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位置扰动型施力系统力跟踪性能的研究_王辉

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第25卷2006年第12期12月机械科学与技术MECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGYVo.l25DecemberNo.122006

收稿日期:20051202作者简介:王　辉(1966-),男(汉),辽宁,副教授,博士研究生E-mail:mike_simon2000@yahoo.com王　辉文章编号:1003-8728(2006)12-1484-03位置扰动型施力系统力跟踪性能的研究王　辉1,2,闫祥安1,王立文2(1天津大学机械工程学院,天津　300072;2中国民用航空学院,天津　300300)摘　要:对位置扰动型电液伺服施力系统的特点进行了分析,为提高系统的力跟踪性能,找出了提高跟踪性能的关键因素。仿真结果表明,采用前馈校正策略,减少多余力,控制稳态误差可以实现力跟踪精度性能的要求,为构建实时系统提供了数据参数和控制策略的依据。关　键　词:力跟踪;多余力;稳态误差;前馈校正中图分类号:TP273.2 文献标识码:AResearchonForceTrackingPerformanceofaPositionDisturbanceTypeofLoadingSystemWangHui1,2,YanXiangan1,WangLiwen2(1SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072;2CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300)Abstract:Thepaperanalyzesthecharacteristicsofapositiondisturbancetypeofservo-hydraulicloadingsystemandfindsoutthekeyfactorsthatenhancetrackingperformancesoastoenhancethesystem′sforce-trackingperformance.Asimulationindicatesthattherequirementforforcetrackingaccuracycanbemetbyadoptingforward-tuningstrategies,reducingextraneousforceandcontrollingsteady-stateerrors.Theresearchprovidesdataparametersandcontrolstrategybasesforconstructingreal-timesystems.Keywords:forcetracking;extraneousforce;steady-stateerror;feedforwardtuning 位置扰动型施力系统,是指在施力过程中,受力对象所要求的位置相对于施力机构有显著变化,施力系统要求以高精度复现力函数,且要有快速响应性[1]。数字式操纵负荷系统中的力伺服系统是典型的位置扰动型施力系统,它要求施力系统根据被加载对象的位移大小给驾驶盘(或脚蹬)施加相应的力[2]。施力系统的受力对象复杂多变,并且受力对象的参数包括在施力系统闭环之中,因此力伺服系统的品质如何,将影响对驾驶盘(脚蹬)力的仿真效果。为提高位置扰动型施力系统的力跟踪性能,本文以飞机的飞行状态及操作模式为研究对象,对系统的自身特点进行了分析,找出了提高力跟踪性能的关键因素,减少多余力,控制稳态误差。仿真结果表明,采用前馈校正等策略是提高跟踪性能的关键。1　位置扰动型电液伺服施力系统的模型建立1.1　数字式操纵系统中的力伺服系统的工作原理操纵负荷系统首先检测驾驶盘(或脚蹬)的位移,并根据飞机的飞行状态及操纵模式,实时计算应施加在驾驶盘(或脚蹬)上的力,即模型力,也就是驾驶员操纵驾驶盘(或脚蹬)时所要感受到的力,然后控制施力系统向驾驶盘(或脚蹬)施力,所施加的力要精确跟踪模型力。与此同时,操纵系统还要实时计算舵面偏角。

图1　负载模拟器工作原理图1.2　系统的数学模型及动态方块图的建立(1)设被加载对象的折算质量为m,弹性系数为Ks,被加载对象的位移为yf,由于存在间隙(机械)、弹性等因素,加载液压缸活塞杆位移为y(图1),则可列出下面的运动方程式(忽略摩擦力和阻尼)my =Ff+F(1)第12期 王　辉等:位置扰动型施力系统力跟踪性能的研究Ff=Ks(yf-y)(2)式中:Ff为位置系统的操纵力,对上面的方程式拉氏变换后并联立解出y=Ksyf+Fms2+Ks(3) (2)伺服阀的负载流量方程Ql=Kxx-KpPl(4)x=W0U(5)式中:Ql为负载流量,m3/s;x为阀芯窗口开度;Pl为负载压力,Pa;Kx为流量增益,m2/s;Kp为流量-压力系数,m5/s N;W0为伺服阀传递函数;U为校正及放大环节的输出电压,V。(3)液压加载液压缸的负载流量方程Ql=Asy+CtPl+V4βesPl(6)式中:A为加载液压缸活塞面积,m2;Ct为总泄漏系数,m5/s N;V为加载液压缸及其伺服阀之间的管路总面积,m3;βe为液体弹性模量系数,Pa;y为加载液压缸活塞位移,m。(4)校正环节方程U=KyW2(F0-KFF)(7)式中:Ky为放大器增益;W2为校正环节传递函数;KF为力-电转换系数;F为加载函数,N;F0为力函数(计算机给出的指令信号),N。由式(4),式(6)两式联立得出y=lsKxAx-Vs4βeA+KtAPl(8)式中:Kt为总流量压力系数,Kt=Kp+Ct,m5/s N。由式(8)可求得伺服阀及加载液压缸组成的加载机构动态方程式yS=KxAx-Vs4βeA2+KxA2APl(9)因而F=AKxKtx-A2KtysTQs+1(10)TQ=V4βeKt 由以上各方程式可求得位置扰动型液压加载系统传递函数方块图如图2所示。

图2　位置扰动型液压加载系统传递函数方块图2　分析位置扰动型施力系统的力跟踪问题实质上是一种力的瞬态平衡问题,然后打破平衡,再平衡,反复进行直至停机。在这个过程中,跟踪的实质是系统有无静态误差或静态误差大小的问题[3]。这里研究的是指任意给定的函数来说的。被加载对象的移动速度对输出力会产生影响,产生的多余力为F=φ(s)Sy f(s)(11) 由于系统受负载参数的影响,一般频带很低,则多余力很大,而较大的多余力必使加载精度大大下降,难以实现点点跟踪,必须采取补偿措施减少或消除多余力。利用MATLAB平台编制了仿真软件[4],从仿真结果可以看出多余力在位置扰动型施力系统中的存在,并且在该系统中最大多余力的幅值达到280N,见图3。

图3　校正前系统存在的多余力曲线3　系统结构图的修正设计根据结构不变性原理,在系统中加入一个前馈校正环节w(s),使w(s)满足下式[1]y A-y w(s)W0Kx=0(12)则可得w(s)=AKxW0 如果校正环节ω(s)满足上式,即对位置扰动进行了完全补偿。修正后的系统方块图如图4所示。

图4　校正后系统的方块图4　仿真结果分析前馈校正后仿真结果如图5所示。从结果可以看出多余力大大减小了,最高峰值仅仅为25N,由于采用了建模仿真下的分析,实际的结果可能会与此有差异,但这已经证明该方法校正的有效性。完全前馈校正后,阶跃响应曲线如图6所示。1485 机械科学与技术 第25卷

从阶跃响应曲线可以看出,采用前馈校正方法,增加系统响应速度,有效地减少系统中的多余力,抗干扰能力增强,稳态误差变小,进而提高了跟踪精度。校正后的力跟踪曲线如图7所示。

图7　校正后的力跟踪曲线5　结论(1)位置扰动型施力系统的建模仿真结果为实际系统的构建提供了可以借鉴的数学模型、参数和控制策略。(2)位置扰动型施力系统中多余力的大小、稳态累计误差直接影响力的跟踪精度,多余力的减小以至消除是提高力跟踪精度的主要因素。(3)系统加前馈校正环节后,系统具有良好的动静态性能,多余力显著减小,跟踪精度明显提高。(4)建议在实际构建系统时,需要考虑摩擦力、油液粘度、油液温度等非线性因素的影响,并通过控制策略的修正和硬件结构的修正来获得良好的效果。[参考文献][1]　蔡永强.数字式操纵负荷系统的研究[D].北京航空航天大学,1998[2]　刘长年.高压大流量大容腔跟踪型压力控制系统的研究[J].自动化学报,1985,11(3):300～308[3]　AlleyneA,LiuR.Onthelimitationsofforcetrackingcontrolofhydraulicservosystems[J].ASMEJournalofDynamicSys-temsMeasurementandControl,1999,121(2):184～190[4]　刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2004(上接第1441页)[参考文献][1]　LorensenWE,ClineHE.Marchingcube:ahigh-resolution3Dsurfaceconstructionalgorithm[J].ComputerGraphics,1987,21(4):163～169[2]　DürstMJ.Letters:additionalreferencetomarchingcubes[A].In:ACMComputerGraphics[C],1988,22(4):72～73[3]　NielsonGM,HamannB.Theasymptoticdecider:resolvingtheambiguityinmarchingcubes[A].In:ProceedingsofVi-sualization′91[C],1991:83～90[4]　NatarajanBK.Ongeneratingtopologicallyconsistentisosurfac-esfromuniformsamples[J].VisualComputer,1994,11(1):52～62[5]　ChernyaevEV.MarchingCubes33:ConstructionofTo-pologicalCorrectIsosurfaces[R].TechnicalreportCERNCN95-17,CERN,1995.http://citeseer.is.tpsu.edu/chern-yaev95marching.html,2005[6]　CignoniP,etal.Reconstructionoftopologicallycorrectanda-daptivetrilinearsurfaces[J].ComputersandGraphics,2000,24(3):399～418[7]　LopesA,BrodlieK.Improvingtherobustnessandaccuracyofthemarchingcubesalgorithmforisosurfacing[J].IEEETransactionsonVisualizationandComputerGraphics,2003,9(1):16～29[8]　XiaRB,LiuWJ,WangYC.Arobustandtopologicalcorrectmarchingcubealgorithmwithoutlook-uptable[A].In:TheFifthInternationalConferenceonComputerandInforma-tionTechnology[C],Shanghai,China,2005:565～569[9]　秦绪佳,欧宗瑛,张勇等.医学图像三维重建系统的数据结构表达及表面模型的构建[J].生物医学工程学杂志,2002,19(2):239～243[10]　秦绪佳,欧宗瑛,纪凤欣.三维医学图像MT表面重建的相关性处理及模型简化[J].中国生物医学工程学报,2001,20(5):398～403[11]　秦绪佳,欧宗瑛,纪凤欣等.医学图像的交互分割及三维表面重建[J].工程图学学报,2001,(2):94～101[12]　DICOMPart1:IntroductionandOverview.http://medica.lne-ma.org/dicom/2004.html,2005[13]　VtkClassDocumentation.http://www.vtk.org/doc/nightly/html/index.htm.lKitwareInc,USA,20051486

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双轴跟踪转台伺服控制系统的建模及控制方法研究

双轴跟踪转台伺服控制系统的建模及控制方法研究

I 摘要

高精度转台在军事、航天航空、光电领域等得到越来越广泛的应用。转台伺服系

统一般是由转台机械本体和运行控制系统等构成，是雷达、坦克、射电天文望远镜等

装备的重要组成部分。主要性能指标包括系统的响应速度、低速运行平稳度和跟踪精

度、抗干扰能力等。本文以某双轴跟踪转台为研究对象，对其进行稳定跟踪控制算法

的研究。因为摩擦、齿隙、机械形变等扰动因素的存在使得双轴跟踪转台系统具有非

线性的特点，滑模变结构控制算法对非线性系统有着较好的控制效果，本文设计的基

于积分型切换增益的滑模变结构控制方法能保证控制系统的跟踪稳定性并且有较好的

摩擦干扰抑制能力。

本文的主要内容是研究双轴跟踪转台的系统稳定跟踪控制问题，具体的工作如下：

第一，通过机理模型建立双轴转台系统的单轴数学模型，同时对摩擦扰动进行

LuGre模型的数学模型建立，并且根据坐标变换得到转台双轴联动的数学模型，这些

工作为后续控制算法的构建和仿真模型奠定了基础。

第二，本文针对双轴跟踪转台的结构，基于RTU-BOX实时仿真平台开发了包含

上位机的实时控制系统。通过以太网通信实现串口通讯，实时数据读取、保存双轴跟

踪转台系统的转速，为后续的LuGre模型参数辨识和控制算法做好实验准备。

第三，根据所建立的双轴跟踪转台伺服系统模型，设计了PD控制算法、基于趋

近律算法的滑模控制算法和基于积分型切换增益的滑模控制算法对双轴跟踪转台的稳

定控制和稳定跟踪问题进行研究。其中，基于积分型切换增益的滑模控制算法不仅对

摩擦扰动的抑制能力更强，而且鲁棒性更好。Simulink仿真和RTU-BOX实时仿真结

果证明了本文提出方法的有效性。

本文获得国家自然科学基金项目复杂电机系统关键基础问题研究51637001和国

家自然科学基金青年基金( 51507001)的资助。

关键词：双轴跟踪转台，LuGre摩擦模型，滑模控制，实时仿真

Ⅱ

Abastract

High-precision turntables have become more and more widely used in military,

基于TSK型递归模糊神经网络的永磁直线同步电机位置控制研究

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熊渊琳;方宝英

【摘 要】针对基于磁场定向控制的永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统的位置精准控制问题,提出了一种TSK型递归模糊神经网络(TSKRFNN)控制方法.在考虑了系统易受参数变化、外部扰动和摩擦力等不确定性因素影响的基础上,建立了含有不确定性因素在内的PMLSM动态数学模型;利用TSKFRNN对系统同时进行了实时在线的结构学习和参数学习,提高了系统抑制不确定性因素的鲁棒性,保证了系统的动态跟踪性能.实验及研究结果表明:与模糊神经网络PID控制方法相比,TSKFRNN可以有效辨识电机参数,抑制系统的不确定性对系统伺服性能的影响,提高了系统的鲁棒性和跟踪性能.

【期刊名称】《机电工程》

【年(卷),期】2019(036)004

【总页数】5页(P413-417)

【关键词】永磁直线同步电动机;不确定性因素;TSK型递归模糊神经网络;鲁棒性;跟踪性

【作 者】熊渊琳;方宝英

【作者单位】江苏海事职业技术学院 电气学院,江苏 南京211170;上海理工大学

光电信息与计算机工程学院,上海200093

【正文语种】中 文 【中图分类】TM301.2;TP273

0 引 言

随着科技的发展，伺服系统对于高速高轮廓精度的要求越来越高。由于以永磁直线同步电动机(PMLSM)为直接驱动的系统具有无背隙、摩擦小、机械构造简单、高可靠性、高传动刚度和大推力等优点，使PMLSM直驱设计适用于许多高性能要求的场合[1-2]。然而，PMLSM结构上的简化使控制难度增加，导致参数变化、外部扰动、摩擦力等不确定性因素直接作用在电机上，严重影响电机的伺服性能。因此，抑制不确定性因素对系统的影响，提高系统控制性能是PMLSM伺服驱动的关键问题[3-4]。

近年来，针对PMLSM中存在不确定性因素而降低系统伺服性能的问题，国内外学者进行了深入地研究，包括经典PID控制、滑模控制、反推控制等。由于PMLSM是一种多变量、强耦合的非线性系统，传统PID控制无法满足一些高精密应用场合控制要求，且PID控制算法需根据专家经验，采用试凑法，经调试才能得到最优参数。文献[5]将BP神经网络PID控制算法应用于永磁同步电机控制中，解决了PID参数整定困难的问题，但BP神经网络的收敛速度较慢；滑模控制具有强鲁棒性的优点，但却存在着系统抖振现象，文献[6]采用模糊分数阶滑模削弱抖振，保证系统的跟踪精度，但是系统超调量较大。由于模糊神经网络结合了模糊推理中处理不确定信息的能力和神经网络强大的学习能力，可以估计并抑制系统中存在的不确定性，受到学者们极大的关注[7]。文献[8]提出了一种自构式模糊神经网络控制器，并应用于PMLSM伺服系统，虽然具有强大的在线学习能力，但隐含层节点数目多，导致神经网络结构复杂；文献[9]提出了结构和参数学习，可同时在线进行自组织递归模糊神经网络，虽然学习能力得到了很大的提高，但对于非线性问题的控制效果不佳。 为解决不确定性因素影响PMLSM伺服系统控制性能的问题，本研究将采用一种结合自组织模糊神经网络、TSK型模糊推理机制和递归型神经网络3者优点的TSK型递归模糊神经网络(TSKRFNN)的控制器，应用于PMLSM伺服系统。

应用于运动平台光电跟瞄系统的惯性参考单元研究综述

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第 32 卷 第 3 期2024 年 2 月Vol.32 No.3Feb. 2024光学 精密工程 Optics and Precision Engineering

应用于运动平台光电跟瞄系统的惯性参考单元

研究综述

李醒飞1，2， 何梦洁1， 拓卫晓1，2*， 王天宇1， 韩佳欣1， 王信用1

（1.天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；

2.深海技术科学太湖实验室，江苏 无锡 214000）

摘要：目标的变化和任务的拓展对光电跟瞄系统提出了快速机动的要求，从地基平台到车载、船载、机载、星载等运动平台是光电跟瞄系统的重要发展趋势。基于惯性参考单元（Inertial Reference Unit，IRU）的视轴稳定方式是克服运动平台高频扰动，实现光电跟瞄系统微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。针对运动平台光电跟瞄系统精确指向对载体基座扰动抑制的需求，分析和对比了IRU的各种技术方案，特别介绍了利用低噪声、宽频带惯性传感器敏感角扰动，并通过反馈控制实现视轴惯性稳定的系统方案。从此类IRU系统的工作原理出发，阐述了系统的两种工作模式及功能特点，建立了系统数学模型。然后，介绍了IRU的国内外研究进展及发展方向，指出惯性传感、支承结构和控制系统是决定IRU稳定能力的关键因素，梳理了三项关键技术的研究动态。最后，总结了IRU的空间应用情况，并结合目前的应用需求对其未来应用领域进行了探讨。关键词：惯性参考单元；运动平台；光电跟瞄系统；视轴稳定；扰动抑制中图分类号：V19 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20243203.0401

Review on inertial reference unit applied to photoelectric

tracking and pointing system of moving platform

LI Xingfei1，2， HE Mengjie1， TUO Weixiao1，2*， WANG Tianyu1， HAN Jiaxin1， WANG Xinyong1

车辆动态目标位置跟踪的自适应预测控制研究

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莫舒玥

【摘 要】车辆在行驶过程中由于受车载、路况、车体运动状态、环境变化等因素影响,使得通过建立数学模型来精确描述车辆动态过程变得非常困难,导致传统基于模型的控制方法难以适应车辆行驶过程中复杂的动态变化因素.针对车辆的动态目标位置跟踪特点,通过构建车辆动态目标位置的运动学模型,采用自适应预测控制方法(Model-free Adaptive Predictive Control,简称MFAPC)研究车辆弯道保持系统中的动态目标位置跟踪问题,并基于MFAPC方法实现控制器的设计.控制仿真结果表明,相比PID控制方法,采用无模型自适应预测控制方法对车辆动态目标位置进行动态跟踪控制,其跟踪精度更高,控制过程更加平稳,从而使车辆驾驶过程具有更好的舒适性.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2018(000)012

【总页数】5页(P96-99,104)

【关键词】动态目标位置;运动学模型;自适应预测控制;PlD控制

【作 者】莫舒玥

【作者单位】广西交通职业技术学院 汽车工程系,广西 南宁 530022

【正文语种】中 文

【中图分类】TH16;TP13

1 引言

随着公路交通的智能化，车辆智能控制技术越来越重要，其中智能车辆自主导航技术受到广泛关注[1-2]。横向控制是车辆自主导航的关键技术，其表示车辆在不同的车速、荷载、路况以及风阻等条件下自动跟踪行车路线，并保证一定的舒适性和平稳性，即车辆的转向控制。

车辆的数学模型包括动力学模型和运动学模型两种建模方式。动力学模型的构建受车载、路况、车体运动状态、环境变化等因素影响，且部分影响因素难以测量和确定，而运动学模型则从车辆运动学状态角度出发，只需要通过位置、速度或加速度等信息即可描述车辆与行车路线之间的关系，且这些描述变量都具有实时可测量性，可避免动力学模型的缺陷[3-7]，因此采用运动学模型来对被控车辆进行建模。