仿真转台电液伺服系统辨识与预测控制

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仿真转台作为制导武器系统的重要试验平台,具有重要的经济价值和战略意义,尤其在国防领域中占有举足轻重的地位。国内外对转台涉及的各项关键技术的研究都在不断地深入,技术水平也在不断地提高。电液位置伺服系统及其控制策略作为转台的关键技术,对转台性能指标有着极大的影响。采用液压马达作为驱动元件,并由此组成的电液位置伺服系统,是具有非线性特征的多输入/多输出系统。通过线性化处理并用线性控制方法虽然能够满足一定的性能要求,但这需要准确地知道系统各构成部分的数据,建立数学模型来实现。而在系统元件参数不能准确确定时,就需要采用辨识方法建模及配置相应的控制策略来满足性能要求。因此,根据转台电液位置伺服系统的特点,采用新的技术方法和手段,配置合适的控制策略,对仿真转台的研制与性能的提高具有十分重要的意义。  在大量查阅国内外相关文献的基础上,本文综述了国内外仿真转台的发展状况,包括总体结构形式,驱动方式,设计方法,控制策略,以及新技术的综合应用。同时也介绍了影响仿真转台主要性能的关键技术及相关因素,并概述了转台电液位置伺服系统相关问题,控制策略及实现方法。  本文以哈尔滨工业大学液压实验室的液压马达为驱动元件,组成电液位置伺服系统,结合LabVIEW的软硬件集成开发环境和模型预测控制方法,对电液位置伺服系统辨识以及预测控制方法的应用进行了研究。  通过建立单轴电液位置伺服系统模型,并对三阶化处理的模型进行分析计算,依此作为辨识模型的比较依据。针对转台电液位置伺服系统存在非线性特征,在系统元件参数不能准确确定时,建立系统控制模型存在不完备的问题。采用现代“虚拟仪器”技术,构造电液伺服系统的辨识系统。该系统能够并行处理电液伺服系统在线辨识三要素(误差评价、模型验证、模型阶的优化),同时给出参数与非参数模型。提高了系统辨识过程的综合性能,并可以较高的精度获得系统的参数模型。辨识方法快捷准确,实验模型能够有效地为伺服系统预测控制设计提供依据。  将模型预测控制MPC(ModelPredictiveControl)方法用于转台电液位置伺服系统,充分发挥预测控制基于模型又不过份依赖模型的控制特点。解决电液伺服系统不确定因素对性能的影响。在介绍MPC基本原理,模型预测描述方法基础上,为解决转台电液伺服系统响应速度问题,采用广义线性前馈(GeneralizedLinearFeedForwardFilter)预测控制的算法,以较低阶的滤波器模型精确地逼近系统。本文在理论分析的基础上,将此应用于电液位置伺服系统的模型预测,验证了GLFF低阶逼近系统的优势。通过采用Laguerre核的GLFF网络作为电液位置伺服系统的模型预测项组成MPC控制器,以电液位置伺服系统为控制对象,进行MPC控制器的分析、设计与仿真实验,解决了控制精度与响应速度的统一协调问题。  本文采用新的实验技术方法作为电液位置伺服系统基础实验平台。利用LabVIEW环境下的G语言+MATLAB的混合编程方法,充分发挥LabVIEW的硬件驱动及图形显示等底层函数功能,同时发挥MATLAB的控制算法功能,将两者相结合,用于伺服系统的性能测试与控制。通过对电液伺服系统的实验,体现了其综合优势。  在LabVIEW环境下所进行的电液位置伺服系统的辨识方法和测试控制实验方法,以及采用广义线性前馈网络的模型预测控制所进行的仿真,结果表明,采用本文涉及的辨识方法能够快速准确地获得实验模型用于控制设计,采用基于GLFF模型预测控制能够比常规方法获得更好的电液位置伺服系统的控制性能。
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