带传动间隙转台的精确控制

论文摘要

转台作为一种仿真和测试设备广泛应用于航空、航天、电子通信等众多领域,而改善转台的功能和提高转台的性能品质对航空航天工业以及国防建设的发展都具有重要的意义。在大力矩输出转台的传动机构中往往存在齿隙非线性,影响了转台的动态性能和稳态精度,同时由于齿隙不可微分的特性,对其补偿控制比较困难,这使得对性能和可靠性有较高要求的转台系统在设计和工程实现上都面临较大困难。本文就转台传动中的齿隙非线性开展研究,并提出改进的方法。首先,分析了传动装置齿隙位置的不同对伺服系统性能的不同影响,从机械设计角度提出了减弱或消除齿隙的若干措施。然后,以双电机驱动齿隙非线性系统为对象,对双电机驱动消除齿隙的控制原理和方法进行了研究,利用机理分析法,建立了双电机同步联动伺服系统的动力学模型;利用多电机施加偏置力矩补偿齿隙非线性的方法,引入标志函数重新描述齿隙非线性,应用Backstepping方法设计了基于状态反馈的控制策略;并进一步针对参数未知的控制对象,设计了基于Backstepping方法的状态反馈自适应控制策略。理论分析和仿真研究表明,该方案能够保证系统稳定地跟踪参考输入,同时保证整个控制系统渐近稳定。最后,以某天线测试转台为研发目标,介绍了控制系统的工程实现,叙述了系统主控模块和伺服模块的设计和开发过程,并从硬件和软件两方面介绍了研制中的关键技术和难点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 机械传动技术现状
• 1.3 机械传动在转台中的应用及存在的问题
• 1.4 齿隙非线性系统研究现状
• 1.5 本课题研究的内容及论文的安排
• 第二章 转台的齿轮间隙机理与分析
• 2.1 传动系统中的齿隙特性
• 2.1.1 迟滞模型
• 2.1.2 死区模型
• 2.1.3 “振—冲”模型
• 2.2 齿隙对转台的影响
• 2.3 齿隙的机械消除措施
• 2.3.1 中心距可调消隙
• 2.3.2 弹簧加载双片齿轮消隙
• 2.3.3 双传动链消隙
• 2.4 基于死区模型齿隙的对象数学模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于PID 控制的双电机传动消隙
• 3.1 双电机传动消隙方法设计
• 3.1.1 传动起始分析
• 3.1.2 传动换向分析
• 3.1.3 双电机驱动的实现条件
• 3.1.4 双电机传动消隙总结
• 3.2 双电机传动系统的动力学建模
• 3.2.1 不考虑齿隙时的双电机联动系统的动力学建模
• 3.2.2 含齿隙的双电机驱动系统动力学模型
• 3.3 仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于 Backstepping 方法的双电机消隙控制设计
• 4.1 预备知识
• 4.1.1 Backstepping 方法
• 4.1.2 偏置力矩消隙概述
• 4.2 双电机齿隙非线性控制研究
• 4.2.1 系统模型与问题研究
• 4.2.2 控制器设计
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 基于 Backstepping 方法的双电机驱动系统的自适应控制
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 基于Backstepping 方法的自适应控制器设计
• 4.3.3 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 某天线测试转台的工程实现
• 5.1 测试转台概述
• 5.1.1 转台的主要功能要求
• 5.1.2 主要技术指标要求
• 5.2 转台控制系统硬件设计
• 5.2.1 控制系统组成模块
• 5.2.2 主要部件的选型
• 5.3 控制系统软件设计
• 5.3.1 人机界面设计
• 5.3.2 关键模块的编码实现
• 5.4 试验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作