造波機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制及其網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)研究.pdf

1、隨著人類對海洋資源開發(fā)的深入，提高對海洋認(rèn)知程度的要求也愈加迫切，作為海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行波浪模擬的重要設(shè)備——造波機(jī)系統(tǒng)，也在研究中扮演著越來越重要的角色。造波機(jī)系統(tǒng)是在波浪理論、自動(dòng)控制、機(jī)械工程等多學(xué)科交叉基礎(chǔ)上發(fā)展起來的大型自動(dòng)化設(shè)備，而以自動(dòng)控制為基本原理的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在造波機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建中起著核心的關(guān)鍵作用，決定著造波機(jī)系統(tǒng)性能的好壞。此外，網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，給造波機(jī)系統(tǒng)研發(fā)帶來新機(jī)遇的同時(shí)也使之在技術(shù)上面臨著新的挑戰(zhàn)。本

2、文正是在此背景下以研發(fā)高性能網(wǎng)絡(luò)化造波機(jī)系統(tǒng)為目標(biāo)，對網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，具體內(nèi)容包括:
　　首先，根據(jù)實(shí)際物理系統(tǒng)建立了造波機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模型，分析了系統(tǒng)負(fù)載及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性。結(jié)合矢量控制和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)提出一種基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PID控制算法，克服了傳統(tǒng)PID控制在應(yīng)用于具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)遇到的困難，充分利用了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的函數(shù)逼近能力和自適應(yīng)能力，為解決復(fù)雜的非線性、不確

3、定系統(tǒng)的控制問題提供了新思路。為了提高位置伺服系統(tǒng)的跟蹤精度，提出基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)反推控制策略，該方法同時(shí)考慮位置與電流的跟蹤性能，在保證系統(tǒng)狀態(tài)變量全局漸近穩(wěn)定前提下，獲得了良好的動(dòng)靜態(tài)效果和魯棒性。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗擾能力，在設(shè)計(jì)中加入滑?？刂?，同時(shí)采用新的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加速系統(tǒng)收斂，得到自適應(yīng)滑模反推控制策略，仿真結(jié)果證明了該策略在跟蹤性能和魯棒性能上都具有優(yōu)越的特性。
　　其次，對引入網(wǎng)絡(luò)的造波機(jī)運(yùn)動(dòng)

4、控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并建立了造波機(jī)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的單軸和多軸模型。針對在模型分析中網(wǎng)絡(luò)延時(shí)給系統(tǒng)帶來的問題，提出用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)輸入的過去時(shí)間延遲序列預(yù)測輸出下一采樣時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)值。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)通過訓(xùn)練算法實(shí)時(shí)更新，以保證預(yù)測輸出的準(zhǔn)確性。經(jīng)過對實(shí)際以太網(wǎng)延時(shí)數(shù)據(jù)樣本的預(yù)測分析表明該預(yù)測模型能夠有效估計(jì)延時(shí)，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。對于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的時(shí)延效應(yīng)進(jìn)行了分析，考慮利用Smith預(yù)估器

5、將系統(tǒng)中的純延時(shí)環(huán)節(jié)移出閉環(huán)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，為克服Smith預(yù)估器對于模型敏感的缺點(diǎn)，提出一種帶擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)Smith預(yù)測控制策略，利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)調(diào)整參考模型使之輸出特性趨于實(shí)際系統(tǒng)，同時(shí)利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對影響系統(tǒng)魯棒性的擾動(dòng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，使系統(tǒng)對擾動(dòng)不敏感。仿真結(jié)果表明提出的控制策略可有效抑制擾動(dòng)，具有良好的魯棒性和動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)。為滿足造波機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的多軸同步控制要求，提出了相鄰耦合滑模同步控制策略，將跟蹤誤差和同步誤

6、差同時(shí)考慮并加以消除，控制器的設(shè)計(jì)考慮了系統(tǒng)的不確定性，采用滑?？刂品椒右砸种?，使系統(tǒng)獲得了良好的位置伺服和同步控制性能。
　　再次，在EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上搭建了網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，完成了從站的網(wǎng)絡(luò)控制器及DSP控制器的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過主站利用實(shí)時(shí)工控軟件由從站網(wǎng)絡(luò)控制器與DSP控制器通信，DSP控制器在完成與網(wǎng)絡(luò)控制器通信的同時(shí)還負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制算法的實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)發(fā)送的控制命令經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制器后，控

7、制器根據(jù)其內(nèi)部的模糊PID控制算法生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)差分轉(zhuǎn)換電路傳輸至驅(qū)動(dòng)器從而控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能良好，同時(shí)證明了該方案的可行性。
　　最后，通過完成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分的硬件及運(yùn)動(dòng)控制軟件的設(shè)計(jì)，結(jié)合之前設(shè)計(jì)的從站網(wǎng)絡(luò)控制器及DSP控制器，構(gòu)建了完整的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)并將其應(yīng)用于實(shí)際的造波機(jī)系統(tǒng)。通過一系列測試，包括電機(jī)控制性能測試，造波系統(tǒng)的單軸跟蹤和多軸同步性