试验转台设计及摩擦补偿研究

论文摘要

转台是具有重要国防战略意义和经济价值的系统测试设备,广泛应用于航天、航海、航空等领域,其性能的优劣是保证飞行器和制导武器系统精度和性能的基础。转台伺服系统中摩擦环节的存在容易导致系统出现稳态误差、爬行、极限环振荡等现象,严重影响了转台性能的提高。因此,研究仿真转台的摩擦补偿方法从而减弱或消除摩擦环节对伺服系统性能的影响,对研制性能优良的高精度超低速转台性具有十分重要的意义。本文以二轴试验转台为研究对象,根据转台系统的具体要求进行了总体方案的设计,着重对如何在控制策略中实施摩擦补偿展开了研究。首先,在分析了试验转台总体方案的基础上确定了机械结构部分的设计方案,采用地平式结构加直流力矩电机直驱的方案可以实现精确的对海上移动目标的无盲区跟踪。为了使摩擦补偿算法更易于实现,提出了一种开放式的转台控制方案并分别进行了控制系统硬件部分和软件部分的设计。在完成伺服系统具体设计之后,对二轴试验转台的不确定度进行了详细分析计算,以验证本文的设计方案是否满足技术指标要求。其次,本文选用LuGre摩擦模型对转台伺服系统中的摩擦环节进行补偿,通过在MATLAB中的仿真,验证了LuGre摩擦模型对摩擦的预滑动位移、摩擦滞后等摩擦非线性特性的准确描述。针对LuGre摩擦模型参数,运用两步辨识的方法对静态参数动态参数分别进行辨识,同时为了获得更高精度的静态参数,减小静态参数和动态参数之间的耦合影响,本文采用基于模拟退火的粒子群优化算法对静态参数进行辨识,然后在已获得的静态参数基础上对动态参数进行辨识。然后,本文根据控制系统各元件的性能参数,建立了转台位置伺服系统的数学模型,为在转台伺服系统中实施摩擦补偿奠定了基础,详细介绍了PID补偿和基于LuGre摩擦模型补偿方法的原理。最后,本文分别对采用的两种摩擦补偿的方法进行了仿真分析,同时对比分析了两种补偿方法的优缺点,结果表明基于LuGre摩擦模型的固定补偿相对于普通PID补偿取得了更好的补偿效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外转台研究现状
• 1.3 摩擦与摩擦模型研究现状
• 1.3.1 摩擦的特性
• 1.3.2 摩擦模型综述
• 1.4 摩擦力矩补偿的研究状况
• 1.4.1 基于非模型的补偿
• 1.4.2 基于模型的补偿
• 1.5 论文研究的主要内容
• 第2章 试验转台的总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 试验转台技术指标及功能
• 2.2.1 试验转台的主要技术指标
• 2.2.2 试验转台的功能与组成
• 2.3 试验转台机械结构设计
• 2.3.1 方位轴系设计
• 2.3.2 俯仰轴系设计
• 2.4 试验转台控制系统结构设计
• 2.4.1 转台控制系统硬件结构设计
• 2.4.2 转台控制系统软件结构设计
• 2.5 试验转台精度分析
• 2.5.1 试验转台方位轴精度分析
• 2.5.2 试验转台俯仰轴精度分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 LuGre摩擦模型仿真分析及参数辨识
• 3.1 引言
• 3.2 LuGre摩擦模型介绍及仿真
• 3.3 LuGre摩擦模型参数辨识
• 3.3.1 静态参数辨识方法
• 3.3.2 动态参数辨识方法
• 3.4 基于模拟退火的粒子群算法设计
• 3.4.1 算法简介
• 3.4.2 算法实现与步骤
• 3.4.3 算法参数设置
• 3.5 仿真计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 转台伺服系统补偿方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 方位轴位置伺服系统的数学建模
• 4.2.1 直流力矩电机数学建模
• 4.2.2 带有摩擦力矩的转台伺服系统模型
• 4.3 基于非模型的补偿方法
• 4.4 基于固定参数的LuGre摩擦模型补偿
• 4.5 本章小结
• 第5章 转台伺服系统摩擦补偿仿真
• 5.1 引言
• 5.2 LuGre摩擦模型参数测量实验
• 5.3 基于非模型的补偿仿真
• 5.4 基于固定参数的LuGre摩擦模型补偿仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢