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柔性关节伺服系统控制与仿真研究

王晓彦  
【摘要】:太空内大部分抓捕、对接的操作任务主要由空间机械臂完成,这些任务的完成依赖于空间机械臂的高精度位置控制。因此对空间机械臂的位置控制尤为重要。本课题来源于中国空间技术研究院重点项目"空间机械臂抓捕过程稳定控制及扰动抑制研究"。关节作为空间机械臂的重要组成部分,其性能的好坏直接关系到空间机械臂的高精度位置控制性能。而关节由电机、传动装置、测量元件等组成,电机输出的稳定控制又影响关节的输出。所以,在此基础上对空间机械臂关节高精度伺服控制系统展开研究。(1)介绍了永磁同步电机的结构特点和工作原理,根据三相静止坐标系A-B-C到两相旋转坐标系d-q的变换关系,确立了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型。基于永磁同步电机交流伺服系统的矢量控制理论,建立了电机电流环和速度环的双环控制系统,并采用id=0的矢量控制方案。(2)在建立永磁同步电机数学模型的基础上,以电机的电流环和速度环控制器设计为研究核心,开展多闭环关节驱动电机伺服控制系统的智能分数阶控制研究,以实现关节伺服系统高精度定位,快速动态响应以及具备较强抗扰动能力。通过上述研究,从运行控制的角度为空间机械臂的安全工作提供保证。(3)分析了机械臂关节的组成和非线性因素,通过合理的简化,在仿真软件中搭建了包含电机模型的简化关节动力学模型,并为此模型设计PID和分数阶PIλDμ位置控制器。分别采用优化函数和遗传算法进行控制器参数整定,通过仿真研究表明,在不同输入信号下,两种控制器都能很好的跟踪输入,相比常规的PID控制,分数阶PIλDμ位置控制器具有更高的控制精度。(4)建立了带有间隙的关节模型,分析间隙对空间机械臂位置控制的影响,为消除间隙对系统的影响,引入扰动观测器。仿真结果表明,引入扰动观测器能减小间隙对关节输出的影响。


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