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0.1s,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.     

电动缸举升伺服机构高精度复合控制策略

针对电动缸举升机构的高精度伺服控制的现实需求,提出结合辨识伺服环路和差分激励信号的一种基于限定记忆区间的循环最小二乘法(CLS)以及基于迭代控制器参数和观测器参数的一种变参数比例积分控制器(VPI)结合基于卡尔曼滤波器的变参数比例多重积分观测器(VPMISAKF)的复合控制策略.实验结果表明:相比于最小二乘法, CLS辨识法辨识拟合的惯量和阻尼均方根误差分别下降93.61%和82.39%;相比于PI控制器, VPI结合VPMISAKF的复合控制策略使得系统的阶跃响应拟合度在空载和带载工况下分别提高至0.994和0.991;相比于VPI控制器,VPI结合VPMISAKF的复合控制策略使得系统的正弦响应误差在空载和带载工况下分别降低88.89%和86.45%. CLS辨识法和VPI结合VPMISAKF的复合控制策略对电动缸举升机构的高精度伺服控制具有一定的参考意义.     

光束指向装置高分辨率传动机构

为满足某型光束指向装置高分辨率、空间紧凑和低成本的需求，结合其负载小、转速低的实际应用特点，设计了一种偏置型扭轮摩擦传动机构。该机构的变传动比特性通过改变主动轮与从动轮的扭角实现，为优选扭角设计区间，研究了扭角对机构位移特性的影响。在分析偏置型扭轮摩擦传动机构运动学特性及扭轮接触区受力、变形情况的基础上，建立了偏置型扭轮摩擦传动的刚柔耦合动力学模型，通过物理样机试验和多体动力学仿真分析，开展了扭角对输出角速度稳定性和角位移分辨率的影响。结果表明：扭角越大，机构输出角速度的波动范围也较大，传动越不平稳。设计的传动机构在扭角不大于80°时能实现平稳传动，且在大扭角条件下，机构能实现0.005°（18″）的低速微步进运动，输出分辨率优于单级圆柱齿轮传动。上述分析为偏置型扭轮摩擦传动机构在光束指向装置传动系统中的应用提供了一种新的思路。