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精密指向机构非线性动力学建模与测控问题研究

作　者: 范世珣
导　师: 范大鹏
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 瞄准线的稳定与跟踪指向机构非线性结构动力学线性变参数系统最小二乘遗传算法主成分分析状态观测器扰动观测器奇异值综合控制
分类号: TP273
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

指向机构是一种回转型机电运动控制装置，在侦察、预警、制导、火控和通信等武器装备中得到大量应用。装备技术的飞速发展，对指向机构提出了越来越高的精度要求和轻量化要求。摩擦、质量不平衡、模态等因素已成为影响轻量化指向机构精度提高的关键因素，对这些因素的定量化分析建模，精确测量和补偿控制已经成为精密指向机构设计面临的关键问题。本文以提高指向机构控制精度为目标，围绕摩擦、质量不平衡、模态等影响因素，重点在非线性与模态参数时变性建模、关键参数辨识、鲁棒抗扰控制等方面开展工作，提出了较为完善、实用的指向机构非线性时变系统建模与测控方法。论文的研究工作包含以下几个部分：1．为了掌握摩擦、质量不平衡、模态等因素对指向机构控制性能的影响，进行了非线性动力学建模研究。依据两轴指向机构的动力学方程组，分析了机构的控制原理，基本掌握了摩擦、质量不平衡和模态影响控制性能的机理。以实现指向机构的精密测控为目的，对摩擦、模态的建模进行了深入研究。通过对轴承、动密封这两个关键运动副摩擦机理的研究，得到了摩擦力矩的模型描述。应用有限元方法，得到了指向机构的线性定常模态模型。2．为了在机构制造装配阶段对摩擦、质量不平衡等非线性因素进行有效的工艺质量控制，针对指向机构制造装配过程对定量化性能检测的需要，研究了惯量、不平衡质量、摩擦等关键非线性动力学参数的精确测量和辨识方法。建立了指向机构的状态扩展离散动力学模型，分析比较了瞬时转速信号估计的三种数值微分算法，在此基础上，考虑工程实现中的机构运动的约束条件，综合应用最小二乘方法、非线性状态观测与控制方法提出了一种指向机构关键非线性模型参数的无偏辨识方法，经过实验验证，采用所研究的方法可以有效提高惯量、阻尼、摩擦和质量不平衡非线性动力学参数的测量和辨识精度。3．在指向机构轻量化的要求下，结构模态特性对动态精度的影响已不容忽视，为此，研究了负载变化条件下模态参数变化模型的建模与辨识方法。分析了负载惯量变化对结构模态参数的影响机理，应用参数变化模型建模技术建立了指向机构的线性化模态参数变化模型。综合应用非线性最小二乘优化和主成分分析理论，提出了一种线性化模态参数变化模型的辨识方法。为轻量化、高动态、高精度指向机构的结构建模与分析提供了一种新的思路。4．从控制的角度，摩擦、质量不平衡及模态变化都会以扰动的形式影响指向机构的控制精度。论文采用扰动观测技术对扰动特性进行了研究，分析和比较了DOB扰动观测器、状态扩展Kalman滤波器和时滞扰动观测器三种扰动观测技术的设计要点和性能特点：在设计方面，DOB扰动观测器的鲁棒稳定性可以应用非结构化不确定模型进行有效分析，与另外两种观测策略相比，其鲁棒性设计更加简单易行；在性能方面，状态扩展Kalman滤波器在干扰抑制能力、动态性和无偏性等方面的综合性能优于另外两种扰动观测器策略，但其鲁棒性设计方法尚不完善，有待进一步研究。以上比较分析为指向机构非线性控制方案的确定提供参考。5．针对模型参数不确定性以及摩擦、质量不平衡等非线性扰动对控制精度的影响，研究了指向机构的非线性控制方法。建立了指向机构的参数化不确定模型。分析了摩擦力矩信号瞬时频率特性，定义了摩擦信号的瞬时功率大小度量以及伺服系统对信号瞬时功率的增益，用于估计摩擦引起的伺服轴尖峰跟踪误差，分析评价伺服回路的抗扰性能。基于以上系统分析方法，综合运用奇异值控制技术和DOB扰动观测技术，提出了一种双回路鲁棒跟踪伺服控制策略。通过改进奇异值控制器设计方法，使奇异值位置伺服回路包含两个积分器，能够有效抑制稳态跟踪误差；通过推导双回路综合的鲁棒稳定条件，得到了DOB回路的设计方法，能够有效提高双回路伺服控制的鲁棒稳定性。所提出的控制器设计方法为实现指向机构非线性伺服控制提供了一种较为有效的方案。

全文目录

摘要  11-13
Abstract  13-16
第一章绪论  16-33
  1.1 课题来源  16
  1.2 论文研究的背景和意义  16-18
  1.3 指向机构动力学建模与测控技术的研究现状  18-30
    1.3.1 指向机构动力学建模技术的研究现状  18-22
    1.3.2 指向机构动力学模型参数辨识技术的研究现状  22-27
    1.3.3 指向机构稳定与跟踪高精度伺服算法的研究现状  27-30
  1.4 论文的主要研究工作  30-33
第二章指向机构的动力学模型  33-58
  2.1 指向机构的组成与工作原理  33-34
  2.2 刚体动力学模型  34-45
    2.2.1 坐标系定义  34-35
    2.2.2 运动学分析的主要结论  35-37
    2.2.3 指向机构的刚体动力学模型  37-43
    2.2.4 干扰力矩分析  43-45
  2.3 摩擦力矩的主要来源及建模  45-54
    2.3.1 角接触球轴承中的摩擦  45-49
    2.3.2 动密封中的摩擦  49-50
    2.3.3 摩擦干扰力矩的动力学模型  50-54
  2.4 结构模态模型  54-57
  2.5 本章小结  57-58
第三章指向机构的关键动力学参数辨识方法研究  58-105
  3.1 关键参数及其辨识策略  58-62
    3.1.1 机构单轴动力学方程  58-60
    3.1.2 模型关键参数与辨识策略  60-62
  3.2 传递函数与状态扩展模型  62-66
    3.2.1 传递函数模型  62-64
    3.2.2 状态扩展模型  64-66
  3.3 无偏最小二乘辨识算法  66-76
    3.3.1 基本最小二乘辨识算法  66-68
    3.3.2 无偏最小二乘辨识算法的提出与实现  68-75
    3.3.3 辨识激励信号设计  75-76
  3.4 Stribeck 曲线精确测试与参数辨识  76-87
    3.4.1 摩擦观测器设计  76-82
    3.4.2 Stribeck 曲线测试与辨识  82-87
  3.5 实验验证  87-102
    3.5.1 指向机构伺服系统实验平台简介  87-88
    3.5.2 无偏最小二乘估计算法实验验证  88-96
    3.5.3 Stribeck 曲线测试与辨识方法实验验证  96-100
    3.5.4 摩擦观测器的实验验证  100-102
  3.6 应用讨论  102-104
    3.6.1 在制造装配质量检验中的应用  102
    3.6.2 在伺服控制算法设计中的应用  102-104
  3.7 本章小结  104-105
第四章模态参数变化模型及其辨识方法研究  105-141
  4.1 指向机构的线性定常参数模型  105-107
  4.2 指向机构的线性参数变化模型  107-108
  4.3 指向机构线性参数变化模型辨识算法  108-136
    4.3.1 线性定常参数向量集辨识  108-127
    4.3.2 负载惯量-参数向量映射关系的线性化辨识  127-136
  4.4 参数辨识算法的实验验证  136-140
  4.5 本章小结  140-141
第五章指向机构扰动与状态观测器的性能比较研究  141-154
  5.1 扰动与状态观测器的设计方法  141-146
    5.1.1 指向机构的非线性不确定状态空间模型  141-143
    5.1.2 三种扰动观测策略的设计方法  143-146
  5.2 三种扰动观测策略的仿真比较  146-150
    5.2.1 扰动信号观测性能比较  147-148
    5.2.2 瞬时转速观测性能比较  148-150
  5.3 三种扰动观测策略的实验比较  150-153
    5.3.1 扰动信号观测性能比较  151-152
    5.3.2 瞬时转速观测性能比较  152-153
  5.4 本章小结  153-154
第六章指向机构的非线性伺服控制方法研究  154-178
  6.1 双回路鲁棒控制策略  154-157
    6.1.1 指向机构的非线性不确定模型  154-156
    6.1.2 双回路鲁棒控制策略的提出  156-157
  6.2 双回路鲁棒跟踪伺服控制器设计  157-166
    6.2.1 控制性能分析方法  157-160
    6.2.2 控制器设计方法  160-166
  6.3 仿真与实验验证  166-174
    6.3.1 双回路鲁棒跟踪控制器设计实例  166-169
    6.3.2 外回路积分型μ控制与H∞次优控制的仿真比较  169-172
    6.3.3 双回路鲁棒跟踪控制与 PID-DOB 控制的实验比较  172-174
  6.4 本章小结  174-178
第七章结论与展望  178-180
  7.1 全文总结  178-179
  7.2 研究展望  179-180
致谢  180-181
参考文献  181-195
作者在学期间取得的学术成果  195-196
  1.学术论文  195-196
  2.科研项目  196
  3.已授权专利  196

精密指向机构非线性动力学建模与测控问题研究

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