基于IMAC400C的伺服系统控制算法设计与研究

论文摘要

随着科学技术的进步,伺服控制系统功能越来越强大、精度越来越高,与此同时带来的是系统结构的复杂、多样、调试困难。对于转台系统,它是由工控机、D/A卡、轴角数字转换电路、DSP等相对独立的子系统组成,这样就使得系统的设计非常复杂,调试困难,开发周期长。本文采用了性价比高、集成度高、安全可靠的IMAC400C控制器代替转台系统中传统的控制板卡和RTX系统完成对转台的控制,大大简化了转台系统的设计过程,缩短了开发时间,使转台系统安全可靠,占用物理空间较小,拆装、移动、维护方便。针对某些伺服系统需要对IMAC400C自带的PID控制器进行修改或者替换的问题,本文对“开放的伺服算法”功能进行了深入的研究,并完成了超前校正控制器的设计、程序编写、调试等工作。实践证明,IMAC400C多轴控制器提供了足够的再开发资源供用户设计自己的伺服算法以改善系统的性能,具有很强的灵活性、通用性和二次开发能力,为以后转台等伺服系统采用IMAC400C提供了实践经验。正弦跟踪系统在航空航天领域有着广泛的应用,比如角振动台、线振动台,本文尝试了将IMAC400C应用于振动台控制系统中并做了许多研究与实验,以实验室现有单轴台为控制对象,分别采用PID控制器、前馈补偿PID控制器、双回路超前校正控制器,测试转台系统的正弦跟踪响应。实验表明,采用IMAC400C控制器,前馈补偿PID控制算法可以使角振动台达到较高的控制精度,跟踪1Hz/±0.1°、5Hz/±0.1°的信号,失真度小于3%,运动精度小于1%。采用速度前馈、加速度前馈大大改善了系统的动态响应,改善了相位滞后的问题,提高了系统的精度。角振动台多采用前馈补偿PID控制器,它以结构简单、实用、物理意义明确受到了多数设计者的欢迎,但是在振动台振动频率较高时采用这种控制方法的跟踪误差较大。而且,采用传统前馈补偿PID控制器时,不同的振动频率需要采用不同的补偿参数才能有效的提高补偿效果。针对这一问题,本文采用了一种基于自适应前馈的正弦跟踪控制器。通过仿真分析表明,基于自适应前馈的正弦跟踪系统能够在较宽的频率范围内精确的跟踪正弦信号,相对于传统的前馈补偿PID控制器,运动精度可以提高至少一个数量级。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状与分析
• 1.3 先进伺服系统中常用的控制方法简介
• 1.4 论文主要研究内容及章节安排
• 第2章 基于IMAC400C的伺服系统设计与调试
• 2.1 引言
• 2.2 IMAC400C内部配置与开发能力分析
• 2.2.1 IMAC400C内部配置与分析
• 2.2.2 IMAC400C安装前的准备工作及与主机的通讯
• 2.3 IMAC400C与外部硬件设备的连接
• 2.3.1 IMAC400C与检测元件的连接
• 2.3.2 IMAC400C与模拟信号输入型驱动器及I/O口的连接
• 2.3.3 IMAC400C与其它硬件的连接
• 2.4 设置电机
• 2.4.1 定义电机
• 2.4.2 有关传感器变量的设置
• 2.4.3 深入的位置信息处理
• 2.5 本章小结
• 第3章 前馈补偿PID控制器的设计与调试
• 3.1 引言
• 3.2 转台系统的建模
• 3.3 转台系统PID反馈滤波器的设计与仿真
• 3.4 转台前馈滤波器的设计
• 3.5 基于IMAC400C的转台系统PID反馈滤波器的调试
• 3.6 基于IMAC400C的转台系统前馈滤波器的调试
• 3.7 单纯PID控制器与前馈补偿PID控制器的正弦振动测试
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于IMAC400C的超前校正控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 转台系统模型及超前校正控制器的结构
• 4.3 双回路控制器的设计与仿真
• 4.4 超前校正控制器的数字化实现与测试
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于自适应前馈的正弦跟踪算法设计
• 5.1 引言
• 5.2 自适应前馈控制器设计
• 5.2.1 自适应前馈控制器的设计思想
• 5.2.2 控制规律（控制器）设计
• 5.2.3 自适应律设计
• 5.3 自适应前馈控制器的仿真
• 5.3.1 自适应前馈控制器的结构与参数调整
• 5.3.2 自适应前馈控制器仿真结构图
• 5.3.3 基于自适应前馈控制器的正弦跟踪系统仿真结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢