控制系统中机械谐振的抑制
这是一篇关于传动系统,谐振抑制,陷波设计,扰动观测器,滑模控制的论文, 主要内容为以传动系统为代表的控制系统在工业生产、深空探测、医疗康复、数据存储等领域均有着非常广泛的应用。这类系统主要原理是电机通过一系列传动装置对负载进行驱动,从而完成相应的任务。随着生产生活的需求不断提高,不断改进系统的性能一直以来都是本领域研究的重要问题。一方面,在这类系统中,由于设计的需要或者材料的限制,传动装置受弹性影响带来的机械谐振问题极大地限制了系统整体性能的提升;另一方面,结合数学模型来说,为了确保系统高精度、快响应以及强鲁棒性,基于多惯量系统的设计也是十分必要的。本课题以传动系统中普遍存在的机械谐振问题为研究背景,主要研究了基于陷波和补偿两种设计思想的谐振抑制策略,并以一个统一的控制结构,实现双惯量系统和三惯量系统的谐振抑制。本文首先对国内外的研究现状进行了总结阐述,随后结合典型的传动结构建立了三惯量系统和简化后的双惯量系统的数学模型,并对系统的动态特性、谐振机理进行了分析,以及分别从陷波和补偿两个角度设计了两类系统的谐振抑制策略。本文取得的主要研究成果如下:首先,利用系数图法从代数设计的角度,解决了PID控制在系统设计中参数整定困难的问题,实现了双惯量系统的谐振抑制。随后针对这一设计方法在三惯量系统中导致的不稳定问题,结合根轨迹分析,从原理上给出了原因。其次,基于陷波设计的思想,重新设计了陷波环节,给出了一种新的双二阶滤波器设计方法,并且结合根轨迹和相位控制的思想对这一设计方法进行了解释。通过在系统中配置合适的零极点,系统的阻尼得以提升,稳定裕度大大增强。以一个较为简单的控制结构,解决了两类系统的谐振抑制问题,并通过仿真验证了设计方法的有效性。最后,从扰动补偿的角度,利用扰动观测器对所定义的两类系统电机侧总扰动进行了完全补偿。针对等效后的名义对象,设计滑模控制器,实现了系统的谐振抑制以及对给定信号的快速精确跟踪。在这里,受双曲函数启发,提出了一种新型滑模趋近律,解决了传统滑模控制中的抖振问题的同时,可确保系统快速收敛。最终,结合仿真结果说明了这一设计的合理性。
考虑输入饱和的农机路径跟踪控制系统研究
这是一篇关于无人驾驶农机,路径跟踪,有限时间控制,饱和控制器,扰动观测器的论文, 主要内容为随着社会的发展,农业作为支撑国民经济的支柱产业和基础产业,势必需要与时俱进。2018年中共中央国务院印发的《乡村振兴战略规划(2018-2022年)》再次提出要精准施策推进乡村振兴战略,推进农业现代化、促进农业振兴,积极推进精准农业发展。精准农业的目标是实现农业生产效率的提高,而无人驾驶农机的普及和应用极大地提高了作业效率,并为我国步入精准农业社会开辟了道路。特别的,路径跟踪技术是实现无人驾驶农机自主行驶和智能作业的重要技术手段之一,对农机的智能化、精准化和信息化发展具有重要意义。如今势头正盛的路径跟踪技术的发展为无人农机自动驾驶系统注入了新的活力,作为农机自动驾驶系统的关键之一,其具备减少人力消耗,提高生产效率的优势。然而,国内无人农机路径跟踪控制技术开发起步较晚,其控制效率以及稳定性亟待提升。目前,农机路径跟踪控制系统研究仍存在一些问题,本文针对这些问题,将开展如下研究:(1)针对农机路径跟踪控制系统展开研究,基于车辆运动学理论,对涉及车身状态信息获取和前轮转向控制等模块进行数学建模。为实现更精确的路径跟踪控制,对实际控制需求进行分析,并对系统做出相应的简化设计。首先分别以大地和农机车体为中心建立坐标系,在所建立的坐标系下,将农机车辆本身简化为二轮车模型(自行车模型),分别以前轮和后轮为中心,引出控制量前轮转向角、行驶速度以及农机航向角,根据前后轮的几何关系,得到农机控制系统的运动学模型。(2)基于农机运动学模型,建立农机路径跟踪偏差模型。考虑到农机路径跟踪控制的实际需求,重点关注农机本身行驶轨迹与参考路径间的偏差,选择横向偏差和航向偏差为状态变量,参考路径以曲率形式表示,建立以偏差为状态的农机路径跟踪偏差模型。此外为了更为准确地描述实际情况下农机作业环境的复杂程度,模拟农田环境的不确定性因素,为系统引入随时间变化的扰动量,得到扰动下的农机路径跟踪偏差模型。(3)针对农机控制系统中执行器饱和问题,为其设计嵌套饱和控制器。首先,为了保证系统的局部稳定性,设计一个能够在区域内稳定系统的线性控制器;其次,为了解决实际控制过程中,饱和函数的饱和度可能随着时间变化而非递增的问题,将饱和函数与线性控制器组合,构造一个嵌套饱和控制器。相较于传统的饱和控制器,所设计的嵌套饱和控制器饱和度的选取更加灵活,控制器的稳定性和鲁棒性更好;进一步,将滑模观测器和有界控制器结合起来进行复合控制,通过将滑模观测器与有界控制器结合,使控制系统对外部干扰具有更好的适应能力。(4)基于线性系统设计的嵌套饱和算法无法完全适用于具有非线性特征的实际系统。为了更契合非线性特性的农机路径跟踪控制系统,设计了一种基于非线性系统的有限时间嵌套饱和控制算法。采用两步法设计的有限时间嵌套饱和算法能够显著缩短系统的响应时间和提高抗干扰能力,提高系统的稳态性能。通过仿真结果可以看出,基于非线性系统设计的有限时间嵌套饱和控制算法具有更好的动态性能和抗扰能力,相比于嵌套饱和控制算法有着更明显的优势。(5)基于有限时间嵌套饱和控制系统的设计,验证农机路径跟踪控制系统在实际工程应用中的有效性。首先,介绍了云乐NWD01无人车试验平台,给出具体的软硬件设计方案;其次,将路径跟踪系统算法通过编程开发应用到云乐无人驾驶系统中,根据实际控制需求对其导航定位、航姿勘测和线控转向系统进行改造,搭建完整的实车试验平台;最后,选择试验场地,模拟田间环境进行试验。结果表明试验车辆在较短的时间内能够完成跟踪上线过程,且线上路径跟踪横向偏差均能保持在一定范围内,说明了本文所研究的控制算法能够满足农机田间作业下的路径跟踪控制精度要求,符合现代精准农业中无人农机自动驾驶控制系统标准。
某武器随动系统负载模拟与测量试验平台研究
这是一篇关于电动负载模拟器,多余力矩,非线性因素,滑模变结构控制,扰动观测器的论文, 主要内容为武器随动系统负载模拟与测量试验平台用来模拟炮控系统在实际工作环境中所受到的真实载荷,从而在实验室条件下完成炮控系统的初步调试,该平台又称为电动负载模拟器。在该平台中,炮控系统作为承载系统,会受到电动负载模拟器中加载系统对其施加的各种不同载荷,从而完成炮控系统的测量试验实验。因此,设计具有速响应度快、加载精度高的试验平台具有十分重要的工程意义。本文研究了电动负载模拟器中加载系统的控制策略,设计了负载模拟器平台的硬件和软件部分,搭建了一套针对某武器随动系统的负载模拟与测量试验平台。主要内容包括以下几部分:(1)介绍电动负载模拟器的基本组成部分,在分析永磁同步电机的基础上,建立了以其作为执行机构的加载系统和承载系统的数学模型,并将两者耦合之后得到了整体模型。(2)从多余力矩、摩擦和间隙三个方面出发,对影响电动负载模拟器加载精度、响应速度的因素做出了分析。针对多余力矩的存在,采用了角速度前馈补偿的方法来抑制其对加载电机的影响。在非线性因素中,摩擦和间隙影响较大,因此分别设计死区逆和扰动观测器的方法,来弥补其对加载系统的干扰。(3)针对永磁同步电机的控制策略,结合滑模鲁棒性强等优点,做出了进一步设计。首先设计了新型趋近律,以降低滑模“抖振”带来的问题。然后设计了改进型滑模观测器,实现无感高精度电机控制,从而提高系统对环境因素的适应。(4)对随动系统负载模拟与测量试验平台的两大部分做了软件和硬件设计介绍。软件部分设计了可视化界面,可以即时显示系统的工作状况。硬件部分结合系统功能要求,选择合适型号设备,设计相关电路,制定出平台方案。在搭建的实验平台基础之上,进行了半实物仿真实验。论文在建立数学模型的基础之上,主要分析了随动系统负载模拟和测量试验平台存在的问题,并有针对性的采用了前馈补偿、滑模控制等策略,来提高系统加载精度。最后半实物仿真实验证明,本文所设计的随动负载模拟器能够满足设计指标要求,具有一定的实用性。
控制系统中机械谐振的抑制
这是一篇关于传动系统,谐振抑制,陷波设计,扰动观测器,滑模控制的论文, 主要内容为以传动系统为代表的控制系统在工业生产、深空探测、医疗康复、数据存储等领域均有着非常广泛的应用。这类系统主要原理是电机通过一系列传动装置对负载进行驱动,从而完成相应的任务。随着生产生活的需求不断提高,不断改进系统的性能一直以来都是本领域研究的重要问题。一方面,在这类系统中,由于设计的需要或者材料的限制,传动装置受弹性影响带来的机械谐振问题极大地限制了系统整体性能的提升;另一方面,结合数学模型来说,为了确保系统高精度、快响应以及强鲁棒性,基于多惯量系统的设计也是十分必要的。本课题以传动系统中普遍存在的机械谐振问题为研究背景,主要研究了基于陷波和补偿两种设计思想的谐振抑制策略,并以一个统一的控制结构,实现双惯量系统和三惯量系统的谐振抑制。本文首先对国内外的研究现状进行了总结阐述,随后结合典型的传动结构建立了三惯量系统和简化后的双惯量系统的数学模型,并对系统的动态特性、谐振机理进行了分析,以及分别从陷波和补偿两个角度设计了两类系统的谐振抑制策略。本文取得的主要研究成果如下:首先,利用系数图法从代数设计的角度,解决了PID控制在系统设计中参数整定困难的问题,实现了双惯量系统的谐振抑制。随后针对这一设计方法在三惯量系统中导致的不稳定问题,结合根轨迹分析,从原理上给出了原因。其次,基于陷波设计的思想,重新设计了陷波环节,给出了一种新的双二阶滤波器设计方法,并且结合根轨迹和相位控制的思想对这一设计方法进行了解释。通过在系统中配置合适的零极点,系统的阻尼得以提升,稳定裕度大大增强。以一个较为简单的控制结构,解决了两类系统的谐振抑制问题,并通过仿真验证了设计方法的有效性。最后,从扰动补偿的角度,利用扰动观测器对所定义的两类系统电机侧总扰动进行了完全补偿。针对等效后的名义对象,设计滑模控制器,实现了系统的谐振抑制以及对给定信号的快速精确跟踪。在这里,受双曲函数启发,提出了一种新型滑模趋近律,解决了传统滑模控制中的抖振问题的同时,可确保系统快速收敛。最终,结合仿真结果说明了这一设计的合理性。
考虑输入饱和的农机路径跟踪控制系统研究
这是一篇关于无人驾驶农机,路径跟踪,有限时间控制,饱和控制器,扰动观测器的论文, 主要内容为随着社会的发展,农业作为支撑国民经济的支柱产业和基础产业,势必需要与时俱进。2018年中共中央国务院印发的《乡村振兴战略规划(2018-2022年)》再次提出要精准施策推进乡村振兴战略,推进农业现代化、促进农业振兴,积极推进精准农业发展。精准农业的目标是实现农业生产效率的提高,而无人驾驶农机的普及和应用极大地提高了作业效率,并为我国步入精准农业社会开辟了道路。特别的,路径跟踪技术是实现无人驾驶农机自主行驶和智能作业的重要技术手段之一,对农机的智能化、精准化和信息化发展具有重要意义。如今势头正盛的路径跟踪技术的发展为无人农机自动驾驶系统注入了新的活力,作为农机自动驾驶系统的关键之一,其具备减少人力消耗,提高生产效率的优势。然而,国内无人农机路径跟踪控制技术开发起步较晚,其控制效率以及稳定性亟待提升。目前,农机路径跟踪控制系统研究仍存在一些问题,本文针对这些问题,将开展如下研究:(1)针对农机路径跟踪控制系统展开研究,基于车辆运动学理论,对涉及车身状态信息获取和前轮转向控制等模块进行数学建模。为实现更精确的路径跟踪控制,对实际控制需求进行分析,并对系统做出相应的简化设计。首先分别以大地和农机车体为中心建立坐标系,在所建立的坐标系下,将农机车辆本身简化为二轮车模型(自行车模型),分别以前轮和后轮为中心,引出控制量前轮转向角、行驶速度以及农机航向角,根据前后轮的几何关系,得到农机控制系统的运动学模型。(2)基于农机运动学模型,建立农机路径跟踪偏差模型。考虑到农机路径跟踪控制的实际需求,重点关注农机本身行驶轨迹与参考路径间的偏差,选择横向偏差和航向偏差为状态变量,参考路径以曲率形式表示,建立以偏差为状态的农机路径跟踪偏差模型。此外为了更为准确地描述实际情况下农机作业环境的复杂程度,模拟农田环境的不确定性因素,为系统引入随时间变化的扰动量,得到扰动下的农机路径跟踪偏差模型。(3)针对农机控制系统中执行器饱和问题,为其设计嵌套饱和控制器。首先,为了保证系统的局部稳定性,设计一个能够在区域内稳定系统的线性控制器;其次,为了解决实际控制过程中,饱和函数的饱和度可能随着时间变化而非递增的问题,将饱和函数与线性控制器组合,构造一个嵌套饱和控制器。相较于传统的饱和控制器,所设计的嵌套饱和控制器饱和度的选取更加灵活,控制器的稳定性和鲁棒性更好;进一步,将滑模观测器和有界控制器结合起来进行复合控制,通过将滑模观测器与有界控制器结合,使控制系统对外部干扰具有更好的适应能力。(4)基于线性系统设计的嵌套饱和算法无法完全适用于具有非线性特征的实际系统。为了更契合非线性特性的农机路径跟踪控制系统,设计了一种基于非线性系统的有限时间嵌套饱和控制算法。采用两步法设计的有限时间嵌套饱和算法能够显著缩短系统的响应时间和提高抗干扰能力,提高系统的稳态性能。通过仿真结果可以看出,基于非线性系统设计的有限时间嵌套饱和控制算法具有更好的动态性能和抗扰能力,相比于嵌套饱和控制算法有着更明显的优势。(5)基于有限时间嵌套饱和控制系统的设计,验证农机路径跟踪控制系统在实际工程应用中的有效性。首先,介绍了云乐NWD01无人车试验平台,给出具体的软硬件设计方案;其次,将路径跟踪系统算法通过编程开发应用到云乐无人驾驶系统中,根据实际控制需求对其导航定位、航姿勘测和线控转向系统进行改造,搭建完整的实车试验平台;最后,选择试验场地,模拟田间环境进行试验。结果表明试验车辆在较短的时间内能够完成跟踪上线过程,且线上路径跟踪横向偏差均能保持在一定范围内,说明了本文所研究的控制算法能够满足农机田间作业下的路径跟踪控制精度要求,符合现代精准农业中无人农机自动驾驶控制系统标准。
控制系统中机械谐振的抑制
这是一篇关于传动系统,谐振抑制,陷波设计,扰动观测器,滑模控制的论文, 主要内容为以传动系统为代表的控制系统在工业生产、深空探测、医疗康复、数据存储等领域均有着非常广泛的应用。这类系统主要原理是电机通过一系列传动装置对负载进行驱动,从而完成相应的任务。随着生产生活的需求不断提高,不断改进系统的性能一直以来都是本领域研究的重要问题。一方面,在这类系统中,由于设计的需要或者材料的限制,传动装置受弹性影响带来的机械谐振问题极大地限制了系统整体性能的提升;另一方面,结合数学模型来说,为了确保系统高精度、快响应以及强鲁棒性,基于多惯量系统的设计也是十分必要的。本课题以传动系统中普遍存在的机械谐振问题为研究背景,主要研究了基于陷波和补偿两种设计思想的谐振抑制策略,并以一个统一的控制结构,实现双惯量系统和三惯量系统的谐振抑制。本文首先对国内外的研究现状进行了总结阐述,随后结合典型的传动结构建立了三惯量系统和简化后的双惯量系统的数学模型,并对系统的动态特性、谐振机理进行了分析,以及分别从陷波和补偿两个角度设计了两类系统的谐振抑制策略。本文取得的主要研究成果如下:首先,利用系数图法从代数设计的角度,解决了PID控制在系统设计中参数整定困难的问题,实现了双惯量系统的谐振抑制。随后针对这一设计方法在三惯量系统中导致的不稳定问题,结合根轨迹分析,从原理上给出了原因。其次,基于陷波设计的思想,重新设计了陷波环节,给出了一种新的双二阶滤波器设计方法,并且结合根轨迹和相位控制的思想对这一设计方法进行了解释。通过在系统中配置合适的零极点,系统的阻尼得以提升,稳定裕度大大增强。以一个较为简单的控制结构,解决了两类系统的谐振抑制问题,并通过仿真验证了设计方法的有效性。最后,从扰动补偿的角度,利用扰动观测器对所定义的两类系统电机侧总扰动进行了完全补偿。针对等效后的名义对象,设计滑模控制器,实现了系统的谐振抑制以及对给定信号的快速精确跟踪。在这里,受双曲函数启发,提出了一种新型滑模趋近律,解决了传统滑模控制中的抖振问题的同时,可确保系统快速收敛。最终,结合仿真结果说明了这一设计的合理性。
电液伺服位置跟踪控制策略研究
这是一篇关于电液伺服,位置跟踪,扰动观测器,自抗扰控制,LuGre摩擦模型的论文, 主要内容为电液伺服系统因其兼具液压与电气两方面的优点,广泛应用于制造业与航空航天领等领域。在电液伺服控制技术中电液伺服位置跟踪控制占据重要地位,良好的控制性能可以大幅度提升生产效率。在探究的过程中发现电液伺服系统存在很多限制其性能的因素,因此,研究如何提升电液伺服系统的控制性能具有重要的现实意义。本文主要研究工作如下:首先,为能够研究实际电液伺服系统的控制性能,设计并搭建电液伺服位置跟踪控制平台。电液伺服位置跟踪控制平台由液压泵站、双缸加载实验机构与计算机控制系统组成,可实现对称与非对称液压缸位移跟踪实验。采用主要由工控机与控制柜组成的计算机控制系统,通过数据板卡采集位移信号和输出控制量。在分析电液伺服位置跟踪控制系统的机理上,通过对系统各个部分建模,得到系统的数学模型。然后,针对电液伺服系统中存在着不确定参数与未知扰动,传统PID控制方法无法达到理想跟踪精度等问题,提出了一种基于参考模型扰动观测器的电液伺服位置跟踪控制方法。首先设计控制器使理想参考模型系统输出精准跟踪给定位移信号。其次将实际系统与理想参考模型相异的部分视为总扰动,设计扰动观测器对其进行观测。最后设计控制律对总扰动进行补偿,使实际系统的输出精确跟踪给定位移信号。仿真与实验结果表明:基于参考模型的扰动观测器在电液伺服位置跟踪控制方法相比PID控制,可以有效地提高系统控制精度,减小系统动态控制误差。最后,针对摩擦非线性影响低速电液伺服位置跟踪控制性能的问题,提出了一种摩擦补偿的电液伺服位置跟踪自抗扰控制方法,首先建立电液伺服系统的Lu Gre摩擦模型并进行了参数辨识,基于此模型设计摩擦补偿与自抗扰相结合的控制器。其次设计三阶线性扩张状态观测器对总扰动进行观测。最后考虑摩擦补偿设计线性状态误差反馈控制律作为实际系统的控制输入。仿真与实验结果表明,采用此方法可以提高系统控制精度,实现快速、准确地跟踪给定输入。
电液伺服位置跟踪控制策略研究
这是一篇关于电液伺服,位置跟踪,扰动观测器,自抗扰控制,LuGre摩擦模型的论文, 主要内容为电液伺服系统因其兼具液压与电气两方面的优点,广泛应用于制造业与航空航天领等领域。在电液伺服控制技术中电液伺服位置跟踪控制占据重要地位,良好的控制性能可以大幅度提升生产效率。在探究的过程中发现电液伺服系统存在很多限制其性能的因素,因此,研究如何提升电液伺服系统的控制性能具有重要的现实意义。本文主要研究工作如下:首先,为能够研究实际电液伺服系统的控制性能,设计并搭建电液伺服位置跟踪控制平台。电液伺服位置跟踪控制平台由液压泵站、双缸加载实验机构与计算机控制系统组成,可实现对称与非对称液压缸位移跟踪实验。采用主要由工控机与控制柜组成的计算机控制系统,通过数据板卡采集位移信号和输出控制量。在分析电液伺服位置跟踪控制系统的机理上,通过对系统各个部分建模,得到系统的数学模型。然后,针对电液伺服系统中存在着不确定参数与未知扰动,传统PID控制方法无法达到理想跟踪精度等问题,提出了一种基于参考模型扰动观测器的电液伺服位置跟踪控制方法。首先设计控制器使理想参考模型系统输出精准跟踪给定位移信号。其次将实际系统与理想参考模型相异的部分视为总扰动,设计扰动观测器对其进行观测。最后设计控制律对总扰动进行补偿,使实际系统的输出精确跟踪给定位移信号。仿真与实验结果表明:基于参考模型的扰动观测器在电液伺服位置跟踪控制方法相比PID控制,可以有效地提高系统控制精度,减小系统动态控制误差。最后,针对摩擦非线性影响低速电液伺服位置跟踪控制性能的问题,提出了一种摩擦补偿的电液伺服位置跟踪自抗扰控制方法,首先建立电液伺服系统的Lu Gre摩擦模型并进行了参数辨识,基于此模型设计摩擦补偿与自抗扰相结合的控制器。其次设计三阶线性扩张状态观测器对总扰动进行观测。最后考虑摩擦补偿设计线性状态误差反馈控制律作为实际系统的控制输入。仿真与实验结果表明,采用此方法可以提高系统控制精度,实现快速、准确地跟踪给定输入。
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