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低重力模拟器吊索张力控制算法研究

作　者: 王乐
导　师: 黄显林；卢鸿谦
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 低重力模拟 双电机H∞控制 摩擦补偿 平衡降阶
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


在深空探测技术迅速发展的今天,星球巡视器在整个深空探测领域中所发挥的作用将是不可或缺的按照国际惯例,巡视器发射前必须在地面上检验其动力性能是否能够满足实际的要求。所以,大型低重力模拟设备将是验证巡视器动力性能的不二选择。本课题来源于中国航天科技集团的一个科研项目,主要内容是为大型低重力模拟系统中的张力伺服子系统设计满足工程性能指标要求的控制算法。张力伺服系统是低重力模拟系统的核心子系统,目的在于抵消巡视器的部分重力以实现在地面的低重力模拟。本文首先概括了国内外常用的低重力模拟方法并且重点介绍了吊索式低重力模拟系统的特点。根据系统的性能指标要求设计出合适的伺服机构并分析了其工作机理。通过系统辨识和机理建模获得了系统关键部件的数学模型,在忽略系统中的非线性因素下,获得了多输入多输出系统的近似线性化的数学模型。针对伺服系统中的非线性因素,重点分析了对伺服系统影响较大的三种非线性因素:吊索谐振、机械谐振以及库伦摩擦,并且给出它们的近似数学模型或者上确界。由于该系统具有多输入多输出以及上述非线性等特点,本文摒弃传统的PID控制而直接采用H∞控制进行多输入多输出设计,有利于实现两台交流力矩电机的协同控制。为了克服伺服系统中的库伦摩擦所产生的不利影响,在H∞控制器的基础之上通过增加扰动观测器进行摩擦补偿从而使得系统获得更好的控制精度。由于H∞控制器阶次高、不利于工程应用的特点,采用平衡降阶的方法对高阶控制器进行降阶得到了与原控制器性能接近但便于工程实现的低阶控制器,解决了H∞控制器在工程中难以实现的缺点。最后本文介绍了张力伺服系统中控制软件的架构及其实现。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪 论  9-17
  1.1 课题的研究背景及意义  9-12
    1.1.1 课题的背景  9
    1.1.2 课题的现实意义  9-12
  1.2 国内外吊索式低重力模拟器的研究现状  12-15
    1.2.1 国外吊索式低微重力模拟系统的研究现状  12-15
    1.2.2 国内吊索式低微重力模拟系统的研究现状  15
  1.3 本论文的主要内容  15-17
第2章 伺服系统的工作机理及数学建模  17-29
  2.1 引言  17
  2.2 伺服系统的工作机理  17-19
  2.3 伺服机构的数学建模  19-28
    2.3.1 交流力矩电机选取  19-20
    2.3.2 交流力矩电机直驱系统的数学模型及分析  20-22
    2.3.3 恒力摆杆结构的数学建模及其分析  22-24
    2.3.4 系统的标称数学模型  24-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章 H∞控制器及摩擦扰动观测器设计  29-55
  3.1 引言  29
  3.2 影响张力伺服系统性能的因素分析  29-36
    3.2.1 吊索的谐振影响分析  29-32
    3.2.2 系统摩擦的影响分析  32-34
    3.2.3 机械谐振的影响分析  34-36
  3.3 张力伺服系统的H∞控制  36-46
    3.3.1 系统等效扰动的界函数  36-38
    3.3.2 系统机械谐振的不确定性界  38-40
    3.3.3 系统的性能权函数  40-42
    3.3.4 H_∞控制器综合  42-46
  3.4 摩擦补偿  46-50
    3.4.1 摩擦数学模型  46-47
    3.4.2 摩擦补偿方法概述  47-48
    3.4.3 基于扰动观测器的摩擦补偿原理  48-50
  3.5 摩擦扰动观测器的设计  50-53
    3.5.1 系统中摩擦的数学模型  50-51
    3.5.2 扰动观测器设计  51-53
  3.6 本章小结  53-55
第4章 控制器的模型降阶及控制软件设计  55-65
  4.1 引言  55
  4.2 控制器的模型降阶  55-58
    4.2.1 平衡截断理论  55-57
    4.2.2 控制器的平衡截断  57-58
  4.3 控制器性能的SIMULINK 仿真验证  58-60
  4.4 系统的软件设计  60-64
  4.5 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-70
工学博士学位论文  70-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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