整体叶盘高效强力复合铣A轴高精度控制技术研究

A轴单元作为五轴数控机床的关键功能部件,其控制精度直接影响整体叶盘的加工精度和表面质量.针对摩擦、齿隙、参数摄动和测量噪声等非线性干扰对A轴伺服系统控制精度的影响,提出了基于线性二次型最优控制(LQC)和滑模控制(SMC)相结合的鲁棒控制算法(LQSMC).该方法以系统状态空间表达式及LQC为基础,通过引入基于卡尔曼滤波器和控制输入的状态估计,对系统状态空间模型进行改进并定义新的滑模面方程,使得改进后的控制算法在性能上接近LQC并能有效抑制SMC的抖振.仿真分析和实验结果表明,LQSMC算法具有控制精度高、鲁棒性强和抑制干扰能力强等优点,其能有效提高A轴伺服系统的定位精度和跟踪精度,使整体叶盘型面加工精度和表面一致性得到保证,并显著降低了表面粗糙度.     

高效强力复合铣A轴的动力学建模与自适应滑模控制

A轴单元作为五轴数控机床的关键功能部件,其控制精度直接影响工件的加工精度和表面质量。针对系统参数摄动和不确定性切削负载对A轴伺服系统控制精度的影响,分析了A轴驱动系统的动静态性能,讨论了驱动扭矩、负载扭矩、运动方向和系统参数之间的相互关系,并建立了系统的非线性动力学模型。基于该动力学模型,设计了自适应模糊滑模控制器（AFSMC）,采用模糊系统对滑模控制律中的非线性函数项进行自适应逼近,并基于Lyapunov理论设计了模糊系统中可调参数的自适应律,同时,在滑模控制（SMC）的切换控制部分采用了指数趋近律。实验结果表明,所设计的AFSMC对不确定性负载扭矩和系统参数摄动具有较强的鲁棒性。与传统滑模控制（TSMC）相比,其在有效减小控制输入抖振的同时,使得跟踪控制精度提高了14.54%。     

考虑摩擦的多间隙直齿弯扭振动建模和分岔特性

采用集中质量法,建立了齿轮-转子-轴承系统的六自由度的多间隙弯扭耦合的非线性振动模型,模型中考虑了齿面摩擦、时变啮合刚度、齿侧间隙和支承间隙等因素.根据系统在转速、齿侧间隙、齿面摩擦以及啮合阻尼等参数下的全局分岔图和Poincare截面图,研究了各参数对系统分岔特性的影响.分析可知:在一定的齿侧间隙、啮合阻尼和低齿面摩擦因数下,随着转速的逐渐增加,系统通过拟周期分岔进入混沌.当齿面摩擦因数逐渐增加时,系统由良好润滑状态进入干摩擦,系统的混沌运动区域也因此在一临界点产生裂变,且通过激变的途径二次进入混沌;在一定的转速、啮合阻尼和齿面摩擦因数下,随着齿侧间隙的增加,系统通过激变进入混沌,同时可以发现,系统产生混沌和分岔主要发生在量纲一齿侧间隙小于3和大于7的区域,且最终通过倒分岔锁相为周期1运动;在一定的转速、啮合阻尼和齿侧间隙的条件下,随着齿面摩擦因数的增加,系统通过激变进入混沌.同时发现,随着啮合阻尼的增加,混沌区域逐渐裂变成2个、3个和4个混沌窗口,但最终都经由拟周期锁相为周期1运动.      

基于自适应滑模与模糊控制的导弹直接力/气动力复合控制系统优化设计

 针对导弹直接力/气动力复合控制问题,提出了一种基于自适应滑模控制(ASMC)与模糊逻辑的自动驾驶仪设计方法。该方法将整个导弹控制系统分为气动力控制子系统(ACS)和直接力控制子系统(RCS)两部分。前者采用自适应滑模控制理论进行设计,利用其所具有的强鲁棒性优点,克服了包括参数摄动与外界扰动在内的各类不确定性因素的影响。后者通过基于规则的模糊推理来确定不同条件下直接力作用的大小,以辅助提高气动力子系统的性能。在控制系统结构确定的条件下,利用遗传算法(GA)对各参数进行优化,实现了两个子系统之间的协调工作。仿真结果表明,所提出的控制方案对机动指令具有较好的跟踪效果,适用于直接力/气动力复合控制导弹的控制系统设计。     

Dynamics modeling and pressure control of composites tape winding system based on LQSMC

Pressure fluctuations during the composite fiber winding process seriously affect the product's compactness strength, fatigue resistance, stress uniformity, and resin content. The accuracy of pressure control systems is affected by nonlinear disturbances, such as friction, parameter perturbation, and measurement noise. A robust control algorithm based on linear quadratic optimal control and sliding mode control (LQSMC) is proposed to overcome these problems. The method is based on the system state space expression and linear quadratic optimal control. The state space model of the system is improved by using a Kalman filter and control input for state estimation, and a new sliding surface equation is defined. The ameliorated control algorithm exhibits good performance and can effectively suppress sliding mode control (SMC) chattering. Simulation and experimental results show that LQSMC offers high control precision, much stronger anti-interference, and robustness, which can effectively improve the positioning and tracking accuracy of a pressure control system compared with linear quadratic optimal control (LQC). The winding pressure control precision is improved by 45% to 50%. The results show that the porosity of composite fiber tape winding products decreased thanks to our method.     

基于摩擦补偿的空间机械臂关节高精度控制研究

空间机械臂关节具有大惯量、高精度的特点,针对空间机械臂关节低速、高精度控制要求,提出一种基于摩擦补偿的双位置闭环控制策略。建立了考虑摩擦和惯量变化等因素的一体化关节动力学模型,分析了全位置闭环系统的稳定性,在此基础上提出了一种基于双位置传感器信息的闭环伺服控制策略,并引入自适应率辨识未知摩擦和惯量变化,利用Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛性。在测试平台上的试验结果表明,提出的空间机械臂一体化关节伺服控制策略能够有效地提高关节伺服控制精度和系统鲁棒性。     

双框架MSCMG框架伺服系统的动力学解耦及扰动补偿

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)框架伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统,针对耦合力矩对框架系统速率伺服性能的影响,以及框架系统动力学解耦之后存在残余耦合、卫星运动引起的牵连力矩和非线性摩擦的问题,提出了微分几何法与扩张状态观测器(ESO)相结合的高精度控制方法,在线性化解耦的基础上对残余耦合、牵连力矩及非线性摩擦进行观测补偿以提高框架伺服系统解耦及速率跟踪性能。仿真结果表明、由耦合力矩引起的内、外框架速率波动最大值分别从0.18(°)/s和0.12(°)/s减小到5×10^-3(°)/s和4×10^-3(°)/s,内、外框架正弦角速度跟踪误差分别从0.18(°)/s和0.19(°)/s减小到0.005(°)/s和0.004(°)/s。所提出的方法实现了框架伺服系统的动力学解耦以及非线性摩擦和牵连力矩的补偿,提高了框架系统的解耦性能和速率伺服精度。     

Application in prestiction friction compensation for angular velocity loop of inertially stabilized platforms

To overcome the influence of the nonlinear friction on the gimbaled servo-system of an inertial stabilized platforms(ISPs) with DC motor direct-drive, the methods of modeling and compensation of the nonlinear friction are proposed. Firstly, the inapplicability of LuGre model when trying to interpret the backward angular displacement in the prestiction regime is observed experimentally and the reason is deduced theoretically. Then, based on the dynamic model of direct-drive ISPs, a modified LuGre model is proposed to describe the characteristic of the friction in the prestiction regime. Furthermore, the state switch condition of the three friction regimes including presliding, gross sliding and prestiction is presented. Finally, a composite compensation controller including a nonlinear friction observer and a feedforward compensator based on the novel LuGre model is designed to restrain the nonlinear friction and to improve the control precision. Experimental results indicate that compared with those of the conventional proportion–integration–differentiation(PID) control method and the PID plus LuGre model-based friction compensation method, the dwell-time has decreased from 0.2 s to almost 0 s, the position error decreased to 86.7%and the peak-to-peak value of position error decreased to 80% after the novel compensation controller is added. It concludes that the composite compensation controller can greatly improve the control precision of the dynamic sealed ISPs.     

Adaptive block dynamic surface control for integrated missile guidance and autopilot

A novel integrated guidance and autopilot design method is proposed for homing missiles based on the adaptive block dynamic surface control approach. The fully integrated guidance and autopilot model is established by combining the nonlinear missile dynamics with the nonlinear dynamics describing the pursuit situation of a missile and a target in the three-dimensional space. The integrated guidance and autopilot design problem is further converted to a state regulation problem of a time-varying nonlinear system with matched and unmatched uncertainties. A new and simple adaptive block dynamic surface control algorithm is proposed to address such a state regulation problem. The stability of the closed-loop system is proven based on the Lyapunov theory. The six degrees of freedom (6DOF) nonlinear numerical simulation results show that the proposed integrated guidance and autopilot algorithm can ensure the accuracy of target interception and the robust stability of the closed-loop system with respect to the uncertainties in the missile dynamics.     

机械手模型参考自适应控制的仿真及实验研究

 <正> 1。引言 众所周知,多关节机械手是高度耦合的,时变的非线性系统,现在国内外市场上的工业机械手绝大多数仍采用经典控制理论设计控制器,但随着对机械手性能要求的不断提高,经典控制理论已不能满足要求,近十年来,控制专家们开始研究自适应控制来解决复杂的机械手控制系统的设计。文献(1)提出局部参数优化的自适应控制算法,但不能保证整个系统稳定而必须进行十分困难的稳定性分析。文献(2)提出基于摄动方程的自适应控制,将非线性控制问题简化成关于期望轨迹的线性控制问题。但要进行实时辨识,因而实时计算量大,实时性差。笔者尚未见到关于解决机械手传动装置中的固有非线性,如库仑摩擦、间隙等的研究报导。实际上这种固有非线性对系统的性能,如精度、稳定性等有不可忽视的影响。此外上述对机械手自适应控制的研究都是计算机仿真,很少有实验研究的报导。     

大惯量下电动伺服机构非线性特性与控制方法研究

针对高超声速飞行器非线性影响飞行姿态控制问题,分析了电动伺服机构中传动间隙、刚度、摩擦力矩等非线性因素的影响,并讨论了由间隙引起极限环的定义及产生条件。针对传动间隙引起的极限环振荡和较大惯量的翼面加剧振荡问题,建立了系统间隙极限环模型和非线性振动模型,并提出了间隙补偿器设计方法。重点研究了间隙、翼面转动惯量、刚度及干扰力对伺服控制系统的影响规律。通过在内环增加间隙补偿器的基础上,在外环引入速度、加速度负反馈设计方法,解决了大惯量舵面下控制系统抖动问题,仿真和试验结果证明了这一理论是正确的。     

刚体航天器姿态跟踪系统的自适应积分滑模控制

 采用自适应滑模控制(ASMC)技术进行姿态跟踪系统设计时,切换增益的整定不需要外部干扰及惯量阵不确定性的上界信息。但现有自适应滑模控制方法存在过度适应问题,产生的切换增益远大于控制所需值。为解决该问题,在自适应滑模控制框架内开展了刚体航天器姿态跟踪控制研究。首先对切换增益自适应机制进行分析,揭示了造成过度适应问题的原因。然后利用积分滑模控制的全局滑模特点,消除了初始跟踪误差对自适应过程的影响,提出了一种自适应积分滑模姿态跟踪控制方法。理论分析和仿真结果表明该方法能够有效减小切换增益。     

基于自适应模糊滑模退步控制的直接力/气动力复合控制导弹自动驾驶仪设计

针对直接力/气动力复合控制导弹所具有的强耦合非线性特性,提出了一种基于自适应模糊滑模退步控制的自动驾驶仪设计方法.该方法利用自适应模糊系统所具有的万能逼近特性,对大迎角飞行过程中导弹动力学方程中存在的非线性函数进行逼近,并利用变结构控制所具有对干扰的强鲁棒性,构造误差系统滑模面,克服了逼近误差和外界干扰对控制系统的影响,实现了对大机动指令的精确跟踪.仿真结果表明,所设计的自动驾驶仪对过载指令有良好的跟踪效果,对模型不确定性和外界干扰具有鲁棒性.     

攻击角约束的拦截弹制导控制一体化设计

针对拦截弹的攻击角约束制导问题,提出了一种基于反演滑模和扩张状态观测器(ESO)的制导控制一体化(IGC)设计方法。首先,基于弹目相对运动方程和拦截弹的非线性动力学方程,建立了拦截弹IGC模型,设计了ESO估计目标加速度和自动驾驶仪回路的干扰;在此基础上,基于干扰估计值和反演滑模方法,设计了IGC算法获取虚拟控制力矩,同时基于李雅普诺夫理论分析了闭环系统的稳定性;然后,利用动态控制分配技术将所获取的期望控制力矩分配到实际执行机构;最后,通过仿真结果验证了所设计的IGC+ESO算法的有效性。     

控制器非线性对飞机纵向飞行品质的影响分析

针对飞机控制系统执行机构具有非线性这一特点,选用某歼击机作为研究对象,分析各类非线性环节对飞机纵向短周期特性的影响。首先分析了死区、间隙和速率饱和等非线性环节的基本特性,建立了相应的包含非线性环节的飞行动力学模型,然后,基于Chalk准则计算不同非线性参数下的飞行品质指标,进行飞行品质评价。通过对不同飞控系统构型的对比研究,探讨了执行机构非线性对飞行品质的影响。研究结果表明,各非线性环节都将对系统的快速性产生不利影响,使系统有效上升时间增加,相位延迟增加。其中,间隙还会造成系统阻尼减小,可导致系统不稳并出现极限环振荡。     

Gaussian mixture model based adaptive control for uncertain nonlinear systems with complex state constraints

This paper addresses an uncertain nonlinear control system problem with complex state constraints and mismatched uncertainties. A novel Gaussian Mixture Model(GMM) based adaptive PID-Nonsingular Terminal Sliding Mode Control(NTSMC)(GMM-adaptive-PID-NTSMC)method is proposed. It is achieved by combining a GMM based adaptive potential function with a novel switching surface of PID-NTSMC. Next, the stability of the closed-loop system is proved.The main contribution of this paper is that the GMM meth...     

Design and Application of Discrete Sliding Mode Control with RBF Network-based Switching Law

This article proposes a novel approach combining exponential-reaching-law-based equivalent control law with radial basis function (RBF) network-based switching law to strengthen the sliding mode control (SMC) tracking capacity for systems with uncertainties and disturbances. First, SMC discrete equivalent control law is designed on the basis of the nominal model of the system and the adaptive exponential reaching law, and subsequently, stability of the algorithm is analyzed. Second, RBF network is used to form the switching law in a direct and online manner with sliding-mode-related inputs and by approximating evaluation function; and the method to adjust its parameters is devised. Finally, comparable experiments are carried out to verify the application of the proposed approach to an inner-axis driven by a direct current (DC) torque motor through extra-low speed servo for a high precision flight simulator, and the axis works under deteriorating conditions such as periodically fluctuating torques of motor, nonlinear friction, and time-varying model parameters. The results show that the combined SMC can effectively improve the servo performance, for instance, to a stable 0.000 08 (°)/s speed response, the tracking error would be within 0.000 08° in 98% of operating times. Moreover, the hybrid nature of the approach imparts the RBF network the features of removing offline training and ease to set initial parameters.     

基于扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰无源控制

针对传统永磁同步电机滑模控制存在的抖振以及系统抗扰动鲁棒性差问题,提出一种基于扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰无源控制方法。转速外环设计自适应滑模控制器,采用扩张状态观测器对系统干扰项进行观测,用其进行前馈补偿。电流内环将无源控制与自抗扰控制相融合,得到dq旋转坐标系下的电压给定。新型控制方法可有效抑制系统抖振,增强系统鲁棒性。试验结果验证了所提控制方法的有效性和实用性。     

基于ESO的DGVSCMG双框架伺服系统不匹配扰动抑制

针对双框架变速率控制力矩陀螺（DGVSCMG）两种工作模式下内、外框架系统存在的不匹配干扰抑制问题,提出一种基于扩张状态观测器与状态反馈的扰动抑制方法。在对飞轮工作模式和陀螺工作模式下内、外框架系统的干扰进行建模和分析的基础上,针对其不匹配干扰设计了扩张状态观测器,通过坐标变换减小框架系统扰动对不匹配通道的影响,并结合状态反馈控制设计了复合控制器,同时对全局系统稳定性进行了分析。对框架系统进行的仿真结果验证了所提复合控制方法的有效性。实验结果表明,所提出的控制方法能有效减小耦合力矩对内外框架角速率带来的影响,在飞轮模式下使得内外框架的角速率跳动量分别降低了85%和78%,且在陀螺模式下使外框架角速率跳动量降低了75%。     

基于FPGA的谐波式电动舵机滑模控制研究与应用

根据谐波式电动舵机工作原理,推导了其数学模型;并针对谐波式电动舵机的特殊结构,在建模时充分考虑了摩擦和间隙非线性对舵机系统性能的影响.针对舵系统中存在的非线性问题,提出了一种滑模控制(SMC)算法;进一步为了解决滑模控制固有的抖阵问题,采用边界层与低通滤波器技术共同消除控制量的抖阵,并仿真验证了该算法的有效性.最终,采用数字芯片FP GA实现了该控制算法,并加以实验验证.实验结果表明:与传统比例积分微分(P ID)控制相比,基于滑模变结构控制的电动舵机的抗干扰和鲁棒性等有较大改善;且在偏转小角度时,由摩擦和间隙非线性导致的空回和时间延迟问题也得到了较好的抑制.