多电机同步联动系统的动力学建模及消隙控制算法研究
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摘要
本文以新型炮控系统的研制和改造的国防预研项目——多电机同步联动伺服系统为背景，介绍了四电机同步联动伺服系统的总体设计，并利用机理分析法，将电机侧的参数转换到负载侧，建立了双电机同步联动伺服系统的动力学模型。在双电机联动的建模基础上，建立了四电机同步联动伺服系统的动力学模型，并通过MATALAB仿真，验证了模型的准确性。从系统的基本结构入手，研究了伺服系统中普遍存在的非线性因素，除了从机械上消除这些非线性因素的影响外，本文还研究了基于描述函数法和最优控制算法的消隙控制器，讨论了这两种控制算法消除齿隙非线性的机理，并通过仿真验证了消隙的有效性，得出了有意义的结论。
In this paper, Multi-motor synchronized driving servo system is studied. It is based on the project of the design and reconstruction of new style cannon. The whole design of four-motor synchronized driving servo system is introduced and its principles and anti-backlash schemes are analyzed. After building the model of double-motor synchronized driving servo system, the kinetic model of four-motor servo system is constructed. The veracity of it is tested by simulation. From the basic construction of the system, the nonlinear factors in some servo systems are studied. Except for getting rid of these factors from mechanism, describing function analysis of an anti-backlash controller and optimal control algorithms are studied how to be applied to the elimination of backlash nonlinear. By simulation and testing, some useful results are gained.
In this paper, Multi-motor synchronized driving servo system is studied. It is based on the project of the design and reconstruction of new style cannon. The whole design of four-motor synchronized driving servo system is introduced and its principles and anti-backlash schemes are analyzed. After building the model of double-motor synchronized driving servo system, the kinetic model of four-motor servo system is constructed. The veracity of it is tested by simulation. From the basic construction of the system, the nonlinear factors in some servo systems are studied. Except for getting rid of these factors from mechanism, describing function analysis of an anti-backlash controller and optimal control algorithms are studied how to be applied to the elimination of backlash nonlinear. By simulation and testing, some useful results are gained.
引文
1 胡寿松．自动控制原理．北京：国防工业出版社，1994
2 李连升．雷达伺服系统．北京：国防工业出版社，1983
3 郭庆鼎，王成元．交流伺服系统．北京：机械工业出版社，1994
4 胡佑德，曾乐生，马东升．伺服系统原理与设计．北京：北京理工大学出版社，1993
5 陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版社，1997
6 张平等．MATLAB基础与应用简明教程．北京：北京航空航天大学出版社，2001
7 魏克新等．MATLAB语言与自动控制系统设计．北京：机械工业出版社，1997
8 曾乐生，施妙和．随动系统．北京：北京工业学院出版社，1998
9 冯国楠．现代伺服系统的分析与设计．北京：机械工业出版社，1990
10 李润方，王建军．齿轮系统动力学．北京：科学出版社，1997
11 樊卫华．高性能交流数字伺服系统的算法研究与工程实现：[学位论文]。南京：南京理工大学硕士论文，2001
12 陈庆伟 郭毓．提高齿隙非线性系统精度的应用研究，南京：南京理工大学学报，2000
13 赵春雨．多机传动机械系统的同步控制，控制理论与应用 1999
14 孙西，周立峰．具有间隙非线性系统的自适应控制，控制理论与应用．1991，8(1)：96-100．
15 GANG TAO,PETAR V. KOKOTOVIC. Adaptive Control of System with Backlash, Automatics, vol. 29. No. 2. pp. 323-335.1993
16 Mattias Grundelius, David Angel. Adaptive Control of System with Backlash Acting on the Input, Proceedings of the 35th Conference on Decision and Control, Kobe, Japan. December 1996.4689-4694.
17 Kenan Ezal, Gang Tao. Optimal Control of Tracking System with Backlsh and Flexibility, Proceedings of the 36th Conference on Decision & Control San Diego. Californa USA December 1997.1794-1754.
18 W. Gawronski, J.A. Mellstrom. Elevation Control System Model for the DSS 13 Antenna. TDA Progress Report 42-105. 1991. pp 83-89.
19 Kenan Ezal, Gang Tao. Optimal Control of Tracking Systems with Backlash And Flexibility, Proceedings ot the 36th Conference on Decision
& Control. 1997:1794-1754
20 Jorge E. Tierno, Kee Y. Kim, Seth L. Lacy and Dennis S. Bernstein. Describing Function Analysis of an Anti-Backlash Controller. Proceedings of the American Control Conference Chicago, Illinois June 2000, pp 4164-4168.
21 Eduardo P.Wiechmann, Rolando P. Burgos, and Dushan Boroyevich. Active Front-End Converter Input Filter Minimization using Sequential Sampling Space Vector Modulation for Muli-Motor Drives. University of Concepcion Concepcion, CHILE. 2001 IEEE. pp 1687-1694.
22 SHIH-CHANG LIN and SONG-JAU TSAI. A Microprocessor-Based Incremental Servo System with Variable Structure. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.IE-31,NO.4,NOVEMBER 1984.pp 313-316
23 刘兵．具有间隙预补偿的非线性预测控制，控制理论与应用．1999，16(2)．241—243
24 肖田元，钱唯德，吕林，隋迎秋．克服大型雷达伺服系统机械谐振德一种新设计方法及仿真，信息与控制，1986，3：6-15
25 杨静忠．小口径高炮伺服系统及其齿隙非线性研究：(学位论文)．南京：南京理工大学硕士论文，1999
26 冯国楠．现代伺服系统的分析与设计，北京：机械工业出版社，1990
27 徐承忠 王执铨，王海燕．数字伺服系统，北京：国防工业出版社，1994
27 应济，张万利．基于特征的参数化建模技术的研究，机电工程，2003，20(4)：4-7
28 罗燕．有关特征建模技术的研究，北京化工大学学报，1998，25(3)：40-43
29 张治国，张德波，伞治．小波神经网络建模研究，计算机测量与控制，2003，11(2)：147-152
30 王长元，穆静，辛大欣．模糊推理系统的建模分析，西安工业学院学报，2202，22(4)：371-373
31 魏宗康，夏刚，高桂芝，徐强．四轴平台伺服系统建模研究，中国惯性技术学报，2002，10(5)：12-19
32 沈静珠，李有润，胡山鹰，胡祖寿．模糊神经网络建模方法的研究，计算机与应用化学，2001，17(6)：371-373
33 杨德礼．建模与仿真技术发展动向，会议
34 李迎春，申东日，陈义俊．基于模糊神经网络的非线性系统建模方式，石油化工自动化，2003，1(27)：27-29
35 孟伟，张国印，韩学东．一种新型的系统建模方法，哈尔滨工程大学学报，
2000，21(5)：42-45
36 代建民，徐邦荃．双电机驱动的弹性系统的机械谐振抑制控制，电机电器技术，2000，第4期：31-35
37 李书训，朱久刚．一类含有死区非线性伺服系统的建模方法，黑龙江自动化技术与应用，1999，18(1)：4-8
38 赖天华．高精度伺服传动系统的设计与实践-双电机驱动的伺服传动系统的设计与探讨，46-49
39 乔俊伟，詹永麒，施光林．基于结构的神经网络在系统建模中的应用，系统仿真学报，2002，14(5)，557-561
40 胡寿松，王执铨，胡维礼．最优控制理论与系统．南京：东南大学出版社，1994
2 李连升．雷达伺服系统．北京：国防工业出版社，1983
3 郭庆鼎，王成元．交流伺服系统．北京：机械工业出版社，1994
4 胡佑德，曾乐生，马东升．伺服系统原理与设计．北京：北京理工大学出版社，1993
5 陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版社，1997
6 张平等．MATLAB基础与应用简明教程．北京：北京航空航天大学出版社，2001
7 魏克新等．MATLAB语言与自动控制系统设计．北京：机械工业出版社，1997
8 曾乐生，施妙和．随动系统．北京：北京工业学院出版社，1998
9 冯国楠．现代伺服系统的分析与设计．北京：机械工业出版社，1990
10 李润方，王建军．齿轮系统动力学．北京：科学出版社，1997
11 樊卫华．高性能交流数字伺服系统的算法研究与工程实现：[学位论文]。南京：南京理工大学硕士论文，2001
12 陈庆伟 郭毓．提高齿隙非线性系统精度的应用研究，南京：南京理工大学学报，2000
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14 孙西，周立峰．具有间隙非线性系统的自适应控制，控制理论与应用．1991，8(1)：96-100．
15 GANG TAO,PETAR V. KOKOTOVIC. Adaptive Control of System with Backlash, Automatics, vol. 29. No. 2. pp. 323-335.1993
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19 Kenan Ezal, Gang Tao. Optimal Control of Tracking Systems with Backlash And Flexibility, Proceedings ot the 36th Conference on Decision
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26 冯国楠．现代伺服系统的分析与设计，北京：机械工业出版社，1990
27 徐承忠 王执铨，王海燕．数字伺服系统，北京：国防工业出版社，1994
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28 罗燕．有关特征建模技术的研究，北京化工大学学报，1998，25(3)：40-43
29 张治国，张德波，伞治．小波神经网络建模研究，计算机测量与控制，2003，11(2)：147-152
30 王长元，穆静，辛大欣．模糊推理系统的建模分析，西安工业学院学报，2202，22(4)：371-373
31 魏宗康，夏刚，高桂芝，徐强．四轴平台伺服系统建模研究，中国惯性技术学报，2002，10(5)：12-19
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33 杨德礼．建模与仿真技术发展动向，会议
34 李迎春，申东日，陈义俊．基于模糊神经网络的非线性系统建模方式，石油化工自动化，2003，1(27)：27-29
35 孟伟，张国印，韩学东．一种新型的系统建模方法，哈尔滨工程大学学报，
2000，21(5)：42-45
36 代建民，徐邦荃．双电机驱动的弹性系统的机械谐振抑制控制，电机电器技术，2000，第4期：31-35
37 李书训，朱久刚．一类含有死区非线性伺服系统的建模方法，黑龙江自动化技术与应用，1999，18(1)：4-8
38 赖天华．高精度伺服传动系统的设计与实践-双电机驱动的伺服传动系统的设计与探讨，46-49
39 乔俊伟，詹永麒，施光林．基于结构的神经网络在系统建模中的应用，系统仿真学报，2002，14(5)，557-561
40 胡寿松，王执铨，胡维礼．最优控制理论与系统．南京：东南大学出版社，1994