雷达伺服系统的结构控制一体化设计.docx

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雷达伺服系统的结构控制一体化设计

西安电子科技大学硕士学位论文雷达伺服系统的结构/控制一体化设计姓名：

王海红申请学位级别：

硕士专业：

机械电子工程指导教师：

苏玉鑫20080101

摘要

现代机电系统对各种极限工祝条件下的动态精度和稳定性提出了越来越高的要求，传统上，首先对机械系统进行设计，然后再进行控制系统的设计由于机械系统动力学特性和控制系统之间存在着相互耦合，而分别进行设计时忽略了机械性能参数和控制参数的相互作用。

特别是在极限工况条件下，按照传统的方法分别对机械系统和控制系统进行设计的结果一般来说对整个机电系统并不是最优的。

为了提高整个系统的性能t应该对机电系统进行统一建模并在此基础上对机电设计参数同时进行设计，

本文以机载雷达俯仰伺服系统为研究对象，主要包含三个部分：

首先建立了含齿瞭非线性因素的伺服机械传动系统的动力学模型，分析了机械传动系统的结构参数对系统动态特性的影响：

其次建立了伺服电气控制系统的三环结构模型，并进行了仿真研究；最后建立了包含控制参数和结构参数的机电耦合模型和优化模型，并利用遗传算法理论对建立的优化模型进行了结构/控制一体化设计。

仿真结果表明，结构/控制一体化设计方法在雷达伺服系统设计中是可行的和有效的。

关键词：

雷达伺服系统机电親合镆型遗传算法_体化设计

Abstract

Nowadays,細MechatioiiicdSystemsneedstriderequiron^itofdynamicprecisionandstabilityintheutmostconditioiLIntraditioiia]way,themechanicalstructureofsystemisdesignedfirstly,andthecontrollersecondly.Therefore,theperformanceofwholesystemabovecannotbeconsideredasthebestoaeaffirmatively,especiallyintitmostcondition^asaresultofbeingdesignedseparately*Thet^sonofthatisignoiacceontbeinteractioaofparam^ersmtwopartsdsove»CMaccoimtofMspoint;theMechatromcdesignshouldbasedontbeuniquemodelanddltheparametersshouldbedesignedsimultaneously.

ThisthesisisaccordingtothepitchingpartofAirborneRadarServoSystem,studiesemphaticallyonthreepartsfollowBg-Thedynamicsmodelofmechaniststransmissionsystemisanalyzedfirstly，whichincludethenoolinearityofbacklash,Meanwhile,theinfluenceofparamctosfordynamicspropertiesinstructureofthemechanismtransmissionsystemisstudied.Furthermore,themodelofelectricitycontrolsystemofAiibotaeRadarServoSystem,whichimthreefeedback-conttolloops,isbuiltandthesimulationis软udied.Atlast,flieMechatronicalcouplingmodelandoptimizationmodelwhichincludesstructureparametersandcontolparametersarebuiltup,andthemethodofIntegratedStructureandControlDesignisappliedontheoptimizationmodelusingGA.SimulationresultsshowthatthemethodofIntegratedStmctoeandControlD^igaisfeasibleandeffe^veinradars«^osystem.

Keyword:

RadarServoSystemMechatronlcalCouplingMode!

GAIntegrateDesign

西安电子科技大学学位论文独倒性声明

秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所虽交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果*尽我所知，餘了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意.

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。

本人签名：

玉埤幻二日期这

西安电子科技大学关于论文使用授权的说明

本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：

研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。

学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。

同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。

（保密的论文在解密后遵守此规定>

本学位论文属于保密，在__年解密后适用本授权书。

本人签名：

玉说

导师签名：

第一章绪论

1.1前言

随着机电一体化技术的迅速发展,现代机电系统（如空间机器人、工业机器人、微电子制造设备、自动检测与测量设备、计算机磁盘系统等）对各种极限工况条件下的动态精度和稳定性提出了越来越高的要求w.

长期以来，传统的机电系统设计是一种“抛过墙”式的顺序开发方式将机电系统的结构和控制部分分别作为单独的模块来设计；首先对结构部分进行设计，然后结构设计人员将设计成果抛向控制部门进行控制部分的设计，当在控劍部分设计中发现通过控制器的设计仍不能满足系统性能要求时*控制设计人员则将设计成果又抛回结构部门进行结构的修改，这样依次反复循环设计，直到系统性能要求得到满足e图1.1形象的描述了这种传统的“抛过墙”式开发方式。

图U“抛过墙"式开发方式

在图i,i所示的传统的“抛过墙”式顺序设计过程中，同一时期只有一个设计阶段处于激活状态，比如在机械结构设计阶段，控制人员是不参与设计的，只有到了控制设计阶段，控制人员才参与设计，此时结构人员则不参与设计，这样就造成了结构部门和控制部门之间缺乏必要的沟通和交互，最终产品的总体性能受到一定的限制；此外，在实际的机电系统中，机械结构的动力学特性对控制有着重要的影响，而控制系统作用于机械结构并对其运动特性进行控制和调节t因此机械结构参数和控制参数之间存在着很强的相互耦合，但传统设计方法，虽然降低了系统的复杂性和设计的难度,却忽略了结构参数和控制参数之间的强耦合性,

故将机械系统和控制系统分别进行优化的结果相加_般来说往往只能得到系统的局部最优解t很难得到系统的全局最优解从更广义的角度看，传统的设计方法使产品的幵发过程存在反复现象，这样不仅造成了产品开发周期延长，同时增加了设计开发成本，阻碍了新产品的研发和应用。

结构/控制一体化的设计思想是在系统设计过程中将结构参数和控制参数同时考虑进去，对系统的机械结构部分和控制部分进行同步优化设计#这种对机电系统进行统一建模并在此基硇上对机电设计参数进行同步优化的设计思想充分考虑了结构参数和控制参数之间的耦合性，更易于得到系统的全局最优解[53»图1.2给出了结构/控_一体化设计方法与传统颗序设计方法的比较：

_L2—体佬设计与传统设计的比较通过图1.2的对It可以看出，结构/控制一体化设计方法易于得到系统的全局最优解’同时避兔了传统设计的反复循环t缩短了产品的开发周期，降低了设计成本，有利于新产品的开发*可见，研究结构/控制一体化设计方法具有理论和工程上的重大意义-

L2结构/控制一体化的研究现状

1.2.1国外的研究现状

由于结构/控制一体ft设计方法tt诸多优点，坻几年来，对其研究成为国内外

学者班究的热点•国外対机电系统的结钩/控制一体化设计方法的研究主要集中在以下几个方面：

K空间结构（spacestmctures）

载人飞船和航天飞机研制成功，并投入商业运营，表明大型运载器结构动力学和控制研究的某些关键间題基本解决，但大型空间站的发展给结构动力学带来了新的问题当前的发展趋势是把结构动力学与控制相结合，研究结构/控制的相互作用一一体化设计、分析与试验•其中的关键技术之一是结构/控制的“合炼”（Woikshop）研究f在控制器设计中充分考虑结构设计来用的控制方案，同样，结构设计也必须考虑控制器的设计要求，图1.3为NASA（美国国家航空和字宙航天局）用于实验验证基于结构和控制的集成优化设计方法的空间弹性体【'

图UNASA用于实验验证棊于结构和控制的集成优化设计方法的空间弹性体P.A.BIelioch和N.R.Beagley介绍了SDRC为NASA开发的通信接口，提出了—种分析固定结构的机电耦合方法，该方法的主要思想是在传统的用于结构分析的软件和用于控制系统分析、设计软件之间开发一个通信接口，通过该接口可以实现分析程序间的数据传递、系统耦合分析和一些简单控制系统闭环特征值的计算和响应模拟

2、机械臂结构（robotmanipulators）

美国国家空间研究院的UARM;FONSECA等对大空间机械臂的结构和控制的集成优化设计作了一些研究》他们利用半定量的方法对受到重力梯度力矩的大空间机械臂进行结构和控制集成优化设计'以结构重量轻和控制性能好为目标优化结构和控制参数，得到了较好的系统性能。

Mng-HyonFadcjfaraliikoAsads提出了一种单臂和双臂杆机构基于?

1>控_的机电融合设计方法[1!

0,建立了柔性杆机构的机电耦合模型和系统传递函数，通过对传递函数零点和极点的分析，推导出系统调整时间与设计参数的关系，然后

以系统调整时间最短为目标函数，以梁的截面尺寸、控制增益和驱动力矩的作用位置为设计变量同时对结构参数和控制参数进行优化设计。

H.Asada,J.-H.Parkni]等不仅对单臂柔性梁截面尺寸进行了优化，而旦对梁沿长度方向的截面变化进行了优化设计，如图1.4所示。

该方法以质量、转动惯量和梁端点的最大变形作为约束，把梁沿长度方向划分为若千单元，用ADINAS序和优化程序结合进行了截面形状的优化设计，进而在形状优化的基础上结合PD反馈控制，以駆动力矩的位置和控制增益为设计变量，以系统调整时间最短为目标函数进行了优化设计》

图1.4柔性梁截面示意图AntonC.Pil和HanddkoH.Asada提出了用回归试验优化方法对机电系统进行机电融合设计[12]，通过测试、性能分析和物理模型改进的循环迭代过程实现了机电参数的最优化设计，并将该方法应用到机器人定位系统中的机械手臂的设计，验证了该方法在机电系统融合设计中的可行性。

其迭代过程如图1.5所示：

畢

3、系统振动控制（vibrationcontrol）

随着现代航天技术和机器人技术的不断发展，对空间机械臂的设计与研究提出了新的要求•一方面是轻型化、柔性化设计，以降低能耗；另一方面又必须考虑由于柔性臂的弹性引起振动影响机械臂的操作精度^因此，柔性

机械臂振动抑制的研究已成为机器人领域的重要课题•Oakley€W,CannonRHJr主要研究解决柔性机械臂的弹性变形而产生的残余振动问题us】，其基本思想是由装在受控对象上的传感器连续检测控制对象的响应（位移、速度、加速度等），将这些响应作为控制器的输入量，控制关节对受控对象施加力和力矩，以满足一定的振动性能指标要求《图1,6是主动减振器的结构和控制的集成优化设计5

图1.6主动减振器的结构和控制的集成优化设计

1.2.2国内的研究现状

国内在结构/控制一体化设计方面也进行了很多研究，主要集中在以下几个方

张宪民提出了弹性连杆机构结构和噪声控制一体化设计，建立了高速机构噪声辐射声学模型，对机构噪声辐射的~般规律进行了研究，并自主开发了柔性结构多功能试验台s研究了柔性机构振动的主、被动控制问题，设计了多种控制器,并进行了比较研究；在机构声辖射控制中，提出了机构结构/控制一体化设计的思想，对基于噪声控制的机构结构参数和控制系统集成设计问题进行了研究

张俊华，张方，朱德懋等介绍了压电结构的结构/控制一体化设计方法us]，对于离散分布、同位配置压电片驱动器和传感器的压电稱合板（图1.7>,首先构造了四节点Kkch-bofe®形板弯单元，从而建立了有限元模型s在此基础上，给出了主动阻尼振动控制模型。

将系统的存储能量指标归结为一个Lyapunov方程的解，以系统的存留能量指标为适应度函数，以驱动器和传感器的位置及控翻I增益为优化参数，利用基于共享函数机制小生境技术的遗传算法进行结构/控制一体化设计。

通过一个悬臂压电耦合板进行了实例分析，研究结果表明，该方法是解决结构/控制一体化设计的一种有效途径，可以得到多个最优解或次优解，

Ku^1t

图ij压电板简图

此外，吕胜利、张宏伟和严天宏等人分别从独立模态空间方法、行波观点和模拫退火算法等角度对压电结构进行了结构/控制的一体化研究

朱灯林，王安鱗等以单臂机械手为对象，研究机电系统的机械/控制并行优化设计，根据单臂机械手的动态特性和控制性能要求，采用极点配置方法构造了基于PD反锁控制的机电融合优化设计模型，通过Pareto遗传算法（PGA）对带约束的机电親合多目标优化问题的并行求解进行了研究此外，他们还以系统的基频和控制能量指标为目标函数，对机械参数和控制参数进行了优化设计

刘刚等提出了飞机防滑系统结构谐振一体化设计思想基于飞机起落架中相应结构的变形与主起落水平纵向“走步”振动的联系，建立了以整个起落架系统为实验对象的防滑系统惯性台试验系统的数学仿真模型。

以该模型为基础，研究了控制器参数对起落架“走步〃现象的影响•仿真结果表明，该设计思想的防滑系统综合控制效果较好。

牟全臣，郑钢铁等1243制定了一体化振动控制软件的设计方案，为使软件具有处理大型结构的能力，将通用有限元分析软件MSC/NASTRAN引入到软件系统中作为结构分析建模的基础模块-并编制了用于软件进一步开发和功能测试的软件原型系统。

谢维等人提出了面向控制的机构结构和质量分配设计，认为受控机构和可控机构能克服传统机构学的弱点，具有更好的机械性能，也具有更重要的工程实际意义。

面向控制的设计能有效地简化控制系统设计。

改善机构构型和对机构构件质量进行优化分配是面向控制的机构设计的主要内容。

已有研究表明，面向控制的设计可以明显地改善机构运动性能，减少振动，提髙机构的准确性和可靠性。

然而，从机构的运动学、动力学和控制设计综合考虑将是一个复杂的、严重非线性的问题。

怎样有效地综合各方面，提高机构的运动性能将是一个有待解决的问题

李旭宇、钟禳等提出基于多学科设计的复杂机电系统并行设计方法针对目前复杂机电系统设计采用各学科分离进行子系统串行设计的现状，在分析机电系统耦合特征的基硇上，从复杂机电系统并行设计的角度出发r分析了座用多擎

科设计方法设计机电系统M可行性，为今后的深入研究打下基《u

邹慧君等提出了凸轮机构与伺服控制系统集成设计的理论概念，归纳出凸轮伺服集成系统的系统设计准则，并应用最优控制理论提出改善从动件运动学特性以及抑制从动系统振动响应的凸轮转速函数设计方法，初步形成了凸轮机构与疴服控制系统韵集成设计理论的基本框架.

综上所述，尽管结构/控制一体化设计方法早在上世纪80-卯年代就开始研究，但是到目前为止还没有形成一个比较完善的设计方法，目前的一体化研究中渉及机电伺服系统的还相当少，而机电伺服系统是典型的机电一体化系统，研究桃电伺服系统的一体化设计有理论和现实意义•

1.3雷达伺服系统的机电耦合分析

雷达伺服系统是典型的机电一体化系统，长期以来，对于像雷达伺服系统这样的机电耦合系统，无论在理论上述是在工程设计中，都被人为地割裂为两部分一机械部分和控制部分，从而严重制约了雷达伺服系统的总体性能。

描述机、电数学方程的变纛是相互耦合，相互影_的，它们是相互作用的系统。

孤立地研究某~方面，都不能从整体上对系统进行把握。

因此，我们必须从耦合的角度搿机电系统进行研究a

雷达伺服系统一般包括机械系统（机构）、控制系统（电子）、驱动系统（电动机}等三个主要部分，如图1.8所示脚：

圈1.8雷达伺服系统基本组成示意國

圈1.8所示的雷达伺服系统的三个子系统的动力学方程统一用状态方程表示,■■描述如下i

机械方程（M方程）；xm*4,^,+及》»癘+丑//

ym^c^+D^*4*«+式y„=Caxa+Daut^Aexc+Bcue

驱动方程（A方程）s

（1-1）

控制方程

yf=Ccxt+Dcue耦合条件：

ye=M„ya=um,ym=ue

式中/为机械系统的外扰输入，《„，Ha,士分别为机械系统、駆动系统、控制系统的输入，XlH，xa,xe为状态变量，夂，&，义为输出，4，4>4为状态矩阵，K，Ba’Bc为控制矩阵，C„，<；,Ce为输出矩阵，/>„,忍，巧为耦合矩阵，A为千扰矩阵•由雷达伺服系统的三个子系统的状态方程可以看出，机械系统的输出是控制系统的输入，控制系统的输出是驱动系统的输入，而驱动系统的输出又是机械系统的输入，可见，雷达伺服系统的三个子系统的状态方程是相互耦合的，由于耦合的存在，使得各子系统状态变量的变化均可能引起其他子系统的状态变量的变化，雷达伺服系统的耦合模型可采用传递函数或状态方程进行描述*然而，机械与电气控制是两个不同的学科领域，客观来说，这种集成的耦合模型的建立和求解都存在困难，因此这种模型只适合结构十分简单的机电系统的描述。

对于复杂的情形，宜采用分布式耦合模型进行描述所谓分布式耦合模型是指对机械、电控系统分别建立各自动力学模型，然后通过在两个模型间传递耦合参数值，实现二者的关联。

雷达伺服系统的分布耦合模型如图1.9所示：

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学方程$方程））

麵统

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图1.9雷达伺服系统分布耦合模型由于雷达伺服系统存在着上面分析的耦合关系，所以本文认为在这一领域，无论是进行理论研究还是进行工程设计都应该将这两部分结合起来综合考虑，遵守“为控制的实现而设计机械结构：

为克脤结构的缺陷而进行控制器设计”的原

本文针对雷达伺服系统的机电耦合特性，应用结构/控制~体化设计方法对某机载雷达俯仰伺服系统进行了一体化设计，仿真结果证明，结构/控制一体化设计方法在雷达伺服系统的设计中是可行的和有效的》

1,4内容安排

本文的内容安排为：

第一韋介绍了现代机电系统对系统性能的要求和机电系统设计方法对系统综合性能的影并对国内外机电系统结构港制一体化设计的研究现状进行了综述，并分析了雷达伺服系统的机电耦合特性。

第二章针对雷达伺服系统多级齿轮传动的特点,建立了单级齿轮啮合单元模型，从单级齿轮啮合单元入手，分析了本文伺服机械传动系统的特点，进而建立了机械传动系统的动力学模型，并对其进行了仿真研究<采用本文的基本单元法可容易地建立多级齿轮传动系统模型。

第三韋介绍了伺服电气控制系统的环路设计思想；在此基_上，以雷达伺服系统上广泛采用的PD3调节对俯仰伺服系统进行了电流环、速度环和位置环的设计，建立了伺服系统的电气控制模型，并对建立的电气控制模型进行了仿真研究。

第四章基于第二章和第三章的内容，建立了本文机载雷达俯仰伺服系统的机.电耦合楔型，并在耦合模型的基础上建立了结构/控制一体化优化模型，并对建立的优化模型进行了一体化设计。

从而为今后的进_步研究作了铺垫，该方法可以作为伺服系统设计的新方法加以利用和开发。

第五章对全文进行总结和展望-

（b）等效模型

團2.1多缀齿轮传动系统

第二章伺服机械系统的建模

对于雷达猶臞系统这样典型的机电耦合系统，传统设计方法将机械部分和控制部分分开设计，从而制约了雷达伺服系统的综合性能。

故本文提出针对雷达俩服系统的结构/控制一体化设计方法，以提高雷达伺服系统的综合性能。

本章主要介绍伺服机械系统的建模，

2,1机械传动模型的建立2.1.1齿轮哺合单元模型

由图2.1所示的雷达伺服机械系统的多级齿轮传动特点，可以看出这样的多级

齿轮传动系统是由一个个单级齿耠咱合单元组合爾成-因此，研究多级齿轮传动系统，可从研究单级齿轮喃合单元入手，进而推及到整个多级齿轮传动系统。

对于图2.1所示的多级齿轮传动系统，当不考虑传动轴、支撑轴承和箱体等的弹性变性时，其单级齿轮咱合单元可以简化处理成为齿轮_的扭转振动模型，本文的单级齿轮啮合单元模型中考虑进去了齿隙的非线性因素》

在齿轮传动机构中，齿轮传动系统的工作极为复杂，不仅载荷工况和动力装置会对系统引入外部激励，而且齿轮副本身的时变啮合刚度和误差也会对系统产生内部激励。

同时出于润滑目的一般也会提供必要的齿隙；此外，由于齿轮传动过程中的磨损，也不可避兔的在齿轮副中造成齿隙，在低速、重载的情况下，用传统的线性动力学模型就可以较好的反映齿轮传动的振动特性：

在高速、轻载的情况下，由于齿隙的存在，齿轮间的接触状态将会发生变化f导致齿轮间接触、滕齿、再接触的啮入喃出冲击，这种由齿隙引发的沖击会带来强烈的振动、噪声和较大的动载荷，影_齿轮的寿命和可靠性因此，在研究系统性籠时应充分考虑齿隙非线性因素的影响

随着控制要求的不断提高和齿隙非线性研究的逐步深入，齿隙非线性模型也经历了不断的扭新和完善。

在实际系统中，齿隙非线性可以存在于传动系统的不同环节：

位于传动齿轮或传动链之间、电机输出端与齿轮箱连接矬等等。

在系统的不同位置，产生齿隙非线性的部件具有不同的特点，相应地，齿隙非线性也虽现出不同的特征9研究中，根据这些特征建立了不同的齿隙非线性模型，其中迟滞模型、死区模型最为广泛

返滞模型的输入是位移，反映了输入和输出的位移关系，它没有考虑阻尼，且假定传动是纯刚性的；苑区模型的输入是相对位移，输出是力矩f反映了系统驱动和从动部分的力矩传递关系，它同时考虑了系统刚性和阻尼的影_•实际系统中，齿藏非线性只与输入和输&的相对位移鉍有关。

因而，死g模型更符合实际情况》故本文的齿隙非线性模型采用死区模型。

圈2.2为含有齿隙非线性的单级齿轮嗤合单元动力学模型》

lf,0t■

图2,2齿轮啮合单元动力学模盤其中，3；,2；分别为