液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)低速性能及其預(yù)測(cè)函數(shù)控制研究.pdf

1、液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)作為導(dǎo)彈等飛行器研制過(guò)程中進(jìn)行地面半實(shí)物仿真的高精尖關(guān)鍵設(shè)備，其性能優(yōu)劣關(guān)系到我國(guó)導(dǎo)彈研制水平和國(guó)防實(shí)力。研制超低速、高精度、高頻響的液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)推進(jìn)我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。但是，液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)自身存在很多不利于系統(tǒng)性能提高的因素。首先液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)元件——液壓馬達(dá)所存在高度非線性的摩擦力矩嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)臺(tái)低速性能和跟蹤精度的提高，而摩擦力矩的減小又受到液壓馬達(dá)加工工藝水平的限制。其次，液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)電液伺

2、服系統(tǒng)自身的非線性和不確定性使得獲得其精確數(shù)學(xué)模型十分困難，而大部分控制方法提高液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)性能的能力依賴于精確的數(shù)學(xué)模型。因此，研究液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的摩擦補(bǔ)償方法和對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型精確性要求不高而效果優(yōu)良的控制策略對(duì)提高液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)性能指標(biāo)具有十分重要的意義。
　　本文在查閱大量國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，介紹了仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，綜述了國(guó)內(nèi)外仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的研究和發(fā)展概況，概述了電液位置伺服系統(tǒng)常用的控制策略和仿真轉(zhuǎn)臺(tái)電液伺服系統(tǒng)的研究

3、進(jìn)展。同時(shí)對(duì)現(xiàn)階段低速理論的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行詳細(xì)闡述，介紹了摩擦特性、幾種主要的摩擦模型及其特點(diǎn)、目前常用的摩擦補(bǔ)償方法等，另外簡(jiǎn)要介紹了預(yù)測(cè)控制理論的發(fā)展概況。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的分析，確定了本文的主要研究方向。
　　本文建立了液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，具體分析了影響液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)電液伺服系統(tǒng)低速性能的因素，并利用LuGre動(dòng)態(tài)摩擦模型對(duì)液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)外框單通道伺服系統(tǒng)影響的仿真結(jié)果說(shuō)明動(dòng)態(tài)摩擦力矩嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)臺(tái)的性能，因此

4、必須對(duì)動(dòng)態(tài)摩擦力矩進(jìn)行辨識(shí)和補(bǔ)償。但是LuGre動(dòng)態(tài)摩擦模型的復(fù)雜性和非線性使得要獲得其精確參數(shù)辨識(shí)很困難，為此，本文提出一種基于混合優(yōu)化策略的遺傳模擬退火算法的LuGre摩擦模型兩步辨識(shí)方法，這種方法具有優(yōu)良的局部搜索能力和全局性，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)摩擦模型的精確辨識(shí)。然后利用所提出的辨識(shí)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)外框的LuGre動(dòng)態(tài)摩擦模型進(jìn)行了辨識(shí)，以方便液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)摩擦特性的分析和補(bǔ)償。
　　本文針對(duì)非線性摩擦特性影響液壓

5、仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的跟蹤精度和低速性能的問(wèn)題，推導(dǎo)了帶有摩擦外干擾的液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)辨識(shí)所得到的LuGre摩擦模型，提出自適應(yīng)動(dòng)態(tài)摩擦補(bǔ)償策略，并對(duì)其進(jìn)行仿真研究，該方法可以在動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)變化的情況下獲得較好的摩擦補(bǔ)償效果，但是在存在較大外干擾情況下，控制效果不十分理想。為此提出自適應(yīng)魯棒摩擦補(bǔ)償策略，該方法在自適應(yīng)動(dòng)態(tài)摩擦補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上通過(guò)不連續(xù)投影映射方法提高參數(shù)自適應(yīng)和摩擦狀態(tài)估計(jì)的穩(wěn)定性，通過(guò)魯棒反饋?lái)?xiàng)確保補(bǔ)償控制的魯棒性能。仿

6、真結(jié)果表明這種方法可以消除干擾和不確定性的影響，提高液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的低速跟蹤精度和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。
　　本文根據(jù)液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)電液伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，將預(yù)測(cè)函數(shù)控制(Predictive Functional Control，PFC)逆系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)。首先綜述了預(yù)測(cè)控制理論的基本思想、預(yù)測(cè)控制的內(nèi)模結(jié)構(gòu)原理，介紹了預(yù)測(cè)函數(shù)控制的概念和原理以及滑模變結(jié)構(gòu)控制器(Sliding Model Control，SMC)的設(shè)計(jì)方法。在

7、此基礎(chǔ)上提出了一種PFC-SMC復(fù)合控制策略，預(yù)測(cè)函數(shù)控制器主要用來(lái)提供等效控制改善被控對(duì)象的跟蹤性能，滑?？刂撇糠謩t相當(dāng)于內(nèi)模控制的反饋濾波器以有效抑制外干擾的影響，并依據(jù)液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)單通道伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型給出了詳細(xì)的控制器設(shè)計(jì)方法。仿真結(jié)果表明，這種方法在存在較大模型誤差和較大干擾的情況下也能滿足液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)低速性能，大大提高系統(tǒng)的頻響性能指標(biāo)。
　　最后在液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，包括液壓仿真轉(zhuǎn)臺(tái)外框單通道系統(tǒng)摩擦補(bǔ)