Control,EMPC)-比例積分切換控制,從而抑制系統(tǒng)機械諧振并實現(xiàn)軸矩限幅控制。首先依據(jù)相同阻尼系數(shù)的極點配置法整定PI控制器參數(shù),但有限的極點配置范圍使得該方法并不能有效抑制機械諧振現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上,研究MPC控制器并簡化為半離線半在線計算的EMPC。為了拓展算法在伺服產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍,首次提出EMPC-PI切換控制方法,以速度誤差滯環(huán)作為切換條件,經(jīng)實驗驗證,該算法在抑制機械諧振、實現(xiàn)軸矩限幅的同時,兼顧快速的動態(tài)響應(yīng)。進一步,當傳動裝置中含有齒輪或者滾珠絲杠等部件時,會為系統(tǒng)引入間隙非線性。本文在速度環(huán)下分析間隙機理,并提出自適應(yīng)軸矩補償策略,從而抑制間隙。首先將間隙非線性建模為死區(qū),并利用描述函數(shù)法對其進行機理分析,表明間隙的存在會等效降低軸剛度,同時降低系統(tǒng)諧振頻率并加劇振蕩幅值。然后,提出一種自適應(yīng)軸矩補償算法,通過反饋與補償參數(shù)的設(shè)計,使系統(tǒng)等效為單慣量剛性系統(tǒng),從而抑制間隙引起的振蕩,并實現(xiàn)軸矩限幅控制。進一步結(jié)合負載慣量辨識技術(shù)來提高算法的自適應(yīng)性。最后,將間隙在速度環(huán)的研究拓展到位置環(huán),針對全閉環(huán)系統(tǒng)中的極限環(huán)振蕩現(xiàn)象進行機理分析并提出抑制措施。利用描述函數(shù)法結(jié)合Nyquist穩(wěn)定判據(jù)推導(dǎo)極限環(huán)頻率表達式,并分析系統(tǒng)機械參數(shù)對極限環(huán)特性的影響。為了抑制極限環(huán)振蕩,采用基于極點配置的線性狀態(tài)反饋控制手段,將系統(tǒng)等效補償為單慣量剛性系統(tǒng),從而抑制極限環(huán)振蕩。最終,實驗結(jié)果證明所提出方法能夠在不同工況下有效抑制極限環(huán)振蕩。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM921.541;TH112
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究的目的和意義
    1.2 課題相關(guān)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 系統(tǒng)辨識策略研究現(xiàn)狀
        1.2.2 機械諧振抑制及軸矩限幅控制研究現(xiàn)狀
        1.2.3 間隙非線性分析及補償策略研究現(xiàn)狀
        1.2.4 全閉環(huán)系統(tǒng)中的極限環(huán)機理分析與抑制研究現(xiàn)狀
    1.3 本文主要研究內(nèi)容
第2章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)機械參數(shù)與結(jié)構(gòu)辨識
    2.1 引言
    2.2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
        2.2.1 單慣量剛性系統(tǒng)建模
        2.2.2 雙慣量彈性系統(tǒng)建模
    2.3 系統(tǒng)機械參數(shù)辨識
        2.3.1 遞推最小二乘原理
        2.3.2 單慣量系統(tǒng)的機械參數(shù)辨識原理
        2.3.3 雙慣量系統(tǒng)的機械參數(shù)辨識原理
    2.4 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)辨識
    2.5 驅(qū)動系統(tǒng)辨識實驗驗證
        2.5.1 對拖實驗平臺
        2.5.2 參數(shù)辨識算法的計算時間測試
        2.5.3 驅(qū)動系統(tǒng)辨識實驗結(jié)果及分析
    2.6 本章小結(jié)
第3章 雙慣量系統(tǒng)機械諧振抑制及軸矩限幅控制
    3.1 引言
    3.2 基于極點配置法的PI控制器參數(shù)優(yōu)化
    3.3 模型預(yù)測控制MPC策略
        3.3.1 MPC在線計算原理
        3.3.2 EMPC半離線半在線計算原理
        3.3.3 軸矩限幅的制約條件
    3.4 EMPC-PI切換控制器的設(shè)計
        3.4.1 DSP數(shù)據(jù)存儲空間測試
        3.4.2 切換條件的設(shè)計
    3.5 諧振抑制及軸矩限幅控制實驗驗證
        3.5.1 諧振實驗平臺
        3.5.2 工程法設(shè)計PI控制實驗結(jié)果及分析
        3.5.3 極點配置法優(yōu)化的PI控制實驗結(jié)果及分析
        3.5.4 EMPC-PI控制效果及魯棒性分析
    3.6 本章小結(jié)
第4章 間隙非線性振蕩機理分析及補償
    4.1 引言
    4.2 含間隙非線性的雙慣量系統(tǒng)模型建立
        4.2.1 間隙非線性建模
        4.2.2 含間隙雙慣量系統(tǒng)建模
    4.3 間隙非線性振蕩的機理分析
    4.4 自適應(yīng)軸矩補償算法
        4.4.1 低通濾波器的改進
        4.4.2 軸矩補償策略參數(shù)的設(shè)計
        4.4.3 自適應(yīng)性分析
    4.5 自適應(yīng)軸矩補償策略實驗驗證
        4.5.1 間隙實驗平臺
        4.5.2 陷波濾波器實驗結(jié)果及分析
        4.5.3 自適應(yīng)軸矩補償策略實驗結(jié)果及分析
    4.6 本章小結(jié)
第5章 全閉環(huán)系統(tǒng)中極限環(huán)振蕩機理分析及抑制
    5.1 引言
    5.2 半閉環(huán)與全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)分析
        5.2.1 半閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)特征
        5.2.2 全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)特征
    5.3 極限環(huán)振蕩的機理分析
        5.3.1 極限環(huán)頻率推導(dǎo)
        5.3.2 系統(tǒng)參數(shù)對極限環(huán)的影響
    5.4 基于狀態(tài)反饋控制的極限環(huán)抑制策略
        5.4.1 狀態(tài)反饋控制結(jié)構(gòu)
        5.4.2 狀態(tài)反饋系數(shù)設(shè)計
        5.4.3 狀態(tài)反饋策略仿真分析
    5.5 極限環(huán)機理分析及抑制實驗驗證
        5.5.1 極限環(huán)特性的實驗結(jié)果及分析
        5.5.2 極限環(huán)抑制的實驗結(jié)果及分析
    5.6 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝
個人簡歷

【參考文獻】

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本文編號：2842733