多电机伺服系统特征建模与自适应跟踪控制方法研究

High precision tracking control of high power servo systems driven by multi-motor has became a heated research field. However, the traditional theories and methods of high-power servo systems driven by multi-motor cannot meet the application requirements. Thus, many problems need to be solved. As the high-power servo system driven by multi-motor is complex, which has strong uncertainty and requires high precision, the theory of characteristic modeling will be adopted. Firstly, the characteristic model of the high-power servo systems driven by multi-motor containing nonlinear element with backlash and friction will be established, and meanwhile the low order time-varying parameter on-line identification mechanism and convergence will be studied. Secondly, considering that the single controller is difficult to meet the requirements of tracking control with high precision, the switch control theory will be adopted to research multi-mode intelligent tracking control method based on characteristic model. Finally, considering that the inertia with large-range varying exists in high accuracy servo systems, a novel discrete high-order sliding mode adaptive controller based on characteristic model is proposed. The research results not only can provide theoretical basis and technical support for the design of high-precision, high-power servo systems driven by multi-motor, but also make contributions to the development of control discipline and new system info with abundant feature modeling.

大功率多电机伺服系统的高精度跟踪控制问题是伺服研究领域的热点，但目前大功率多电机伺服控制的理论和方法远不能满足其应用需求，许多问题亟待深入研究。本项目针对大功率多电机伺服系统结构复杂、不确定性强、控制精度要求高的特点，突破传统建模方法的局限性, 探索跟踪高速机动目标的大功率多电机驱动伺服系统的特征建模理论和控制方法。首先,针对含齿隙、摩擦等本质时变非线性环节的大功率多电机伺服系统，建立系统的特征模型，并研究低阶时变模型特征参量的在线快速辨识机制及收敛性。其次，针对单一控制器难以满足高精度跟踪控制的需求，采用切换控制理论研究基于特征模型的多模态跟踪控制方法。最后，针对负载惯量大范围变化情形，提出一种基于特征模型的多电机伺服系统自适应高阶滑模控制器设计方法。研究成果可为高精度大功率多电机伺服系统的设计提供理论依据和技术支撑，为丰富特征建模的新理论体系和促进控制学科的发展做出贡献。

随着现代科学技术的飞速发展和新的军事变革，各类空中机动目标层出不穷，呈现出速度更快、机动性更强、被探测概率更小的趋势，给国土防空带来了巨大的压力。为对抗此类目标，新型武器装备对其配置的伺服系统的快速性、动态性能、稳态精度、鲁棒性等提出了更高的要求，亟需研究新的满足上述要求的伺服系统建模理论和控制方法。本课题主要研究内容如下：.（1）针对大功率多电机伺服系统结构复杂、高阶、非线性等特点，建立了考虑齿隙、摩擦等非线性因素的系统特征模型，深入研究了系统特征模型稳态精度与模型结构、参数间的内在关系，揭示了影响系统特征建模精度的因素。.（2）针对单一控制器难以满足存在未知环境扰动下的机动目标高精度跟踪控制问题，研究了基于特征模型的多模态自适应控制律，揭示了系统动力学特性与特征模型参数之间的关系，给出了特征模型参数与智能积分系数之间的函数描述。.（3）针对负载惯量大范围变化的多电机伺服系统，分析了负载惯量大范围变化与系统特征模型参数之间的本质关系，设计了一种带遗忘因子的递推最小二乘法用于在线辨识系统特征模型的时变参数，构建了指令观测器，提出了一种基于特征模型的离散二阶滑模控制器设计方法。.（4）针对实际伺服系统难以求解前馈控制器参数的问题，研究了特征模型参数与前馈控制参数之间的关系，给出了自适应前馈复合控制器设计方法。.（5）搭建了多电机伺服系统实验平台，完成了基于特征模型的多电机伺服系统多模态跟踪控制实验、负载惯量大范围变化条件下基于特征模型的多电机伺服系统自适应高阶滑模控制实验、基于特征模型的自适应前馈复合控制实验。实验结果表明，系统响应速度更快、跟踪精度更高、对系统惯量变化自适应能力更强，同时能够很好地抑制齿隙、摩擦等非线性因素对系统性能的影响。.研究成果可为高精度多电机伺服系统的设计提供理论依据和方法支撑，同时可进一步丰富特征建模理论体系并为控制学科的发展作出贡献。