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机械运动系统的磁滞建模与补偿控制研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 机械运动系统磁滞补偿的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 磁滞特性与摩擦和间隙之间的关系

1.4 论文的主要工作

第二章 机械运动系统建模及其补偿方法

2.1 磁滞模型

2.1.1 间隙类磁滞(Backlash-like)模型

2.1.2 Prandtl-Ishlinskii磁滞模型

2.1.3 其他模型

2.2 含有磁滞特性的机械运动系统的补偿控制方法

2.3 SRV02-ET旋转平台数学建模

2.4 本章小结

第三章 基于滑模自适应的磁滞补偿控制策略

3.1 系统模型研究

3.2 自适应控制器设计

3.3 仿真和实验研究

3.4 本章小结

第四章 基于神经网络自适应控制的磁滞补偿控制策略

4.1 系统模型及神经网络逼近函数的应用

4.2 控制器设计及稳定性分析

4.3 仿真和实验研究

4.4 本章小结

第五章 基于Prandtl-Ishlinskii磁滞模型的磁滞补偿控制策略

5.1 系统模型

5.2 控制器设计

5.3 仿真和实验研究

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

附录

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摘要

磁滞特性广泛存在于机电伺服系统中,例如电动机与负载连接处的电机轴侧,运动处于预滑动区存在静摩擦力作用的情况,摩擦与间隙共同作用的情况以及压电材料的磁滞特性等。由于磁滞特性是一种硬非线性特性(Hard non-linearity),在微机械精密加工中,磁滞的存在严重影响了加工精度和系统性能,造成很大的误差,严重时甚至会产生极限环,很大程度上影响加工精度。所以,在实际生产过程中需要对磁滞特性进行补偿。然而,在不同的场合,磁滞又有多种不同的模型表现形式,针对磁滞特性又有多种补偿控制方法。因此,要对磁滞特性进行补偿,结合系统和模型的特点,设计出控制器和参数自适应律来补偿系统的磁滞特性是研究的关键。设计出控制器之后,再对于设计的控制器进行仿真和实验验证,如果得到良好的跟踪性能和收敛性能,则说明达到了良好的补偿效果。
   本文对于含有磁滞特性的机械运动系统,进行了磁滞建模与补偿控制研究,完成了以下几方面的工作:
   第一,总结和分析磁滞的研究现状。对于磁滞的国内国际研究现状,结合磁滞与摩擦和间隙之间的关系,提出了磁滞补偿的目的和意义。
   第二,对一些常见的磁滞进行建模,以SRV02-ET机械旋转运动实验平台为研究对象,对系统进行数学建模,讨论磁滞补偿的方法。
   第三,针对间隙类磁滞模型,利用滑模自适应的控制方法,通过选取候选李雅普诺夫函数,设计出了自适应控制器以及自适应参数更新律,并证明了系统的收敛性能。通过对系统进行仿真和实验,验证了该控制器能满足系统良好的稳定性能和跟踪性能。
   第四,针对间隙类磁滞模型和参数不确定性及模型误差、外部扰动等问题,采用神经网络与反步自适应相结合的补偿控制策略,通过选取候选李雅普诺夫函数来递推得到最终的状态反馈控制器和自适应律。对系统进行仿真和实验验证,所得到的曲线表明系统具有良好的性能,表明所设计的控制器满足补偿控制要求。
   第五,对于Prandtl-Ishlinskii磁滞模型,与第三的方法步骤类似,采用鲁棒自适应的方法。首先选取李雅普诺夫函数,再推导得出控制器和参数更新率,最后进行仿真验证,仿真结果证明该控制策略的有效性。
   第六,总结文中提到的磁滞模型和补偿控制方法,分析了各种模型和补偿策略的优缺点。在前面结论的基础上,提出了待解决的问题和思路。

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