液壓仿真轉(zhuǎn)臺低速性能及其預測函數(shù)控制研究.pdf

1、液壓仿真轉(zhuǎn)臺作為導彈等飛行器研制過程中進行地面半實物仿真的高精尖關鍵設備，其性能優(yōu)劣關系到我國導彈研制水平和國防實力。研制超低速、高精度、高頻響的液壓仿真轉(zhuǎn)臺對推進我國航空航天事業(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)臺的驅(qū)動元件——液壓馬達所存在高度非線性的摩擦力矩嚴重影響了轉(zhuǎn)臺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加工工藝水平的限制。其次，液壓仿真轉(zhuǎn)臺電液伺

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)學模型十分困難，而大部分控制方法提高液壓仿真轉(zhuǎn)臺性能的能力依賴于精確的數(shù)學模型。因此，研究液壓仿真轉(zhuǎn)臺的摩擦補償方法和對系統(tǒng)數(shù)學模型精確性要求不高而效果優(yōu)良的控制策略對提高液壓仿真轉(zhuǎn)臺性能指標具有十分重要的意義。
　　本文在查閱大量國內(nèi)外資料的基礎上，介紹了仿真轉(zhuǎn)臺的整體結(jié)構(gòu)和關鍵技術(shù)，綜述了國內(nèi)外仿真轉(zhuǎn)臺的研究和發(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)臺電液伺服系統(tǒng)的研究

3、進展。同時對現(xiàn)階段低速理論的發(fā)展狀況進行詳細闡述，介紹了摩擦特性、幾種主要的摩擦模型及其特點、目前常用的摩擦補償方法等，另外簡要介紹了預測控制理論的發(fā)展概況。通過對國內(nèi)外相關研究的分析，確定了本文的主要研究方向。
　　本文建立了液壓仿真轉(zhuǎn)臺電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型，具體分析了影響液壓仿真轉(zhuǎn)臺電液伺服系統(tǒng)低速性能的因素，并利用LuGre動態(tài)摩擦模型對液壓仿真轉(zhuǎn)臺外框單通道伺服系統(tǒng)影響的仿真結(jié)果說明動態(tài)摩擦力矩嚴重影響了轉(zhuǎn)臺的性能，因此

4、必須對動態(tài)摩擦力矩進行辨識和補償。但是LuGre動態(tài)摩擦模型的復雜性和非線性使得要獲得其精確參數(shù)辨識很困難，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)動態(tài)摩擦模型的精確辨識。然后利用所提出的辨識方法對實驗室中的液壓仿真轉(zhuǎn)臺外框的LuGre動態(tài)摩擦模型進行了辨識，以方便液壓仿真轉(zhuǎn)臺動態(tài)摩擦特性的分析和補償。
　　本文針對非線性摩擦特性影響液壓

5、仿真轉(zhuǎn)臺的跟蹤精度和低速性能的問題，推導了帶有摩擦外干擾的液壓仿真轉(zhuǎn)臺動力學方程，根據(jù)辨識所得到的LuGre摩擦模型，提出自適應動態(tài)摩擦補償策略，并對其進行仿真研究，該方法可以在動態(tài)摩擦參數(shù)變化的情況下獲得較好的摩擦補償效果，但是在存在較大外干擾情況下，控制效果不十分理想。為此提出自適應魯棒摩擦補償策略，該方法在自適應動態(tài)摩擦補償?shù)幕A上通過不連續(xù)投影映射方法提高參數(shù)自適應和摩擦狀態(tài)估計的穩(wěn)定性，通過魯棒反饋項確保補償控制的魯棒性能。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)臺的低速跟蹤精度和動態(tài)性能指標。
　　本文根據(jù)液壓仿真轉(zhuǎn)臺電液伺服系統(tǒng)的特點，將預測函數(shù)控制(Predictive Functional Control，PFC)逆系統(tǒng)設計方法應用于轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)。首先綜述了預測控制理論的基本思想、預測控制的內(nèi)模結(jié)構(gòu)原理，介紹了預測函數(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)的設計方法。在

7、此基礎上提出了一種PFC-SMC復合控制策略，預測函數(shù)控制器主要用來提供等效控制改善被控對象的跟蹤性能，滑?？刂撇糠謩t相當于內(nèi)?？刂频姆答仦V波器以有效抑制外干擾的影響，并依據(jù)液壓仿真轉(zhuǎn)臺單通道伺服系統(tǒng)數(shù)學模型給出了詳細的控制器設計方法。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)臺低速性能，大大提高系統(tǒng)的頻響性能指標。
　　最后在液壓仿真轉(zhuǎn)臺樣機上進行了實驗研究，包括液壓仿真轉(zhuǎn)臺外框單通道系統(tǒng)摩擦補