液压三轴仿真转台低速性能分析及其控制的研究

论文摘要

三轴飞行仿真转台是具有重要国防战略意义和经济价值的半实物仿真设备,其性能的优劣直接关系到飞行器仿真结果的逼真度。主要的性能指标可用“高频响、超低速、宽调速、高精度”概括。液压仿真转台的“超低速”性能指标,主要是受到摩擦力矩扰动的影响。而摩擦力矩的减小又受到工艺水平等条件的限制。因此,对转台伺服系统低速特性的分析以及摩擦补偿和控制方法进行研究,对于高精度超低速转台系统性能的提高具有重要意义。本文首先在查阅了国内外相关文献的基础上,综述了仿真转台的发展概况以及仿真转台的一些关键技术,重点介绍了低速性理论的发展和研究现状。其次简述了低速特性的评定方法,分析了影响转台低速特性的因素,通过理论分析推导出了三轴液压仿真转台外框单通道系统的数学模型并详细分析了摩擦对系统低速运动的影响机理。然后结合Stribeck和LuGre摩擦模型定量地分析了液压系统中摩擦对系统低速性的影响,并提出了LuGre模型参数辨识的具体方法和步骤,给出了进行摩擦补偿所需的摩擦力矩观测器并对其进行了稳定性证明。针对液压三轴仿真转台低速运动的控制问题,本文介绍了液压伺服系统中广泛采用的PID控制器的原理及其控制算法,同时分析了输入信号微分前馈控制及其工程实现问题以及摩擦前馈补偿控制。而且本文根据系统的低速摩擦特性和LuGre摩擦模型,提出了一种基于LuGre模型的摩擦补偿自适应控制,并对该控制策略进行了仿真研究,仿真结果表明该控制策略能提高系统的低速性能。最后完成低速控制器的设计,编写了摩擦补偿和控制程序。进行了低速实验研究,实验结果满足了本实验台低速性能指标的要求,表明本文的理论分析和推导正确,补偿和控制方案有效。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 三轴仿真转台及其发展概况
• 1.3 三轴仿真转台的关键技术
• 1.4 低速理论的研究和发展
• 1.5 仿真转台电液位置伺服系统低速研究进展
• 1.6 课题提出及论文主要工作
• 第2章 三轴仿真转台单通道的建模与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 单通道位置伺服系统的数学模型
• 2.2.1 单通道位置伺服系统的组成
• 2.2.2 阀控马达动力机构的数学模型
• 2.2.3 系统其他环节的数学模型
• 2.2.4 系统的数学模型
• 2.2.5 系统参数计算
• 2.3 系统性能分析
• 2.3.1 系统稳定性分析
• 2.3.2 系统特性分析
• 2.3.3 系统精度分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统低速特性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 转台低速特性的评定方法
• 3.3 影响仿真转台低速特性的因素
• 3.4 摩擦力矩对转台低速性能影响的理论分析
• 3.5 基于摩擦模型的超低速性能理论分析和仿真
• 3.5.1 Stribeck 摩擦模型的仿真分析
• 3.5.2 LuGre 摩擦模型的仿真研究
• 3.6 摩擦力矩的补偿
• 3.6.1 LuGre 摩擦模型的参数估计
• 3.6.2 摩擦力矩的补偿
• 3.7 本章小结
• 第4章 控制策略及其仿真
• 4.1 引言
• 4.2 PID 控制策略
• 4.2.1 常规数字式PID 控制器
• 4.2.2 数字PID 控制算法的改进
• 4.2.3 基于PID 控制器的控制系统
• 4.3 复合控制策略
• 4.3.1 输入信号微分前馈复合控制
• 4.3.2 摩擦干扰补偿复合控制
• 4.3.3 微分前馈和干扰补偿综合复合控制
• 4.4 自适应控制策略
• 4.4.1 自适应控制介绍
• 4.4.2 自适应控制器设计
• 4.5 仿真研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统低速性能试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 三轴飞行仿真转台实验样机的组成
• 5.3 控制系统的组成
• 5.3.1 控制系统的硬件
• 5.3.2 控制系统的软件设计
• 5.4 三轴转台外框单通道低速性能实验研究
• 5.4.1 摩擦模型参数辨识
• 5.4.2 低速性能实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢