基于反步积分的齿轮传动稳定平台补偿控制技术研究

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1、硕士学位论文基于反步积分的齿轮传动稳定平台补偿控制技术研究作者姓名：孙文指导教师:陈兴龙副研究员中国科学院光电技术研究所学位类别:工学硕士学科专业:检测技术与自动化装置培养单位:中国科学院光电技术研究所二零一六年三月AResearchonCompensationMethodforGearDriveStableSystemBasingonBacksteppingTheoryBySunWenADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpar

2、tialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofScienceInstituteofOpticsandElectronics,ChineseAcademyofSciencesMarch,2016致谢在毕业论文即将完结的时刻，不禁感到肩上的担子暂时轻了不少。回顾过去的研究生生涯，觉得自己经历了学业上的彷徨、求索、钻研和收获，生活上也朝着更成熟的自己一步步迈进。正如古诗所说，“书山有路勤为径，学海无涯苦作舟”。由于在研究所读研，地处偏僻的荒郊，所以在力争抛却追逐

3、繁华的心绪；虽然略显清苦，但是内心渐渐沉浸到学业之中。对比着三年前和现在的自己，我对于专业知识，尤其是控制和计算机领域，在深度和广度上都有长足的进步；当然，更重要的是个人对于架构自己的知识体系、完成工程实践和实现团队协作有更深的切身体会。正如牛顿所说，在学习中有所心得，那是“站在巨人的肩膀之上”。首先，衷心感谢陈兴龙老师。我个人有些愚笨，陈老师在选课、搜集资料、开题、发文章、实验和写毕业论文等中谆谆教导，敦促用功。想起研一期间督促多学多看控制和电机方面的书籍，现在看来，可谓是用心良苦。项目出差期间，我还有些拘束，陈

4、老师关怀有加，让我放松戒心，渐渐得心应手。没有老师的提携，我不可能踏实走到现在。为人师表，大概就是这样吧。其次，衷心感谢研究室的博士师兄师姐王洪举、蔡华祥、李宏伟、杨发盛、李力行和苏艳蕊，能够和你们身处同处一个学习环境下，能够向你们请教，真是我的荣幸。真心感谢同一届的陈玉林、郭港、周书芃、许晓亮、殷娣娣、左丹、苏娜娜和张晶，在学习和找工作期间，有你们陪伴，我少走不少弯路。感谢同宿舍的周维成、张冬、陈玉林和李素钧，学习之外生活之中能够插科打诨轻松度过，少不了你们。谢谢严灵杰、罗勇、余家威、易彬、王改霞和刘妍妍等师弟师

5、妹，有了你们，实验室的氛围轻松活跃多了。感谢员工师兄李志俊、凌宇和景旭旭。初次接手项目时，李志俊师兄耐心并坚持给我解释整个工程代码，凌宇和景旭旭师兄在调试和出差期间帮了大忙。没有你们，我都不知道还要在项目上多花多少时间。最后郑重感谢我的家人，无论什么时候你们都温心一片，我能够坚持克服重重困难，都有你们的关怀在支撑着。孙文2016年3月I摘要光电稳定平台是一类运用在动态环境中的惯性稳定系统。随着工程应用对于空间和体积的限制日趋严格，光电稳定平台对执行机构的需求逐步从直驱式力矩电机向微型齿轮传动电机转变。微型电机速度大

6、，体积小，并且鲁棒性好。但是，由于安装误差和长时间使用等原因，齿轮传动系统不可避免出现磨损，导致诸如齿隙问题。齿隙问题，比如换向跳变和机械噪音，在换向或者减速情况下，对于控制效果的影响非常明显。对于精度需求较大的系统，无法容忍出现系统不可控的情况，所以本文主要针对齿隙期间传动系统的快速性和稳定性的研究。论文首先介绍了非线性齿隙问题研究的背景和现状，并且引出本文使用的反步积分算法的起源、发展、研究现状和发展趋势。接着介绍惯性稳定系统的多种模型。研究发现，齿隙非线性存在多种模型。本文首先针对这些模型的原理进行比较分析，

7、包括死区模型、齿隙模型和振冲模型，比较几种模型之间的优劣，进而说明为什么选择死区模型作为研究目标。接着，开始介绍本文采用的反步积分控制算法的基本原理。从反步积分控制算法的稳定性判据开始。依靠该判据，逐步推导反步积分控制器的几个控制律。完成反步积分控制器的构造之后，即可得到包括外在齿轮系统的整个系统的控制结构模型。然后，依照该模型，可以构造仿真模型。仿真模型并没有采用传统的simulink方法，而是设计函数文件。另外，仿真过程中发现，没有优化的控制器得到的是发散的输出响应曲线，即系统存在不稳定因素。为了找到该不稳定因

8、素，需要对控制律进行幅值和相位分析。通过比较，可以发现在某一条控制律中，存在有极大值项。该项的产生与系统的固有参数和控制参数相关。给该项增加一个权值因子之后，可以发现，系统开始表现稳定。对多个影响稳定性条件的因素依次对比实验之后，得到算法的仿真控制规律。为了验证该控制规律，验证过程在稳定控制平台下进行。通过设计控制算法，并对仿真规律进行交叉实践，比较中可以发