武器站伺服传动装置在线辨识与自适应控制方法

针对武器站俯仰轴伺服传动装置在武器载荷变化时控制精度和安全性下降的问题,提出基于多参数在线辨识的自适应复合控制方法。基于符号函数的线性化方法,构建包含传动间隙、电机和负载摩擦非线性的伺服传动装置待辨识模型框架,推导出待辨识参数的显式迭代方程,通过带遗忘因子的递推增广最小二乘算法实现参数在线辨识。在此基础上,提出自适应比例积分控制器与自适应状态扩张卡尔曼滤波器相结合的复合控制方法。实验结果表明:参数辨识方法可实现伺服传动装置9个关键动力学参数的精确在线辨识,稳态辨识误差不超过10%。自适应复合控制方法将系统速度跟随残差均方根降低了28.24%,有效提升了俯仰轴在武器载荷变化时的控制精度和稳定裕度。

电动缸举升机构伺服性能的亚全局并行优化设计

针对电动缸举升伺服机构的非线性环节对武器站伺服性能的影响,基于应用背景开展了伺服性能优化方法的研究。针对可设计非线性环节中的增益波动、间隙宽度、不平衡力矩和摩擦力矩进行了作用机理分析;基于机构布局和控制器参数建立了运动学、动力学和控制策略的数学模型、设计约束和目标优化函数;提出了亚全局并行优化方法,对可设计非线性环节进行了基于内点法的多目标优化,解决了局部串行优化的局部最优问题;对基于PI控制器+DOB观测器的复合控制策略进行了单独设计,解决了机械惯量参数、控制器参数和观测器名义模型不匹配的问题。经验证,亚全局并行优化方法的优化结果在整体上更佳,且更加贴合工程实际。

安全集成伺服电机驱动模块设计

为了避免装备制造过程中机械部件发生不期望的运动而导致的安全事故,根据IEC61800-5-2标准对伺服驱动模块功能安全集成设计方法进行研究。通过分析伺服驱动数学模型、硬件构成、功能架构,明确了伺服驱动模块原理。根据其原理讨论了伺服驱动模块的失效机理、失效方式以及失效对系统的影响,并建立了基于参数约束的安全运行区间,可对伺服驱动模块危险失效进行主动监测。然后,通过对IEC61800-5-2建议的17项安全功能的特性分析,设计了安全相关系统架构,提出了基于对象字典的安全功能集成方法,可根据具体的安全要求实现安全功能的配置。最后,搭建实验平台并设计典型安全逻辑,对安全集成方法进行验证。实验结果表明,所提出的功能安全集成方法能够通过配置有效地实现IEC61800-5-2建议的安全功能,满足伺服驱动模块对安全功能的通用化需求。

实时以太网总线从站控制器模型化开发

从站控制器是工业自动化控制系统中实现总线通信、现场传感器采集、电机等执行器控制功能的基础部件。为满足各类工业现场执行器与传感器的使用需求,解决从站控制器硬软件设计繁琐、开发效率低、升级移植困难的问题,通过对典型从站控制器的硬软件构成分析,提出了一种从站控制器的模型化开发方法。建立了从站控制器共性的实时以太网通信处理模型以及实际应用中常见的数字量I/O、模拟量I/O、运动控制、通信接口转换从站的设备控制模型,采用模型代码自动生成与移植方法,在国产硬件平台上实现了从站控制器软件的标准化快速开发。实验结果验证了本文所提模型化开发方法的有效性,为实现国产化从站控制器软件的快速开发和升级移植提供了的有效手段。

面向武器站模块化基座的多工况与静动态筋壁结构高效设计方法

针对武器站模块化基座更高的多工况适应性和动态性能指标要求,提出并验证一种面向武器站模块化基座的多工况与静动态筋壁结构高效设计方法。推导了多工况刚度和多阶模态下的综合目标优化函数,分别利用层次分析法和线性加权法确定多工况刚度权重和多阶模态权重;针对综合目标优化函数下计算消耗大的问题,分别提出基于超单元的多工况与静动态拓扑优化方法和基于灵敏度分析法的筋壁结构响应面设计及寻优方法,并分别利用上述方法将模块化基座的拓扑优化时间和响应面试验设计时间缩减了92%和83.7%。校核验证结果表明,所设计的武器站模块化基座在满足各项性能指标的基础上,不仅能适应多种工况,而且有良好的静动态特性,对武器站产品的可重构高效设计有一定的指导价值。

双电机精密传动机构消隙方法研究

针对双电机精密传动机构两路传动链间隙引起的速度波动大与冲击的问题,对系统的间隙消除方法展开了研究。建立了包含行星减速器输出端齿轮与大齿圈啮合间隙的机构动力学模型,通过模型仿真分析了传动链间隙大小对系统特性的影响;在此基础上,提出了基于速度指令的动态偏置力矩和基于差速负反馈的交叉耦合同步控制相结合的复合消隙方法。搭建了双电机精密传动机构实验测试装置,进行了消隙方法的验证实验。实验结果表明,在简单的速度闭环情况下,所提的复合消隙方法不仅能够保证完全消除系统间隙,还可以将系统速度跟踪精度最大提高73.38%,启动阶段的冲击幅值最大衰减76.35%。研究成果为双电机精密传动机构高精度控制方法的进一步研究打下基础,为齿轮传动系统间隙的消除提供了一种参考方案。

超声电机的预压力特性分析与优化

预压力是保证超声电机定转子摩擦驱动的关键因素,开展预压力特性分析及优化方法研究对于提升电机性能及使用寿命具有重要意义。本文通过仿真分析了预压力对接触角及驱动区占比的影响,实验测试了预压力变化时的速度波动规律,并绘制了在不同预压力和转矩下的速度与效率曲面;借助编码器与薄膜温度传感器获取了不同预压力条件下电机工作200 s的速度与定子界面温度的变化过程。综合上述分析结果,提出了一种面对不同应用场合的预压力优化准则,确定了预压力的理想工作区间。实验结果表明,伴随着预压力的增长,接触区与驱动区同步扩展,同时驱动区占比逐步减小,在一定程度上能减小速度波动,电机最大效率点逐渐向大转矩方向移动,且机械效率在某个预压力下存在最高值,而界面温升则呈现先增大、后减小再增大的趋势。根据所提出的优化准则确定出TRUM60A型超声电机预压力较为理想的工作区间为260~320 N,在该预压力范围内,超声电机既能较好地满足低速稳定、温升小的要求,又能使制动力矩和机械效率达到理想范围。

超声电机速度与位置的高精度控制

由于超声电机压电材料、摩擦材料、接触界面的非线性,速度平稳性和位置控制精度不高,这在一定程度上制约了它在高端精密装备中的应用。本文介绍了一种实现超声电机速度、位置高精度控制的方法。从连续运动与步进运动两个维度分析了超声电机的速度调控机理,阐明了速度波动的误差来源,建立了以幅值、频率为输入量,融合稳态环节与动态环节的速度模型。为了准确预测步进位移量,建立并辨识了启动-关断两段式二阶速度模型;接着采用双环复合控制算法实现了高平稳性速度控制,并通过驱动参数优化实现了电机的高分辨率位置控制。最后,运用分段逼近策略实现了高精度定位。实验结果表明,在速度控制方面,采用双环复合方法控制的速度平稳性为0.44%,相比单速度环的控制效果提升了一倍;在位置控制方面,超声电机的开环位置分辨率达到了0.375μrad,定位精度达到了1.7μrad。本文提出的控制方法综合了不同参数及不同环路的调控特点,有效提高了超声电机的速度与位置控制精度,为超声电机在精密装备中的拓展应用奠定了基础。

超声电机多参量高精度测控系统的研制

为了克服传统超声电机测控系统参数调控不灵活、特性测试分析不全面、控制算法效率低等问题,本文介绍了一种能对超声电机主要机电参数进行测量和控制的实验系统。依据超声电机参数特点与输入输出特性提出了测控系统总体方案。针对变预压力特性与温度特性难以快速获取的问题,设计了以电动缸为出力源的预压力施加装置和以薄膜热电阻为敏感源的界面温度采集装置;针对高频激励信号难以灵活产生和实时采集的困难,设计了多参数可调的驱动与采集电路;针对电机特性测控低效、过程不够规范的问题,形成了标准化测控流程,尤其是提出了能够精细化分析瞬态特性的同步采集和控制流程。测试结果表明,本系统覆盖了超声电机主要的8项控制参数与13项状态参数,能够实现控制参数的在线精确调控与状态参数的快速测量,测试效率较传统的超声电机测控系统提高了30%,为超声电机的动力学建模、特性评估及运动控制算法研究提供了较为完善的测控手段。

超声电机多参数驱动器设计

超声电机的性能与幅值、频率、相位差3个输入参数以及输出信号波形精度等因素密切相关。目前的商用驱动器多采用线性放大或推挽电路,既缺乏三参数调控的灵活性,且体积较大,笔者提出了一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,简称FPGA)和ARM微处理器,可实现多参数在线调整的小型化驱动器方案,主要聚焦多参数驱动和总线式控制。首先,从控制信号生成和驱动架构设计提出了总体方案,驱动架构选择H桥驱动方式;其次,介绍了功率电路及传感检测电路的设计过程,通过输出波形失真度比较了推挽及H桥驱动的波形质量,经测试H桥方案的电机端输出波形失真度较小(5.25%);最后,应用所设计的多参数驱动器对超声电机进行基本的性能测试,涵盖变参数转速测试、输出力矩测试以及微步进响应测试等内容。结果表明:所设计的超声电机驱动器不仅实现小型化(85 mm×54 mm×23 mm),而且能够兼顾参数在线快速调整和多传感量检测,有利于电机性能的快速分析及检验,应用该驱动器的测试结果与电机性能参数基本一致,验证了驱动器方案的有效性,为超声电机的多参数耦合控制奠定硬件基础。

路面不平度对遥控武器站伺服性能的影响分析

随着车载遥控武器站遂行作战任务的不断增加,对遥控武器站行进间射击精度提出了越来越高的要求,而车辆在行进过程中由不平整路面引入的基座扰动,会给武器火线稳定精度带来极大的影响.针对路面不平度扰动对遥控武器站稳定性能影响机理不明的问题,本文在分析遥控武器站系统组成、工作原理及关键技术指标基础上,建立了包含驱动、传动、控制以及路面不平度随机扰动的遥控武器站系统机电耦合全局动力学模型,分析不同路面等级、不同车速下路面不平度扰动对系统稳定精度的影响,搭建路面不平度随机扰动模拟测试平台,验证理论分析和数值仿真的有效性.仿真和实验结果表明,当车速为18 km/h时,在稳定平台作用下,稳定误差几乎不随路面等级的变化而变化.当车速为36和72 km/h时,随着路面等级提高至E级以上时,系统稳定误差呈近似指数增长,且速度越高,稳定精度恶化得越严重.

基于数字孪生模型的直驱部件高精度控制方法

直驱部件以结构紧凑、失动量小和无间隙传动的优势在高档数控机床、航空航天精密伺服机构等重大装备中得到了广泛应用。直驱部件的伺服控制精度和动态响应特性是伺服系统的重要指标,针对负载惯量摄动和装配特性的变化造成系统伺服性能的下降甚至失稳的现象,提出一种基于数字孪生模型的复合控制方法,以物理实体数据驱动数字孪生模型参数同步,以数字孪生模型优化物理实体的伺服控制参数。首先提取了直驱系统的关键特征参数,用集总参数模型描述线性环节,用非线性参数模型描述非线性特征,建立了直驱部件的虚拟物理模型;采集物理实体状态数据,提出了基于递推增广最小二乘算法的数字孪生模型参数更新方法,实现了模型特征的自适应同步;利用同步参数优化系统控制参数,提出了指标约束下的速度控制器和扩张状态卡尔曼滤波器设计方法,形成了数字孪生驱动的复合控制策略。实验表明,提出的方法具有更好的抵抗惯量摄动能力,模型同步算法能准确快速地辨识直驱系统的惯量变化;相对传统方法,跟随20°/s&1 Hz正弦信号的速度残差均方根由5.88°/s减少为1.76°/s,优化了70%;阶跃响应过程的调整时间始终满足设计指标0.1 s,实际响应曲线与理论响应曲线的Pearson相关系数由0.957提高到了0.993。研究成果为进一步细化数字孪生模型颗粒度和推进数字孪生模型在运动控制中的应用提供参考。