一类多惯性体柔性控制系统的控制算法研究.pdf

礤圭德交‘娄多镤馁体荤整茬潮爨缝鹣控鼗募弦臻究摘要Y6 2 40 7 7奉文燕静澍“多窀裁丽黟鞭动整懿菠零”箨嫒矮餮率捷窭薅强赘瓣震嚣懿，塞袋性努是研究～擞多惯性体黎性结构的控制问题本文介绍了系统的总体设计，娥窥了煞统的数学模趔，并研究了j l { ：类柔性系统抑制差速振游朔干扰影响的控制问题程采瓣楚蘩黎簿缎蕊溪器重耩黎缝凌悫≤餐捺搴壤薨热予捷) 黎萎鑫主，镑簿嚣爨疆髂黍髋系统采用l 瓣方法进行搬毹，对于三惯性体柔落系统在状态蔽镄的同时结合错能P I D 控制方法谶行控制，并舷M o d e l 2 0 5 a 多惯性体柔愀控制实验系统中进行了寓髓，矮暴裹臻象鲻本文提窭熬羧秘算法霉弦辍褥襄驽戆羧测簸鬃堡杰簦塞= 娄垄塑璧篓至壁塑塑蒌鉴整鍪塑茎鎏篓塑一一A BS T R A C T强l 拓p a p e ri sp r o p o s e da sp a r to fl h # r e s e a r c hi t e l r to fM u l t i * m o t o rs y n c h r o n i z e dd r i v i n gs e t v os y s 持m ．T h er e s e a r c ho b j e c ti SM o d e l2 0 5 a ’t o r s i o n 蠢C o n t r o lS y s t e m + t nt h ew h o l ed e s i g n 。

t h es y s t e mo v e r a l ls c h e d u l ei Si n t r o d u c e d ．t h em a t h e m a t i cm o d e li Sc o n s t r u c t e da n dt h ec o n t r o la l g o r i t h m st o w a r d ss u c hk i n do fs y s t e m si ss t u d i e dt or e s t r a i nt h ev e t u c i t y ．e r r o rv i b r a t i o na n dt h ed i s t u r b a n c e ．T h e n ，b a s e do nt h er e c o n s t r u c t i o no ft h es y s t e ms t a t e su s i n gL u e n b u r g e rr e d u c e dO b s e ／w e f tt h e2 一m a s sf l e x i b l es y s t e m 弦c o n t r o l l e du s i n gL Q Rf o l l o w i n gt h e3 - m a s ss y s t e mc o n t r o l l e d 姆懒ec o m b i n a t i o no fb o t hi n t e l l i g e n c ep I Da n dt h es t a t e sf e e d b a c k ．I nt h ee n d ．t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e nt op r o v et h ev a l i d i t yo ft h em e t h o d sm e n t i o n e da b o v e ．K e y w o r d s R e d u c e dO b s e r v e r , s t a t e sf e e d b a c k , t , Q R ，I n t e l l i g e n c eP I D．¨，疆圭逊文一类多惯羟俸柔牲控制蒜统秘控制算法姘究1 绪论1 。

1 课题背景隧罄簸天事韭戆发溪，鬃淫缝麴在空润飞行器中熬疰蔫越寒越广泛，翔里攫～太阳能帆板结构、空间站( 或航天飞机) 的柔性机械臀( 或空间天线) 婷，皆是刚蚀运动主体与柔性附件结合的典型刚柔耦合结构柔性结构的使用固然能减轻飞行器的发射载蘅、降低成本，但柔牲结稳固有豹低阻魑特性及太空几乎无阻忍的玮境，搜褥浆性结梅由手各静因素丙激发怒来的振动滚| 三l 在短时期蠢邂速衰减柔瞧结构酶振动～方蘑影响刚性避动基的准确定位，使得其上的仪器设备濉以正常工作；另一方面长时间的振动容易造成柔性结构的疲劳破坏，缩短寿命因此研究此类柔饿结构的振动控制具鸯卡分重簧黪意义本文鼹针对“多电机间步联动控带4 技术”科研项目中提出的任务而展开的，主要任务是研究～类多惯性体棠性结构的控制问题在大型雷达、卫鼹地面站天线伺服系统中，为了察现离精度跟踪，鬻采用双龟辊或多电机联动，此类鞭踪豹孩心溺越是当存在柔往联接装置懿前擒下，翔何保诞多电梳同步运行，抑稍茇溱振荡本文的研究对象是M o d e l2 0 5 a 多惯性体柔性控制系统M o d e l2 0 5 a 柔性控制系统有三个惯性可调圆盘，用一根柔性轴联接，由饲服嗽动机驱动。

聚统还提供了一个可选的予扰驱动电壤，爱来纂鬻究对予撬影痢瓣籀裁，骧获8 令受载镄凌可褥来分澍瀚定奁三令镤性瑟盘上，从而改变其转动惯餐通过不同的结构配置，可以模拟许多真实系统，系统模型也可以从简单的二重积分器变到复杂的高阶系统，从而研究系统抑制差速振荡和千砉| | ：静控利润题1 ．2 发展现状在工业成用中，例如轧钢机驱动系统，是在一些包含齿轮箱和长轴的大型系统中，动部分的自然谐强频率缀低由于滚轴的惯性较大，连接轴较长，特别连接轴旗至超过了1 ( ) 米，从而使机械驱随着电力电子技术静发展，控帚4 器静响应带宽落炎的越来越大，甚至接通予枕械谐振频率a 礁! 这种情况下，由于输入溅者负载的突然变化，可能谶成电机和负栽的瞬时速度之阔存在很大的藏髯速度的藏髯意味着连接轴将会受到报犬的轴扭转矩，这释连续豹疆力会使辘耪糕滋筏疲劳耗撰璇象，甚至鼯致灾难经事藏霆蘧，对辍耪赘禳圭违文一类多惯性体柔性拄制系统静控制算法科究和驱动系统的稳定性都有较严重的负丽影响鳃决这个闷题的一个基本方法是只兔谗参考输入命令作微小的和缓慢的变纯，另一个方法怒遴过增大连绞辘的半径款霹瀵强辘静硬发，餐是这些方法籍使速度命令发生器变得复杂并且对速度控制环的动态性能产生严随的限制，而且开销也会搬大。

在电机驱动系统中，已经采用了熬于控制算法冉勺其它几种方法来抑制扭转振荡～耱方法是涮惩逮援亵受载逮褒豹差分爱凌穗裁鞠繇，蘧法对予撩潮振荡攫蠢效，不过只有当负载速度偏离毂机速度时才越作用，而且熊载速度必须能够直接测得或者做出估计1 1 6 1 1 ”’；另一种方法就是所谓的模型跟踪控制，利用控制器补偿模型输出和实际输出之澜的差“ 8 H ”I ；还有一种方法怒通过反馈魄钒速度的微分，毽这个方法对测量噪声稷敏精1 2 0 l 目前公认的抑制扭转振荡的方法鼹状态反馈控制⋯1 【2 2 旧} 但是，这种方法不仅需要知道电机转矩和电机转速，而且遥需知道一个未知输入( 即负载干扰矩的值) 和肉部获态 照踪幄值灸1 0 0 0 c o u n t s 、颁率o 2 r a d ／s 鹣i T ．弦信号，揍宾瞬瓣6 0 s时州1 目( a )精媾{ 赫( c )( b )≤园翻4 ．7 正弦喇避投误差曲线( ＆为鲽梳的正弦响成，b 为两盘的角庶莲，c 、d 分别为晒个惯性贼搬转速相对予势灌输入的误差，e 舞襞靛辍静褪转艇>“3 矗．2h§*#*}筹*一、＼土7V，，一一辨，，，，唁磊、掣F W 一～∥，。

～㈣∽∽m∞oⅫ㈣叫蚓《并囊渤甜基^，j§§l藩t硬±濠文一娄誊搂挺落曩挂羟截茉缝蘸燕裂募涪麟巍4 ．5 ．4 仿舆结果分析无限爵阕状态谣节嚣滁了傈涯寄隈l ；雩游态系缡辩濉零状态辩嫡痰其育最德畿赆，进使得系统鼎有保持平衡状态的能力它实现的是垒状态的线性艇馈，因此，构成了一个线性寇鬻阚蓼系统褥且尊垂聪缝提到翅环羝绞是渐近稳定麴，鄹系统矩阵} 菇一B R - 2 B I ' I 戆祷蓉餐懿粪受实霉，露不溶藤受整系统A 蘸蒋程稳辩耩霹魏，零文浆用了无限时间状态调节器对两惯性体漾性系统进甜控制另势，冀了按割和游滁系统孛扰动终翅熬影确，保谨系统稳惑髓楚理恕她躐拣参考埝天零黎统萼；天禳蓑鹬羲努寒舔籁耪清豫系蕊瓣穗态误差并艇，还逶姿辍主了扰动的前馈以补偿负载扰渤转矩从而淑替抗扰性能从上面纳仿真图可以潜出，在使用降维观测器蘑构状态的基础上，采用L 删控制冀法褒霉了较涛瀵蠢魏攘麓簸票奁鞭黎羚获窝簧教薅琴薅，嚣争黧盘獒囊逮蓉较枣，瓿丽减套了麓遥振荡，对予干扰的影响也镌够较袂的毙服，因诧，辩个惯性盘蝣能快速、平稳的跟踪输入信号；跟踪正弦信姆时，虽然与参考输入之间存在着一定的误差，键嚣令羲矬擞之耀磊差较小，嚣显委弦徐入菝号魏糯德窝援率熬大矗、都会对系统缒跟踩精度产叟爨穗。

本章采用两惯性体暴性系统作为仿崴对象，对予燕惯性体柔蚀搽统采用L 非方法也能取得满意的控制效聚硬±谚文一娄多镤拄蒋黍整控黼系绫瓣控涮募壤勰究5 三惯性体柔性系统的智能P I D 控制按偏麓的比例、积分、微分的线性缀合进行控制的方式即为藩名的P I D 摭制，它提出至今已销6 0 余年的历史，从模拟P T D 到数字P i n ，发展到今天的智能P I D ，经久不衰，嚣其蠢深裁浆痰满过去的几十年里，P I D 控常《在工业过程中得N - ；广泛盼应用，这正是因为P I t } 控制器结构简单、调试方便，用般电予线路、电器机械装置很窬嬲实现，因此程J 无计算枫条徉下，P I D 控剁墩戆够拢其他笈杂控锚方法其有可实现豹傀先祭{ 孛，即便进入了诗霎辍鲢{ 弋，在难馥获褥赢泠蔫怠的条佟下，P I D 控铡爨然楚藏灞戆主要方法瑟以，在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程拣制中9 5 ％以上的控制回路椰具有P 1 1 ) 结构( A s t r o me ta 1 1 9 9 5 ) ，而甩许多高级控制都是以P I D 控制为基础的替麓羧铡窝经冀P t I ) 控秘翁结台，形袋了繇潺熟鬻戆P I D 羧涮。

转凌懿P l 珏整鞭鞘一组P I D 参数去适寂系统的整个过稷，这使得控制的灵活性受鍪《很大的影响而智能P I D 控制使用不同的P I D 参数去适成系统所处的番个不同阶段，这种P I D 控制器不仅憝对一类漆予获褥数攀模型静薅象黛现控铡的嚣簧，遣是怠更毫层浚控剃豹～糖过渡寮矮蠢不完全袋赣系绞精确数攀模型酶褥点，蔼篮对系统参数魏变稳熬霄较好的鲁棒性，因此得到了较为广泛的您用在实麟应用中，P I D 控制比L Q R 方法实现更容易，结构更简肇，并且也能樽到较好戆控锱效采鍪予第嚣牵采爱篓是掰搂犍落黍整系统俸尧嵇真模蕉，霾蘸，本章莱糯三惯性体黎性系统进行仿冀针对J 嗽兰惯性体柔稳控制系统，考虑采用龙俯格降维观测器重构状态，再通媳状态反馈配鼹极点，并结合智能P I D 方法进行控制 l 基于降维观测器的状态反馈蓦．圭1 状态反馈原理状态魇馈是将系统的缚一个状态变髓桊以相应的反馈系数，然艏反镄到输入端与参考簸天鞠谶形藏整裁律，律秀受整系统秘控割输入，嚣5 1 楚～令多输入一多赣窭系统状态反馈的基本结构设多输入～多输出受挫蒜统动态方糕为，3 8 ·颁±釜文一类搴镁往蒋柔蛙控制系楚麴控制冀菠研巍席竺一z + 露“ ( 5 ．1 ) Y = C x筒记为∑。

( 爿，风( ．1 ) * 状态向爨蔗通过待设计的参数矩阵，即状态反馈增益阵世，负反馈坚系统参考输入v ，于是柯钳v ～＆( §，2 )把式( 5 ．2 ) 代天式( 5 ，1 ) ，整理硪樽状态反馈闭环系统的动态方程鸯量窑邶( ”一戤) 2 ( 爿一曰K ) 露”( 5 3 ) y t 雇式申K 为状态反馕增益阵，( A ～B K ) 称为闵环状态障，} i ；环特袄方程失I 戈，一( 爿一B K ) I。