自适应角速度估计器在磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中的应用

控制力矩陀螺输出高精度力矩需要框架伺服系统有高精度的力矩输出,因此需要高精度的光电码盘或者旋转变压器作为位置控制器。为消除由位置信号差分计算速率信号而引起的噪声,提出了一种低噪声、带宽可调的自适应角速度估计算法。首先对该角速度估计器的稳定性作了分析,然后利用最小二乘法设计了实时调整前向通道比例增益的自适应算法。利用MATLAB对实际获得的实验数据进行仿真,使稳速速率的波动量减小了88%,然后在磁悬浮控制力矩陀螺上进行了实验,将角速度估计器加到速率环的反馈环节上,在带宽没有影响的前提下,使速率曲线的波动量减小了71.5%。     

基于反馈线性化的两轮自平衡汽车侧倾动态响应控制

针对采用控制力矩陀螺仪的两轮自平衡汽车侧倾姿态的动态响应控制问题,提出了基于反馈线性化的综合控制方法。该控制方法利用反馈线性化控制方法将两轮自平衡汽车的非线性动力学模型转换为线性动力学模型。基于线性动力学模型,利用状态反馈方法配置线性动力学模型的极点,设计两轮自平衡汽车动态响应过程。针对所设计的动态响应过程中的力矩需求,利用PI控制器实现控制力矩陀螺仪的力矩输出调节。采用传递函数方法证明了所设计的两轮自平衡汽车控制系统的输入输出稳定性。最后给出了具体的算例仿真验证了所提出的基于反馈线性化综合控制方法对两轮自平衡汽车动态响应过程控制的有效性。     

利用负刚度效应调谐的硅调谐式陀螺仪

为了验证硅调谐式陀螺仪原理的可行性,研究了硅调谐式陀螺仪的调谐机理,硅转子运动模态和加工工艺以及信号检测与再平衡控制回路。提出了一种利用力矩器的负刚度效应来实现硅调谐式陀螺仪调谐的新方法,推导了静电负刚度调谐的理论公式;设计、仿真、加工了硅薄片式转子平衡环部件和电容器极板,给出了电容信号敏感接口电路、升压放大电路、反馈校正电路和再平衡控制回路。在此基础上,实现了硅调谐式陀螺仪原理样机。试验结果证实,利用负刚度效应调谐是可行的,接口电路和再平衡控制回路设计是合理的。初步性能测试表明,硅调谐式陀螺仪可实现标度因数为1.42mV/((°)/s),标度因数非线性为2.47%,量程为±200(°)/s。试验结果验证了该陀螺仪基本原理的可行性。     

干涉式光纤速率陀螺仪的自检测技术

研究对象为干涉式数字闭环光纤陀螺仪。为使该型光纤陀螺仪适应运载火箭的特殊应用和测试环境,提出一种无角速率输入前提下的干涉式光纤陀螺仪自检测方案。文章给出了研究对象的系统组成与数学模型,并提出在数字积分器环节前加入偏置检测信号,检测输出即可验证陀螺光路、电路各环节的有效性。仿真结果表明,该方案是正确的。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的扰动抑制

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素,为了解决以上干扰问题,实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动,并结合自适应反步法获得控制律,其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律,对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确,同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明,采用此复合控制方法,DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%,实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。     

谐波减速器的非线性摩擦建模及补偿

针对带有谐波减速器的双框架控制力矩陀螺框架伺服系统中的非线性摩擦问题,提出了非线性摩擦建模及补偿方法.首先,根据框架伺服系统数学模型导出摩擦力矩与角加速度和电机电流的关系;然后,通过光电码盘测得的角位置计算角速率并设计估计器来估计电机端和负载端的角加速度,利用采样电流和估计的角加速度计算摩擦力矩,建立库伦+粘滞+Str...     

新型磨机换衬板机械手的非线性控制系统设计

链式机械手是具有动态特性显著、非线性和强耦合的复杂系统。针对磨机换衬板机械手的传统线性控制各关节跟踪精度低的问题,设计一种基于双速率计算力矩法的非线性系统控制器。首先,通过SolidWorks软件建立新型磨机换衬板机械手的三维模型;其次,采用牛顿—欧拉法建立链式机械手连杆动力学方程;最后,设计机械手的线性和非线性控制器,并使用Matlab/Simulink仿真软件建立控制框图,进行仿真对比分析。MATLAB仿真结果表明:双速率计算力矩法的非线性控制对比传统的平均重力补偿PD线性控制,其机械手各关节轨迹跟踪精度提高了近5倍,且稳态误差远低于1%,从而验证了基于双速率计算力矩法控制的高效性。     

舵机刚度测试系统的设计与仿真

飞行器舵机刚度测试系统是通过对伺服状态下的舵机施加一定频率和幅值的正弦力矩,同时测量舵机轴的转角变化,最终测得舵机刚度。在结构上,采用高性能的无框架直驱式力矩电动机作为力矩输出单元,通过弹簧杆进行力矩传递以改善力矩加载性能,简化控制模型;在控制上,以可编程多轴运动控制器为控制核心,采用力矩、位置和电流三环的控制策略,实现了基于位置内环的显式力矩控制。仿真结果表明,该系统可达到预期的设计目标,力矩加载幅值误差和相位误差均能满足技术指标要求。     

控制力矩陀螺框架系统的谐振抑制与精度控制

控制力矩陀螺(CMG)框架系统的速率控制精度是影响其输出力矩精度的重要因素,系统中谐波减速器提高了框架系统的动态响应能力,但其产生的机械谐振大幅降低了系统的控制精度.为抑制框架系统的谐振并满足系统的控制精度,本文建立了框架系统的动力学模型,根据系统动态性能要求选取合适的阻尼系数来设计系统主导极点,使控制器产生的零点与机械谐振对应的极点重合形成偶极子,从而抑制系统的机械谐振.仿真和实验结果显示:提出的方法有效地抑制了控制力矩陀螺框架系统的谐振,0.175 rad/s恒速控制精度为0.002,0.175 sin(2πt) rad/s正弦随动控制的幅值相对误差为3.28％,相位差为0.13 rad.结果很好地满足了控制力矩陀螺的高精度输出力矩需求.     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承负载力矩复合补偿的控制

提出一种基于角速率前馈与力矩观测相结合的磁轴承负载力矩复合补偿控制方法来提高双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子的悬浮精度。建立了双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子动力学模型,分析了内外框架转动情况下的磁轴承负载力矩。分别基于框架角速率前馈和力矩观测设计了磁轴承负载力矩复合补偿控制方法,分析了补偿后系统的稳定性。最后,利用实验室研制的样机搭建试验平台对本文所提出的方法进行了实验验证。结果表明:在框架以角加速度120(°)/s2启动至10(°)/s时,该方法使转子Ax端位移跳动量减小为未补偿前的44.8%;内外框架以幅值频率10Hz正弦激励时,转子Ax、By端的位移跳动量分别减小为未补偿前的23.4%和35.5%。结果显示提出的方法有效地提高了磁悬浮转子在负载力矩扰动下的悬浮精度。     

利用自适应卡尔曼滤波实现光电跟踪中的复合控制

为了在光电跟踪控制系统中实现复合控制以提高跟踪精度,构建了基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制结构。首先,利用跟踪脱靶量数据和仪器位置数据合成目标角位置数据;然后,利用模型自适应卡尔曼滤波算法对目标角位置数据进行滤波估计以获得目标角速度信息;最后,将目标角速度信息前馈到速度回路,从而构成复合控制系统。实验结果表明:采用复合控制结构后,目标跟踪精度提高了50%。基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制技术能够在保持原反馈控制系统稳定性的条件下提高跟踪精度。     

考虑安装基座影响的光电平台等价捷联惯性稳定控制

采用陀螺仪直接测量光电平台内部载荷的惯性角速度构建反馈,可以在运动载体上控制视轴惯性角速度,实现稳定成像。陀螺捷联惯性稳定控制能够构建前馈,有效提高系统带宽、减小控制误差,但对陀螺安装位置有要求。本文提出了在陀螺直接反馈的机械安装条件下等价捷联稳定的控制方法,并考虑平台基座约束条件建立了动力学模型。该模型显露了光电平台基座安装刚度引入的谐振问题。针对被控对象中的一对谐振和反谐振环节,基于稳定的零极点对消设计滤波器消除谐振。综合利用陀螺直接测量的框架惯性角速度和编码器测量的机械框架相对转角构建等价捷联惯性稳定回路。在等价捷联惯性稳定回路中,采用内回路干扰抑制结合基于逆模型前馈的复合控制方法,有效拓展控制带宽,提高对指令的跟踪精度和对载体姿态晃动的隔离性能。仿真和实验结果表明:该方法有效抑制了安装基座弹性约束力矩的谐振,且与陀螺直接反馈控制相比性能更优。对幅值为1(°)/s、频率为1 Hz的典型正弦角速度指令进行跟踪,均方根误差由1.75(°)/s减小到0.23(°)/s,在1 Hz处扰动隔离度由18%减小到2%。     

节能型恒温恒湿空调机组的解耦控制研究

针对恒温恒湿空调运行的高能耗问题,设计了一种节能型恒温恒湿机组,机组结合了冷凝热回收装置-变容量系统等节能手段。本文针对恒温恒湿空调系统控制回路中温湿度之间的耦合作用,设计前馈补偿解耦器解除温湿度控制回路间的耦合关系,并用Matlab进行解耦仿真。结果表明加入解耦器后达到了解耦的控制效果,为温湿度控制提供了一种行之有效的方法。     

Fuzzy control of multivariable process by modified error decoupling

In this paper, a control concept for the squared (equal number of inputs and outputs) multivariable process systems is given. The proposed control system consists of two parts, single loop fuzzy controllers in each loop and a centralized decoupling unit. The fuzzy control system uses feedback control to minimize the error in the loop and the decoupler uses an adaptive technique to mitigate loop interactions. The decoupler predicts the interacting loop changes and modifies the input (error) of the loop controller. The controller was tested on the simulation model of "single component vaporizer" process. The results indicate that the decoupling controller shows better performance for set point and load changes.     

整车非线性系统的输入输出解耦及解耦比例微分控制

根据非线性解耦控制理论设计出解耦控制器,以消除装有主动悬架(ASS)和电动助力转向(EPS)的集成控制器中控制通道的耦合和路面不平度的干扰.为进一步减少响应时间和跟踪误差并降低超调量,在解耦控制器的基础上,设计出动态响应较为理想的解耦比例微分(PD)控制器.仿真结果表明,基于解耦控制的ASS EPS集成系统,与未集成的ASS或EPS系统相比,前者能更好地改善汽车动力学特性.此外,解耦PD控制与单独的解耦控制相比,在改善整车的行驶平顺性和操纵稳定性等方面效果也更为明显.为验证理论分析和仿真计算的正确性,进行实车道路试验,试验采用自行设计的ASS EPS集成控制系统,试验结果与仿真计算结果基本吻合,进一步验证了所提方法是正确有效的.     

Model study and active control of a rotating flexible cantilever beam

For a dynamic system of a rotating flexible cantilever beam, the traditional model assumes the small deformation in structural dynamics where axial and transverse displacements at any point in the beam are uncoupled. This traditional hybrid coordinate model is referred as the zero-order approximation coupling model in this paper, which may result in divergence to the dynamic problem of a flexible cantilever beam with a high rotational speed. In this paper, a first-order approximation coupling model is presented to analyze the dynamics of rotating flexible beam system, which is based on the Hamilton theory and the finite element discretization method. The proposed model for the system considers the second-order coupling quantity of the axial displacement caused by the transverse displacement of the beam. The dynamic characteristics of the rotating beam system when using the zero-order approximation coupling model are compared with those when using the first-order approximation coupling models through numerical simulations. In addition, the applicability of the two dynamic models for control design are studied by using the classical optimal control method. Simulation and comparison studies show that, for the case without control for the system, there exists big difference between the result using the zero-order approximation coupling model and that using the first-order approximation coupling model even for the case of small angular velocity of the system. The larger is the angular velocity, the bigger is the difference. Vibration frequency of the beam by using the first-order approximation coupling model is higher than that by using the zero-order approximation coupling model. When the angular velocity of the system is close to or is larger than the fundamental frequency of the beam without rotation motion, the zero-order approximation coupling results in a wrong result, while the first-order approximation coupling model is valid. For the case with control for the system, the applicability of the zero-order approximation coupling model can be much broadened. The critical angular velocity of the system for validity of the zero-order approximation coupling model is much larger than that without control for the system. The first-order approximation coupling model is available not only for the case of small angular velocity but also for the case of large angular velocity of the system, and is applicable to the cases with or without control for the system.     

Micro-opto-electro-mechanical angular velocity transducer based on the optical tunneling effect

The possibility of designing a micro-opto-electro-mechanical (MOEM) angular velocity transducer based on the optical tunneling effect is discussed. A MOEM transducer model has been developed. Dependences of the output optical power and output voltage on angular velocity have been obtained. The effective measurement range of angular velocities that provides quasilinearity of the transfer function has been determined. The effects of the design parameters of the sensitive element and temperature on the performance of the transducer are analyzed.     

并联机器人机构加速度的性能指标分析

给出了统一的对任何少自由度并联机器人机构和并联多环非对称机构都适用的速度和加速度的性能指标、线加速度和角加速度的性能指标、六自由度并联机器人机构的加速度性能指标、线加速度和角加速度的性能指标；少自由度并联机器人机构和并联多环非对称机构都适用的全条件性能指标；六自由度并联机器人机构和少自由度并联机器人机构及并联多环非对称机构都适用的控制精度度量指标。     

经济型数控机床的半闭环补偿控制

概述了影响经济型数控系统工作精度的因素。应用光电编码器作为滚珠丝杠转角位置检测元件实现了半闭环补偿控制,提高了系统的精度。     

四旋翼飞行器中升力波动的干扰与抑制

四旋翼飞行器旋翼产生的升力是在基值的基础上附加一系列频率特性和旋翼转速有关的高频分量。由于它会对飞行器的控制产生扰动,本文研究了这类高频升力分量对飞行器的影响并给出了抑制扰动的方法。首先,基于拉格朗日能量法建立四旋翼飞行器动力学模型;进而分析了高频升力分量与飞行器角速度扰动之间的关系。然后,将角速度反馈环节加入针对有色噪声的卡尔曼滤波器来抑制角速度扰动对控制器的影响。实验结果显示：与改进前相比,采用本文的方法对四旋翼原型机进行悬停控制可使控制量波动减少50%,高频控制量衰减至-17db以下。结果表明：采用本文的方法,可以有效地抑制升力波动对四旋翼飞行器的影响,提高飞行控制效率。