基于DSP的晶棒粘料定向仪控制系统设计与开发

这是一篇关于晶棒粘料,定向仪,DSP,滑模控制的论文, 主要内容为晶体,由于其良好的光学性能、机械性能、化学性能以及许多特有的性质,在国防、航海、航天、医疗等领域得到了普遍应用。晶体从晶棒到成品需要经过晶棒定向、晶棒粘料、晶棒切割、晶体打磨、制作成品工艺过程。在晶体制作中最重要的工艺就是晶棒定向和晶棒粘料。而在传统工艺流程中,晶棒定向、晶棒粘料是分开在两台设备上进行的。这两台设备分别是晶棒定向仪与晶棒粘料机,分别完成晶棒定向与粘料,这必然会使制作的效率以及晶棒的精度降低,因此开发一台晶棒粘料定向仪设备很有实际意义。本文设计的晶棒粘料定向仪控制系统使用DSPTMS320F28335作为下位机控制器,系统要实现的主要功能为:在晶棒定向工艺中完成对电机的速度、位置的高精度控制,在晶棒粘料过程中使用步进电机实现对X射线装置的载运台的前进、后退控制,粘料台的水平移动、垂直升降控制,以及晶棒夹具的控制;上位机选取触摸屏实现与DSP通信,完成对系统状态的监控功能。本文的主要内容如下:(1)系统硬件设计,包括系统硬件总体结构、DSP控制板、外围电路、串口电路、检测电路、光耦隔离电路、保护电路等。(2)系统软件设计,DSP程序与触摸屏程序。(3)系统在负载变化时的控制方法设计。(4)本文以晶棒粘料定向仪控制系统的电机为被控对象,其中最重要的研究目标是交流永磁同步电机,使用三闭环伺服控制系统,采用矢量控制,对电流环以及位置环使用常规PID控制策略,在设计速度环时,比较了常规PID控制与滑模变结构控制方法在系统变负载情况下的效果。从仿真结果中,得出结论,使用滑模控制满足系统的精度的要求。

基于滑模控制策略的生活支援机器人轨迹跟踪研究

这是一篇关于滑模控制,扰动观测器,生活支援机器人,轨迹跟踪,自适应技术的论文, 主要内容为近年来,随着人口老龄化的加剧,生活支援机器人在养老,护理等领域内发挥着重要的作用。生活支援机器人的工作环境在室内场景,由于长期与老人共处,将不可避免地对生活支援机器人有许多要求。机器人在家庭环境工作时,不仅要求生活支援机器人系统具有强稳定性和高稳态精度,还需要系统能快速有效地执行任务。在轨迹跟踪方面,需要实现控制系统的有限时间稳定以及轨迹跟踪的误差状态能快速收敛到零。尽管机器人系统的轨迹跟踪控制问题一直是学术界的研究热点之一,但针对生活支援机器人,仍然有许多尚未解决的控制难题。本文针对上述生活支援机器人系统存在的外部未知扰动、参数不确定性、重心位置不确定性以及全向轮接地特性等问题,主要完成以下研究内容:(1)运用拉格朗日函数对生活支援机器人建立动态模型,针对存在外部未知扰动的生活支援机器人系统,研究一种积分滑模控制方法实现机器人系统的轨迹跟踪。首先,设计一种扰动观测器并证明扰动观测误差是最终一致有界的,然后根据所研究的积分滑模面设计一种控制律,确保生活支援机器人系统的跟踪误差状态渐进稳定并最终收敛到零。最后,基于生活支援机器人的仿真验证所提出算法的有效性。(2)针对存在外部未知扰动、参数不确定性和重心不确定性的生活支援机器人系统,研究一种非奇异快速终端滑模控制方法,设计有限时间扰动观测器,最终实现机器人系统的轨迹跟踪。首先,为解决传统终端滑模的问题,设计一种非奇异快速终端滑模面,实现轨迹跟踪的误差状态在有限时间内收敛为零。其次,针对系统的不确定性和外部未知扰动,设计一种有限时间扰动观测器,实现扰动观测误差在有限时间内能收敛到零,从而提高轨迹跟踪的精度。最后,通过仿真验证所提出算法的有效性。(3)针对存在外部未知扰动、参数不确定性、重心不确定性、外部未知扰动以及接地特性的生活支援机器人系统,研究一种基于自适应技术的非奇异快速终端滑模控制方法。首先,观察到机器人方向角上存在明显的抖动现象,分析抖动产生的原因,研究全向轮的接地特性。其次,设计另一种非奇异快速终端滑模面,利用扰动估计值设计所提出的控制器。考虑到扰动观测器存在观测误差,研究自适应技术估计观测误差上界值并进行补偿。通过有限时间稳定性理论,证明跟踪误差状态能在有限时间内趋近到零。最后,通过仿真验证所提出算法的有效性。

基于无线通信的列车网络控制平台设计与实现

这是一篇关于无线通信,列车网络,时延预测,滑模控制的论文, 主要内容为随着高速列车的普及,列车智能化程度不断提高,需要持续加入新设备并对旧设备进行维护升级。然而,目前我国现有列车内的大量线缆连接方式存在布线繁琐、故障点难以确认等问题。相比之下,无线传输避免了上述弊端,被广泛应用于工业控制、远程医疗、机器人等领域。然而,由于无线传输具有众多不确定性,实际探究其在列车网络控制中的通信性能至关重要。本文通过搭建列车无线网络控制平台,系统地研究了无线传输在列车网络控制中的实际通信性能及其适用性和可靠性。研究结果表明,无线传输在列车网络控制中具备一定的可行性和应用潜力,但在实际应用中需要考虑信号干扰等因素。本研究可为下一代列车网络控制技术的发展提供重要的参考和借鉴意义。具体研究内容如下:(1)依据现有理论,设计并搭建了列车无线网络控制实验平台,完成了HMI、CCU、TCU、ACU等设备的通信程序开发及界面开发,然后分析了影响平台无线通信性能的相关因素。在所搭建的实验平台中设计了用于通信性能测试的相关程序,通过抓取数据包的方式对不同情况下的时延与丢包率进行了探究,并对测试结果进行了简要分析,为之后的实际应用提供了借鉴意义。(2)针对列车网络控制系统中的无线时延,提出了一种基于奇异谱分析处理并采用改进粒子群寻优最小二乘支持向量机参数的时延预测方法。该方法首先通过奇异谱分析对无线时延序列进行处理,用于降低复杂度;针对最小二乘支持向量机的参数选择问题,设计了一种混沌粒子群算法进行智能选取。最后将实际测得的不同工况下的实际时延通过MATLAB进行仿真测试,结果表明该预测方法预测精度高,且对不同工况下时延适应能力强。(3)针对含有时延影响与线路干扰的列车运行控制系统,设计了一种基于时延补偿的多幂次滑模控制策略。通过对多幂次趋近律的设计用于抑制抖振的产生;在控制器设计环节考虑到时延的存在,并通过补偿的方式避免对控制性能造成影响;针对控制器需要设置大量参数的问题,采取上述改进粒子群算法进行选取,保障控制器可以得到最佳控制性能。通过MATLAB对列车运行速度进行跟踪,未进行时延补偿前跟踪曲线多处存在波动;补偿后可以精确跟踪目标速度,当列车运行遭遇干扰时,该方法跟踪曲线无明显波动。

非完整机器人系统有限时间跟踪控制设计及应用

这是一篇关于非完整系统,滑模控制,中继切换,固定时间跟踪控制,有限时间跟踪控制,事件触发控制的论文, 主要内容为非线性系统有限时间控制理论的发展为非完整系统的发展及应用提供了重要理论依据与基础.相比于渐近稳定控制而言,有限时间控制有更快的收敛速度,更高的控制精度以及更好的抗干扰性.众所周知,非完整系统作为非线性系统的分支在实际生活中被广泛应用.例如,非完整移动机器人作为非完整系统特定模型备受青睐.因此,本文针对非完整机器人系统,借助非奇异终端滑模、反步法、中继切换技术等控制方法,探究其非完整机器人系统有限时间轨迹跟踪控制.根据以下三部分,阐述主要的研究工作:1.针对一类非完整移动机器人系统,研究其固定时间轨迹跟踪控制.首先,将系统模型通过状态变换和输入变换转化为非完整链式系统.其次,通过建立跟踪误差系统,将跟踪控制问题转化为跟踪误差系统镇定问题,利用中继切换技术和构造改进型非奇异终端滑模面来设计出控制器,以此保证跟踪误差系统在固定时间内收敛.最后,仿真和实验结果进一步说明了所提的控制算法能实现非完整移动机器人固定时间跟踪控制的效果.2.针对一类受全状态约束下的非完整系统,设计了一种固定时间轨迹跟踪控制器.首先,采用中继切换技术将控制系统分为两个独立阶段进行控制器设计.其次,在保证第一阶段第一个子系统固定时间收敛的基础之上,在第二阶段中通过引入固定时间滤波器并且结合BLF、反步法、动态面控制对跟踪误差系统进行固定时间跟踪控制器设计.同时,在中继切换之前需重新构建控制器保证系统切换前的有界性.最后,稳定性分析表明,所提的跟踪控制策略能保证整个误差状态系统在固定时间内收敛到零并且遵循预先设定的状态约束.3.针对一类受未知干扰下的非完整系统,研究其基于事件触发有限时间轨迹跟踪控制策略.一个关键的核心设计是利用中继切换技术将整个非完整跟踪控制系统分成两个独立阶段设计,进而利用非线性设计方法设计出不同的有限时间跟踪控制器和相对应的事件触发规则.一方面,稳定性分析表明,所提的事件触发有限时间跟踪控制器能保证整个闭环跟踪误差系统状态收敛到零点附近的邻域,同时在整个控制过程中闭环误差系统所有信号保持有界.另一方面,在中继切换之前跟踪控制器被重新构建来保证跟踪误差系统不产生逃逸现象.最后,仿真和实验的相关结果表明了所设计的基于事件触发有限时间跟踪控制器有效性.

基于高阶微分观测器的控制器研究与应用

这是一篇关于非线性,高阶微分观测器,滑模控制,自动电压调节系统,四旋翼飞行器,RBF神经网络的论文, 主要内容为在工业过程控制、机械臂控制、无人机控制等实际的系统中,大部分被控对象都是非线性的,它们一般具有高阶、耦合性强以及易受外界扰动影响的特点,同时难以针对它们建立准确的数学模型,如何对这类非线性系统进行控制一直是控制领域的一个难点问题。而目前实际的控制系统仍普遍采用PID控制器对系统进行控制以达到期望的状态。但是随着工业化复杂程度的提高,PID控制器已无法满足系统较高控制精度和控制效率的要求。同时,现代控制理论发展迅猛,涌现了一系列值得借鉴的非线性控制器的设计框架,随着控制理论逐步与人工智能等技术相结合,为现代控制理论替代传统PID控制提供了重要的思路。针对复杂非线性系统的控制,本文利用高阶微分观测器(HOD)估计精度高、调节参数少等特点,实现对被控对象各阶状态变量的估计。同时考虑到滑模控制计算量小、鲁棒性强的优点,通过将HOD和滑模控制相结合的形式,有效处理被控对象中参数的不确定性以及外界扰动所带来的不利因素。在此基础上引入滤波器、径向基神经网络等方式实现对系统的未知模型、外界扰动的估计,使得控制器在设计的过程中无需利用被控对象的具体模型参数。论文的主要研究内容包括:(1)对高阶微分观测器展开研究。详细介绍了HOD的设计过程,通过根轨迹法分析了HOD的稳定性并简化了相应的参数,基于BODE图说明了HOD的低通滤波特性,并通过仿真对比实验进一步验证了HOD较强的滤波特性以及高精度的估计效果。(2)针对单输入单输出的高阶非线性系统,在HOD的基础上设计了无模型滑模控制器,通过引入一种新型的单幂次趋近律,抑制了滑模控制所带来的抖振现象,同时设计了低通滤波器对系统的未知项和外界扰动进行补偿。在所设计的无模型滑模控制器对二阶的Duffing系统取得不错的控制效果后,进一步将其应用到四阶的自动电压调节(AVR)系统中,仿真结果表明所设计的控制器能够使AVR系统的电压稳定输出,且受干扰噪声的影响较小。(3)针对多输入多输出的欠驱动系统——四旋翼飞行器,提出了基于HOD的无模型四旋翼RBF滑模控制器。通过设计两个虚拟控制量的方式,将四旋翼系统解耦为六输入六输出的全驱动系统,并将位置通道、高度通道以及偏航角通道的未知项统一归为总扰动,利用RBF神经网络对各个通道的总扰动进行估计,并基于李雅普诺夫定理证明了控制器在一定参数范围内稳定。通过静态、动态轨迹跟踪实验说明了所设计的控制器跟踪能力强,对外界干扰有明显的抑制作用。

基于多传感器融合的线控转向系统控制研究

这是一篇关于线控转向,多传感器融合,双电机控制,滑模控制,数据处理的论文, 主要内容为线控转向控制系统取消除转向盘和转向执行机构之间的机械连接,利用搭载多种传感器的电子系统控制转向电机与路感电机实现转向操作,是智能车辆安全行驶的重要系统之一。为了保证线控转向系统能精准稳定的执行转向,本文展开了多传感器融合的线控转向系统研究,主要研究内容如下:(1)根据线控转向系统工作原理,设计多传感器融合的线控转向系统硬件方案。以线控转向系统的转向精准度和稳定性作为控制目标,分析转向电机与路感电机、转速传感器、转角传感器和电流电压传感器的功能及特性,并进行选型。(2)为了满足转向系统的模拟路感和转角跟随的设计要求,本文提出了一种积分变结构与扰动观测器复合的滑模控制方法,利用扩张滑模观测器观测电机参数变化及负载转矩的扰动值,并将扰动值作为速度控制器的补偿,以增强滑模控制的抗干扰能力。在此基础上,设计模糊角传动比,在滑模调速控制器上加入位置控制器实现方向盘与转向电机的转角跟随。其次,设计力传动比将转向电机的反馈力矩转换成电流控制路感电机,从而模拟路感信息反馈给驾驶员获取舒适的操纵性。最后,设计路感电机与转向电机的控制电路,并将控制策略嵌入到控制器中验证路感电机与转向电机协同控制的有效性。(3)为了能提供安全可靠的转向决策,本文设计了倾角传感器、角度传感器及车速传感器采集电路,以获取线控转向系统的转向信息。同时,提出了Kalman滤波与数字滤波相结合的滤波方式,滤除总线电压和车速信息中的电磁干扰。其次,利用角度传感器与多点采样过零检测法测量方向盘角度,再以角度传感器测量数据为基准对多点采样过零检测法测量数据进行矫正,提高方向盘转角与电机转角的跟随精度。最后,利用JY901B传感器内部的动力解算和Kalman滤波,削弱采集转向姿态信息而产生的系统误差和干扰噪声,并将各个传感器采集的转向信息上传到显示界面,实现线控转向系统的转向数据实时检测。验证控制方法的有效性,采用示波器测试电机硬件电路的控制信号,并结合电机控制平台验证路感电机与转向电机协同控制的性能。同时利用传感器监测线控转向系统的转向姿态,保障线控转向系统安全稳定的操纵性。

两轮自平衡移动机器人自适应轨迹跟踪控制方法研究

这是一篇关于两轮自平衡移动机器人,自适应轨迹跟踪控制,滑模控制,预设性能函数,统一壁垒函数的论文, 主要内容为两轮自平衡移动机器人(two-wheeled self-balancing mobile robot,TSMR)具有转向灵活、结构轻巧、动态平衡和节能环保等诸多优点,在家庭服务、智能交通、工业生产等领域具有广泛的应用。轨迹跟踪控制是TSMR运动控制的关键技术,是其实现自主运动并执行相应任务的基础。同时,TSMR是一种典型的欠驱动系统,这使实现TSMR的轨迹跟踪控制极具挑战性。为此,本文在TSMR运动学和动力学模型的基础上,开展了TSMR自适应轨迹跟踪控制方法研究。主要工作如下:(1)根据TSMR在二维平面的位姿,构建了TSMR的运动学模型,并推导出TSMR的位姿误差微分方程;采用Newton-Euler法对TSMR进行受力分析,建立了TSMR的动力学模型,为后续自适应轨迹跟踪控制器设计提供模型基础。(2)为了实现TSMR的姿态轨迹跟踪控制,考虑外部干扰和未建模动态对TSMR系统的影响,提出了一种基于径向基神经网络(radial basis neural network,RBFNN)的TSMR自适应滑模姿态控制方案。在简化的TSMR倾角动力学模型的基础上,开发了基于双曲正切函数的滑模控制器。然后,设计了一个RBFNN逼近器来消除未建模动态对TSMR倾角动力学系统的干扰。同时,引入最小参数学习法(minimum parameter learningmethod,MPLM)减少RBFNN权重系数的计算量。最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证提出的控制方案的跟踪性能。(3)为实现TSMR的姿态、纵向以及转向运动轨迹跟踪控制,设计了一种具有预设-预测性能的TSMR自适应轨迹跟踪控制策略。在TSMR系统动力学模型的基础上,完成了预设性能函数(prescribed performance function,PPF)的设计以及跟踪误差的转换。然后,为TSMR系统开发了具有预设-预测性能的自适应轨迹控制器,实现非线性外部干扰下的轨迹跟踪,并使TSMR的跟踪误差被约束在PPF范围内。此外,引入RBFNN来补偿TSMR系统的未建模动态。最后,在MATLAB/Simulink环境中验证所提出的具有预设-预测性能的自适应轨迹跟踪控制策略的有效性和准确性。(4)为实现安全约束下的TSMR轨迹跟踪控制,基于TSMR的运动学及动力学模型,提出了具有全状态约束的自适应轨迹跟踪控制策略。首先,构造了TSMR的分层控制结构;其次,设计了一个速度规划器使TSMR系统实现在运动学层面上的跟踪控制;然后,通过结合统一壁垒函数与动态表面控制的方法,在动力学层面上构造了一个具有全状态约束的TSMR自适应轨迹控制器;最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证具有全状态约束的自适应轨迹控制策略的鲁棒性和安全性。

基于发条弹簧的离合式弹性驱动器研究

这是一篇关于发条弹簧,离合式弹性驱动器,增益效果,滑模控制的论文, 主要内容为以人体关节为代表的机械关节具有典型的负载运动特性,运转过程中的峰值功率远超平均值,会大大加重对驱动器的工作负担和功率需求。弹性驱动器可以通过在关节处增加弹性元件实现对能量的积蓄和释放,从而降低峰值功率,现有弹性驱动器无法实现对蓄能和放能的精准控制,因此增益效果差强人意。针对当前弹性驱动器能量利用率低、控制精度差、无法灵活控制能量流动等不足,基于回转体弹性元件的特性,设计了一种可以实现灵活控制能量流动的以发条弹簧作为弹性元件的离合式弹性驱动器(clutch elastic actuator based on clockwork spring,简称为发条驱动器或C-CEA),并针对该C-CEA的运动特性建立其数学模型,通过仿真验证其合理性,对实现最佳增益效果的参数组进行了优化,基于滑模控制器设计出具有抗干扰能力的控制系统,通过三维仿真软件进行仿真分析,并进一步进行样机实验分析其性能。研究内容主要包括以下几点:(1)发条驱动器建模研究。分析C-CEA的工作过程,解析不同工作阶段内CCEA的输入扭矩和输入能量与工作时间的数学关系,构建C-CEA的数学模型。使用MATLAB验证C-CEA设计的合理性和数学模型的准确性,并绘制了输入扭矩、输入功率和输入能量随时间变化的性能曲线。(2)发条驱动器特性分析。分析C-CEA运行过程中不同的发条弹簧弹性刚度、蓄能阶段开始时刻、蓄能阶段结束时刻对峰值扭矩和能量总耗的影响,并控制单一变量分别建立峰值扭矩和能量总耗随上述参数的变化情况。同时以实现最佳的增益效果为目标对上述参数进行优化分析,选取最优参数组对C-CEA进行配置。(3)发条驱动器控制系统设计。研究引入发条弹簧和离合器后电机及传动系统的数学模型,选用抗干扰能力强、响应速度快的滑模控制器进行控制系统的设计,以实现C-CEA平稳高效的运行。同时使用MATLAB中的Simulink功能对滑模控制器进行仿真,验证其相对其他控制器的优越性和抗干扰能力。(4)仿真分析及实验验证。建立C-CEA的三维模型并使用Adams仿真软件进行仿真验证C-CEA设计的合理性,并通过动力学仿真的方式验证理论分析的正确性。根据模型设计进行样机制作,搭建装载传感器(扭矩传感器、角度传感器)的实验平台。测试在不同负载、不同弹性刚度、不同时间参数下的输入扭矩和输入能量总耗,验证样机实验结果是否与理论保持一致。

智能巡线无人机控制系统的设计与实现

这是一篇关于无人机,智能巡线,滑模控制,鲁棒性的论文, 主要内容为随着无人机技术的发展,利用无人机进行电力系统的巡检逐步被推广应用。但是现有的电力巡检无人机因为尺寸较大,不适用于城市周边配网线路巡检。本文旨在开发一款微小型巡线无人机,以设计高集成度硬件控制系统为目标,实现配网线路全自主智能巡检。归纳起来,全文主要完成了如下几项工作:(1)针对城区周边巡线特点,利用集成设计的理念,对无人机的硬件电路板整体方案进行设计。在保证无人机功能实现的前提下,提高了电子系统的整体紧凑性,减轻了无人机的重量。(2)根据无人机对硬件系统的整体设计要求,系统分析了各主要模块功能与性能要求及相关元器件的选型;完成了相应电路的原理图与PCB电路板的设计,通过DRC(Design Rule Check)规则检查,对所设计的电路板进行验证。(3)针对无人机巡线过程中出现的位置误差,本设计将图像处理模块和雷达数据的像素误差直接转换到实际距离的误差,并通过纠偏策略使无人机尽可能处于地线正上方,从而实现了无人机的智能巡线功能。(4)根据无人机对水平纠偏的性能要求,完成了位置控制器和高度控制器的设计,采用基于参考模型的滑模控制算法做速度控制,提高了自主巡线飞行的稳定性和鲁棒性。(5)针对上述设计的各个部件、系统进行了整体现场测试,并对电气性能、通信功能、基础飞行和智能巡线功能发现的问题做了进一步的改进和完善,验证了整个无人机控制系统的稳定性。通过实际的巡线飞行验证测试,本文设计的智能巡线无人机控制系统达到了自主电力巡线的性能指标要求,实现了安全稳定的全自主电力巡线作业。