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1、学号： S13040449 Changchun University of Science and Technology 硕士学位论文 基于模型参考自适应控制的转台控制技术研究 研究生姓名：吕政轩 学科、专业：控制科学与工程 二一六年三月 基于摸型参考自适应控制的转台控制技术研究 吕玫汗 分类号： TP23 密级： 可公开 U D C： 621.3 编号 : 基于模型参考自适应控制的 转台控制技术研究 RESEARCH ON TURNTABLE CONTROL TECHNOLOGY BASED ON MODEL REFERENCE ADAPTIVE CONTROL 学位授予单位及代码： 长春理
2、工大学 （ 10186) 学科专业名称及代码： 控制科学与工程 （ 0811) 研宄方向： 检测技术与过程控制 申请学位级别： 工学硕士 指导教师： 刘云清教授 研 宄 生 ： 吕政轩 论文起止时间： 2014/09-2015/11 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于模型参考自适应控制的转台 控制技术研宄是本人在指导教师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担
3、。 作 者 签 名 ： 年 ； 月 、 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 长春理工大学硕士 、博 士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研宄所、中国优 秀博硕 士学位论文全文数据库和 CNKI系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被査阅和借阅 =本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 年 A月立日 7;/年 月 5曰 摘要 本文从对国内外研宄现状的介绍开始，针对国内伺服转台控制系统跟踪精度与跟 踪速度不足的问题，提出使用自适应控制的方法
4、对伺服转台进行控制。 随后简要介绍了伺服转台控制系统的内部结构以及直流电机的调速方法，并通过 计算推导，得出了转台的数学模型。为了体现自适应控制系统的优点，文中首先采用 频率特性法设计了伺服转台的双闭环控制系统，并通过 Matlab仿真软件，绘制了控制 系统的开环 bode图和单位阶跃响应图，通过分析，能够看出该系统可以稳定工作，然 而系统的准确性和快速性方面还有不足，同时只能针对单一对象进行控制，无法解决 随机性和非线性等问题。 接下来，针对传统控制系统的不足之处，文中提出分别基于 Lyapunov稳定性理论 和 Popov超稳定性理论设计两种自适应控制器的设计方案。通过对仿真结果的分析，
5、可以看出，基于Lyapunov理论的自适应控制器，在控制精度和速度方面有了一定的提 高，同时，对于系统输入和被控对象的变化也具有良好的适应性。而基于 Popov理论 的自适应控制器不仅在上述各方面性能良好，同时，当参考模型发生改变时，该控制 系统依然能够 很好的完成跟踪控制。 关键词： 伺服转台，模型参考自适应控制， Lyapunov稳定性理论， Popov超稳定性理论 Abstract At first, the current situation is introduced at home and abroad. In order to improve the tracking preci
6、sion and tracking velocity of servo turntable control system, the adaptive control is chosen to control the turntable. Then this thesis introduces the structure of servo turntable control system and the method of DC motors speed control briefly. After that, the mathematical model of turntable is ded
7、uced by calculation and derivation. In the design part, the turntables closed-loop control system is established at first, in order to incarnate advantage of MRAC, and then draw the open-loop bode and the step response of control system. By analyzing the result, it is stable enough, but the accuracy
8、 and the rapidity is not very good, while it can not solve the problem of randomness and nonlinear. The following, aiming at the disadvantage of traditional control system, two kind of adaptive control system are raised based on Lyapunov stability theory and Popov hyper-stability theory. By analyzin
9、g the result, it is obvious that control system based on the Lyapunov theory is more accurate and rapid, at the same time, the control system has better adaptability when the input and the controlled object change. Next, the control system based on Popov hyper-stability theory not only perform bette
10、r in aspect of talking above, but can track well when reference model changes as well. keyword: Servo turntable, MRAC, Lyapunov stability theory, Popov hyper-stability theory 目录 摘 要 . I Abstract . II 第 一 章绪论 . 1 1.1本课题的研宄意义及背景 . 1 1.1.1本课题的研究意义 . 1 1.1.2本课题的研宄背景 . 1 1.2本课题的研宄现状 . 3 1.2.1国外转台研宄现状 . 4
11、 1.2.2国内现状 . 5 1.3本文的主要内容及总体安排 . 6 第二章伺服转台控制系统 . 8 2.1前言 . 8 2.2直流电机调速 . 8 2.2.1直流脉宽调速的优点 . 9 2.2.2脉宽调制变换 . 10 2.2.3单极式 PWM功放 . 13 2.2.4受限单极式 PWM功放 . 13 2.3伺服转台控制系统的精度 . 13 2.4数学模型的建立 . 16 2.4.1速度回路设计 . 18 2.4.2位置回路设计 . 20 2.5本章小结 . 22 第三章基于 Lyapunov理论的自适应控制器设计 . 24 3.1前言 . 24 3.2 Lyapunov稳定性理论 . 24
12、 3.2.1 Lyapunov稳定性理论基本概念 . 25 3.2.2 Lyapunov间接法的相关定理 . 26 3.3基于 Lyapunov的自适应控制律推导 . 26 3.4 Lyapunov控制系统仿真实验 . 29 3.4.1输入为单位阶跃信号控制的仿真结果 . 30 3.4.2输入为正弦信号控制系统的仿真结果 . 30 3.5本章小结 . 31 第四章基于 Popov超稳定性理论的自适应控制器设计 . 33 4.1前言 . 33 4.2 Popov超稳定性设计理论基础 . 33 4.2.1正实函数及其性质 . 33 4.2.1.1实函数的正实性 . 33 4.2.1.2关于正实矩阵
13、和严格正实矩阵的定义 . 34 4.2.2 Kalman.Jakopovic.Popov 正实引理 . 34 4.2.3正定积分核和正动态系统的相关计算与设计 . 35 4.2.4 Popov超稳定性理论 . 36 4.3控制系统设计 . 37 4.3.1构造控制器 . 37 4.3.2自适应模型跟随控制律 . 38 4.4 Popov控制系统仿真实验 . 42 4.4.1输入为单位阶跃信号控制系统的仿真结果 . 43 4.4.2输入为正弦信号控制系统的仿真结果 . 45 4.5本章小结 . 47 第五章结论分析与前景廳 . 48 5.1结论分析 . 48 5.2前景臟 . 48 参考文献 .
14、 49 附录 . 51 作者简介及科研成果 . 55 致谢 . 56 第一章绪论 1.1本课题的研究意义及背景 1.1.1本课题的研究意义 当今时代，科学技术日新月异，运动目标的速度越来越快，而这一现象在航空航 天等军工领域中体现的愈发明显，传统的控制理论和方法在精度、速度和稳定性等方 面已经无法满足日益提高的实际应用要求。经过多年的不懈研究，我国自主研发的光 电跟踪伺服转台控制系统各方面性能也在逐步完善，但跟踪效果仍与国外最先进的伺 服转台系统存在许多不足，所以本课题的研究对提升我国伺服转台控制精度会有巨大 帮助。 伺服转台控制系统在军事、科研、民用等方面应用广泛，鉴于其在国防安全和社 会建
15、设等领域不可或缺的作用，在今后的科研工作中应把伺服转台精度和速度的提高 作为核心工作。本文的主要工作就是通过改进控制算法来完 善伺服转台的性能指标。 1.1.2本课题的研究背景 伺服转台控制系统通过 CCD相机进行图像采集，由于判断误差和传感器延时等原 因，视线轴与跟踪目标之间出现角度偏差，因此需要不断控制转台伺服的运动轴来调 整转台的方位和俯仰角度，从而完成对目标的跟踪。当今社会科技发展日新月异，先 进控制理论更是不断推陈出新，如自适应控制理论、神经网络控制理论，模糊控制理 论等都可以用来对伺服转台系统进行精确控制，上述理论都是通过准确的控制运动轴 的方位和俯仰角度，来确保伺服转台的精确动作
16、，完成运动轨迹的准确跟踪。 伺服转台控制技术是一门综合学科，不仅需要控制学科的相关知识，还需要机械 学、光学、电子学和计算机等学科的辅助。 21世纪以来，随着光电学科和计算机技术 的迅猛发展，伺服转台的应用领域逐步扩展。如对航天飞行器的跟踪，对导弹轨迹的 跟踪和测量以及红外雷达的基座，伺服转台控制技术已经在工业中起着举足轻重的作 用。 伺服转台的设计与研发最早出现在 20世纪 40年代，兴起于德国。经过七十余年 时间的改进和发展，现代的伺服转台在精度和功能方面已经有了巨大的飞跃。随着种 类的增多以及应用范围的广泛，未来的伺服转台系统对于跟踪 精度和跟踪速度也就会 有更高的要求。 我国在这方面的
17、的研究起步于上个世纪 70年代，由于研究时间的不足，目前国内 的转台研发技术仍然逊于国外，但经过我国科研人员的多年努力，在这个领域的差距 正在逐步缩小。长春光机所一直是国内伺服转台研宄领域的先行者。截止目前，长春 光机所自主研发的伺服转台，在精度和速度方面已经具有很好的性能。然而从全世界 的发展情况来看，在伺服转台研制方面，我国仍旧落后于国外，因此，需要不断专研、 努力进取，通过寻找新方法和改良新工艺，来提高我国伺 服转台的精度和平稳性，使 我国在跟踪测量领域早日步入世界先进行列 1。 控制理论的发展历史悠久，从最早的人工控制到传统控制理论中闭环反馈控制， 近年来又出现了更加先进的模糊控制、自
18、适应控制、神经网络控制。自适应控制是在 实际生产生活中产生和发展的一种控制方式。自适应控制是一种能够根据外部变化修 改自身控制规则，进而改变控制系统以确保适应被控对象变化的控制方法。以下设计 自适应控制系统的基本步骤： 1) 对被控对象的相关指标进行辨识； 2) 将得到的被控对象的指标送到自适应机构进行决策； 3) 在完成决策之后，修改可调控制器的相关参数，使控制系统完成跟踪。 为了达到提高伺服转台的跟踪精度和跟踪速度的目的，本文使用模型参考自适应 的控制方法，对伺服转台进行控制。首先通过计算得到的控制系统实际数学模型，以 传统双闭环控制系统为对照组，在原有经验的基础上设计控制系统的参考模型，
19、之后 分别利用 Lyapunov稳定性原理和 Popov超稳定性原理两种方法进行自适应控制律推 导，根据求得的控制律，使用 MATLAB/simulink软件仿真，完成系统模型的建立，并 对比仿真结果。 无论采用何种控制系统，对被控对象 的精确数学建模永远是控制系统设计成功与 否的关键。然而，在现实工作中，在更多的情况下，我们无法得知被控对象的精确数 学模型。对于这种参数无法确定的被控对象，传统控制无法进行精确的控制，因此诸 如自适应控制、模糊控制等先进的控制算法被越来越多的应用于这些具体参数不确定 的控制系统中，引起参数不确定的主要原因有 2: 1) 系统结构非常繁复，无法通过目前已知的理论
20、和方法推测出系统准确结构和具 体函数。 2) 工作环境的随机性和时变性。如目标周围的障碍物和当前环境温度，大气相对 密度，这些条件的变化将严重影响运动目标的相关 参数。 3) 目标本身的随机性和时变性。如在飞行目标在飞行过程中多变的运动轨迹，而 且目标的飞行姿态也在时刻变化。 与传统控制理论相比，自适应的优势在于，它具有更广的应用范围。即使被控对 象参数未知，自适应控制系统仍然可以检测得到的实时参数调整自适应就够的控制规 律，进而改变可调系统相关参数，使系统系统工作在最优状态。同时，自适应控制还 具有提高系统刚度的效果，对于如温度改变、目标自身变化以及大气条件等外界扰动 具有良好的抑制效果。综
21、上所述，对于控制对象模型未知、目标时变非线性和外部扰 动大等问题都具有更出色的表现。 1.2本课题的研究现状 自适应控制理论出现于 20世纪中后期，美国麻省理工学院是这一先进理论的开创 者，该理论的提出引起了学术界的轰动。但由于那个时代理论和技术并未完全成熟， 自适应控制系统还仅仅停留在纸面上，难以应用于实际工作。 上个世纪六十年代涌现出了许多新兴的学科，在各种理论的支持下，自适应控制 也得到长足的发展。到了 70年代之后，随着计算机技术的日趋成熟，自适应控制理论 也已经比较完善，在诸多条件齐备的前提下，自适应控制开始应用于工业控制中，并 且取得了不错的成果。自从 80年代开始，随着工业化进程
22、的推进，自适应控制已经广 泛应用各行各业，并在各个领域中起着不可缺少的作用 3-5。 综上所述不难发现，自从出现以来，自适应控制理论就表现出了巨大的应用价值 和宽广的发展前景，相信随着科技的发展，控制理论和相关元件会日趋完善，自适应 控制不仅能够具有更好的控制效果，同样也会有更加广泛的应用范围。 自适应控制技术并非独立存在，它的产生和发展很大程度上依赖其他各个学科。 而对于自适应 控制理论的阐述，同样是众说纷纭，各执一词，以下列出一些具有代表 性的说法 1。 1961年 ， Truxal错误 !未找到引用源。对自适应控制提出最早的定义： 凡是按设 计理念符合自适应理论的系统都可以称为自适应系统
23、 。从现在理论角度来看，该定义 并不准确，由于其宽泛的定义，并无法准确的描述自适应系统的特点。根据该定义， 带有扰动预补偿环节前置校正环节的控制系统也可以认为是自适应系统。然而这些控 制系统只是对扰动进行了预估，系统并没有实时决策，根据现代控制理论的观点，该 系统不具备自适应系统应有的特点。 1962年 ， Gibson错误 !未找到引用源。通过对前人研究成果的归纳和总结，提出了 更为完整的定义，该定义有三个要点：第一，控制系统可以对目标进行实时辨识，即 系统能够检测被控对象的状态变化 ;第二，系统有一个参考模型，该参考模型在某些方 面具有理想的控制性能，其作用是作为被控对象的逼近目标，使系统的最终效果趋于 理想；第三，系统能够根据决策机构修改可调控制器的参数，使控制系统达到理想的 状态，保证控制系统的控制效果。 1974年 ， Landau错误 !未找到引用源。在前人总结前人成果的基础上，提出了一 个更为精确的定义 2:自适应系统需要具有根据系统当前状态改变可调装置参数的能 力，而且可以对被控制对象的当前状态进行判断，进而改变控制规律并对可调装置进 行调整，保证被控对象对参考模型的跟踪。定义中描述的 可调节系统 是指 可以 根据系统当前状态，修改自身相应参数以确保系统完成模型跟踪的相关结构 。 以上三种自适应控制的定义虽然说法不同，但依然存在一些共同点，如针对不确 3