机电集成静电谐波传动系统控制理论研究

论文摘要

机电集成静电谐波微型传动系统是一种微型广义复合传动系统,利用柔轮的波动变形实现运动传递和运动转换。控制系统是机电集成静电谐波传动系统的重要组成部分,控制着该传动系统的启动、停机、调速和定位等功能。和传统的传动系统相比,机电集成静电谐波传动更依赖于控制系统,因为该微型传动要求更精确的位置定位和更快的速度响应。因此,控制理论和控制方法的研究对机电集成静电谐波传动的设计、分析和性能控制具有重要的现实意义和应用价值。本文深入研究了机电集成静电谐波传动系统的工作原理,在此基础上建立了机电集成静电谐波传动系统的动力学模型,得出了传动系统的开环控制模型。建立了机电集成静电谐波传动系统的PID控制理论,在经典PID控制系统参数设计的基础上,以单纯形法为手段进行了PID控制参数的二次寻优,并运用Matlab/Simulink软件比较了寻优前后的系统控制性能。计算了机电集成静电谐波传动系统在单相单极和三相单极两种驱动系统下柔轮产生的力矩,比较了两种驱动系统下的力矩特性,讨论了控制系统对力矩波动的电压补偿控制。介绍了以非线性跟踪—微分器和非线性PID为基本单元组成的非线性PID调节器的基本原理,研究了机电集成静电谐波传动的非线性控制,并进行了Matlab/Simulink仿真验证,结果表明,采用非线性PID控制系统后,可以有效改善系统的静态和暂态稳定性、提高控制系统的鲁棒性,取得良好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 MEMS 研究现状分析
• 1.2.2 MEMS 控制技术的研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第2章 机电集成静电谐波传动系统的动力学模型
• 2.1 机电集成静电谐波传动系统工作原理
• 2.2 机电集成静电谐波传动系统传递的力矩
• 2.3 动力学模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第3章 传动系统的PID 控制
• 3.1 PID 控制规律
• 3.2 系统PID 控制参数整定
• 3.2.1 PID 控制系统参数整定方法
• 3.2.2 机电集成静电谐波传动的PID 控制系统分析
• 3.2.3 PID 控制系统参数整定
• 3.2.4 整定结果分析
• 3.3 PID 控制系统的参数优化
• 3.3.1 系统寻优中的目标函数
• 3.3.2 单纯形寻优方法
• 3.3.3 机电集成静电谐波传动系统PID 控制器的参数优化
• 3.4 计算机仿真
• 3.4.1 仿真技术及Simulink
• 3.4.2 仿真模型的建立
• 3.4.3 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 机电集成静电谐波传动的力矩波动与控制
• 4.1 Rc 电路的充电和放电过程
• 4.1.1 换路定则
• 4.1.2 Rc 电路的充电过程
• 4.1.3 Rc 电路的放电过程
• 4.2 单相单极电场驱动下的传动系统
• 4.2.1 电压变化过程
• 4.2.2 单相单极电场下驱动力矩计算
• 4.3 三相单极电场驱动下的传动系统
• 4.3.1 一阶电路的全响应
• 4.3.2 电压变化过程
• 4.3.3 三相单极电场下总力矩计算
• 4.4 电压分布与力矩波动
• 4.4.1 电压分布
• 4.4.2 柔轮上产生的力矩
• 4.5 力矩波动的电压补偿
• 4.6 结果分析及验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 传动系统非线性PID 控制
• 5.1 经典PID 理论的局限性
• 5.2 非线性PID 控制的基本理论
• 5.2.1 非线性跟踪—微分器
• 5.2.2 非线性PID 控制规律
• 5.2.3 非线性PID 控制器
• 5.2.4 非线性PID 控制的优点
• 5.3 机电集成静电谐波传动的非线性PID 控制
• 5.4 计算机仿真
• 5.4.1 机电集成静电谐波传动非线性控制系统的仿真模型
• 5.4.2 仿真结果及分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介