【摘要】：高速高精的運(yùn)動(dòng)控制對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制性能要求很高,伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅需要具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,而且能夠?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)的不確定性以及外部的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。因此,需要探尋一種控制策略來保證伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制性能,經(jīng)典的PID控制方法簡(jiǎn)單,高效,易于實(shí)現(xiàn)。然而,由于實(shí)際的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在著一定的非線性和不確定性因素,這些因素將直接影響經(jīng)典PID的控制性能。因此,本文將利用分?jǐn)?shù)階微積分理論對(duì)傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行拓展和優(yōu)化,研究分?jǐn)?shù)階PID控制策略,旨在繼承和發(fā)揚(yáng)傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)其不足,以滿足高性能交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求。由于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能與控制參數(shù)密切相關(guān),因此,為了使分?jǐn)?shù)階PID控制器能盡量發(fā)揮出其控制的優(yōu)勢(shì),本文將重點(diǎn)研究分?jǐn)?shù)階PID控制器的參數(shù)整定方法,通過相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究,探尋穩(wěn)定、高效以及適用性廣的分?jǐn)?shù)階PID參數(shù)整定方法。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,首先對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度環(huán)控制模型進(jìn)行了分析,并建立了其分?jǐn)?shù)階數(shù)學(xué)模型,同時(shí),提出了一種基于優(yōu)化算法的分?jǐn)?shù)階模型參數(shù)的辨識(shí)方法。相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)證明了分?jǐn)?shù)階模型可以更好地描述交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。然后,開展了分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)整定策略的研究,包括圖形化整定,數(shù)值化整定以及在線整定三類方法。具體的研究?jī)?nèi)容如下：對(duì)于基于模型的圖形化整定,提出了一種基于不確定參數(shù)模型的分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)圖形化整定方法,利用該方法所設(shè)計(jì)的分?jǐn)?shù)階PID控制器對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的變化具有很強(qiáng)的魯棒性；對(duì)于無模型的圖形化整定,提出了一種基于頻率響應(yīng)的分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)圖形化整定方法,該方法能同時(shí)適用于線性和非線性分?jǐn)?shù)階PID控制器。對(duì)于基于模型的數(shù)值化整定,提出了一種基于改進(jìn)型隨機(jī)多參數(shù)優(yōu)化算法(SMDO優(yōu)化算法)的分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)整定方法,該方法綜合考慮了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)域和頻域性能指標(biāo),并能適用于整數(shù)階和分?jǐn)?shù)階系統(tǒng),同時(shí)改進(jìn)了傳統(tǒng)的SMDO優(yōu)化算法,提高了整定算法的準(zhǔn)確性和效率：對(duì)于無模型的數(shù)值化整定,提出了一種基于頻域虛擬參考反饋整定(頻域VRFT)的分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)整定方法,該方法無需反復(fù)的迭代的實(shí)驗(yàn),僅僅只需要一次數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)還將所提出的方法進(jìn)行了拓展,使其能應(yīng)用于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化的情況。對(duì)于基于模型的在線整定,提出了一種基于數(shù)據(jù)庫的分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)在線整定方法,該方法利用遞推最小二乘法對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行在線地辨識(shí),并根據(jù)所辨識(shí)出的模型從控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫中搜索出合適的控制參數(shù),從而完成了對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自適應(yīng)分?jǐn)?shù)階控制,該方法計(jì)算量小,易于實(shí)現(xiàn)；對(duì)于無模型的在線整定,提出了一種基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)在線整定方法,該方法利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),從而提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)能力和容錯(cuò)能力,并通過離線整定出的控制器參數(shù)來優(yōu)化在線整定方法,使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過程中始終保持滿意的控制性能,并且,該方法可以同時(shí)適用于線性和非線性分?jǐn)?shù)階PID控制器。搭建了永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及永磁同步直線電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。進(jìn)行了相關(guān)的硬件和軟件設(shè)計(jì),把所提出的算法在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)證明了所提出算法的適用性和穩(wěn)定性。
【圖文】：

（ｃ）發(fā)那科Ｓｅｒｖｏ邋ｇｕｉｄｅ邐（ｄ）科爾摩根ＷｏｒｋＢｅｎｃｈ逡逑圖１．３商業(yè)伺服自整定軟件逡逑控制策略在提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能方面起著十分關(guān)鍵的作用。由于伺服驅(qū)動(dòng)系逡逑統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)的非線性、強(qiáng)錦合，時(shí)變等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的ＰＩＤ控制方逡逑式往往很難獲得滿意的控制性能，因此，現(xiàn)代控制策略，如滑�？刂�、魯棒控制、逡逑４逡逑１逡逑

表了著作《分?jǐn)?shù)階微分方程》ｆＷ，系統(tǒng)介紹了分?jǐn)?shù)階微積分的概念、分?jǐn)?shù)階微積分逡逑方程的解法、分?jǐn)?shù)階微積分的Ｌａｐｌａｃｅ和Ｆｏｕｒｉｅｒ變換等，此書為分?jǐn)?shù)階控制理論的逡逑發(fā)展做出了奠基性的貢獻(xiàn)，如圖１．５（ａ），從此對(duì)于分?jǐn)?shù)階Ｐ阻控制器的研究便層出不逡逑窮，許多文獻(xiàn)［５２－５５］都己證明分?jǐn)?shù)階Ｐ瓜控制器有著傳統(tǒng)ＰＩＤ無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。逡逑除了邋ＰＩＤ型的控制器，近年來分?jǐn)?shù)階微積分也朝著其他不同種類的控制策略進(jìn)逡逑行延伸。例如，張碧陶等人提出了分?jǐn)?shù)階淆模控制，傳統(tǒng)滑模控制中的抖振問逡逑題在分?jǐn)?shù)階滑模中得到了抑制；文獻(xiàn)［５９－６１］中提出了分?jǐn)?shù)階預(yù)測(cè)控制，并與傳統(tǒng)預(yù)逡逑測(cè)控制進(jìn)行了對(duì)比。此外還有分?jǐn)?shù)階模型自適應(yīng)控制ｔ６２ｌ，分?jǐn)?shù)階魯棒控制分?jǐn)?shù)逡逑－逡逑
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP273

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9 嚴(yán)t，

本文編號(hào)：2550116