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液压仿真转台低速性能及其预测函数控制研究

郭敬  
【摘要】:液压仿真转台作为导弹等飞行器研制过程中进行地面半实物仿真的高精尖关键设备,其性能优劣关系到我国导弹研制水平和国防实力。研制超低速、高精度、高频响的液压仿真转台对推进我国航空航天事业的发展具有十分重要的意义。但是,液压仿真转台自身存在很多不利于系统性能提高的因素。首先液压仿真转台的驱动元件——液压马达所存在高度非线性的摩擦力矩严重影响了转台低速性能和跟踪精度的提高,而摩擦力矩的减小又受到液压马达加工工艺水平的限制。其次,液压仿真转台电液伺服系统自身的非线性和不确定性使得获得其精确数学模型十分困难,而大部分控制方法提高液压仿真转台性能的能力依赖于精确的数学模型。因此,研究液压仿真转台的摩擦补偿方法和对系统数学模型精确性要求不高而效果优良的控制策略对提高液压仿真转台性能指标具有十分重要的意义。 本文在查阅大量国内外资料的基础上,介绍了仿真转台的整体结构和关键技术,综述了国内外仿真转台的研究和发展概况,概述了电液位置伺服系统常用的控制策略和仿真转台电液伺服系统的研究进展。同时对现阶段低速理论的发展状况进行详细阐述,介绍了摩擦特性、几种主要的摩擦模型及其特点、目前常用的摩擦补偿方法等,另外简要介绍了预测控制理论的发展概况。通过对国内外相关研究的分析,确定了本文的主要研究方向。 本文建立了液压仿真转台电液伺服系统的数学模型,具体分析了影响液压仿真转台电液伺服系统低速性能的因素,并利用LuGre动态摩擦模型对液压仿真转台外框单通道伺服系统影响的仿真结果说明动态摩擦力矩严重影响了转台的性能,因此必须对动态摩擦力矩进行辨识和补偿。但是LuGre动态摩擦模型的复杂性和非线性使得要获得其精确参数辨识很困难,为此,本文提出一种基于混合优化策略的遗传模拟退火算法的LuGre摩擦模型两步辨识方法,这种方法具有优良的局部搜索能力和全局性,能够实现动态摩擦模型的精确辨识。然后利用所提出的辨识方法对实验室中的液压仿真转台外框的LuGre动态摩擦模型进行了辨识,以方便液压仿真转台动态摩擦特性的分析和补偿。 本文针对非线性摩擦特性影响液压仿真转台的跟踪精度和低速性能的问题,推导了带有摩擦外干扰的液压仿真转台动力学方程,根据辨识所得到的LuGre摩擦模型,提出自适应动态摩擦补偿策略,并对其进行仿真研究,该方法可以在动态摩擦参数变化的情况下获得较好的摩擦补偿效果,但是在存在较大外干扰情况下,控制效果不十分理想。为此提出自适应鲁棒摩擦补偿策略,该方法在自适应动态摩擦补偿的基础上通过不连续投影映射方法提高参数自适应和摩擦状态估计的稳定性,通过鲁棒反馈项确保补偿控制的鲁棒性能。仿真结果表明这种方法可以消除干扰和不确定性的影响,提高液压仿真转台的低速跟踪精度和动态性能指标。 本文根据液压仿真转台电液伺服系统的特点,将预测函数控制(Predictive Functional Control,PFC)逆系统设计方法应用于转台控制系统。首先综述了预测控制理论的基本思想、预测控制的内模结构原理,介绍了预测函数控制的概念和原理以及滑模变结构控制器(Sliding Model Control,SMC)的设计方法。在此基础上提出了一种PFC-SMC复合控制策略,预测函数控制器主要用来提供等效控制改善被控对象的跟踪性能,滑模控制部分则相当于内模控制的反馈滤波器以有效抑制外干扰的影响,并依据液压仿真转台单通道伺服系统数学模型给出了详细的控制器设计方法。仿真结果表明,这种方法在存在较大模型误差和较大干扰的情况下也能满足液压仿真转台低速性能,大大提高系统的频响性能指标。 最后在液压仿真转台样机上进行了实验研究,包括液压仿真转台外框单通道系统摩擦补偿实验、液压仿真转台三框频率特性实验、超低速性能实验、各通道耦合干扰抑制实验等。实验结果表明本文所提出的理论和控制方法的正确性和可行性。


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