分数阶控制器在伺服系统中的应用研究-控制科学与工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 Classified Index: TP273 U.D.C: 681.5 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON THE APPLICATION OF FRACTIONAL ORDER CONTROLLER IN SERVO SYSTEM Candidate： Lv Zuohan Supervisor： Wang Xinsheng Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Control Science and Engineering Affiliation： School of Information and Electrical Engineering Date of Defence： July, 2014 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 分数阶微积分是建立在传统整数阶微积分之上的微积分形式，是对整数阶微 积分的延伸和扩展，使微积分推广到了无限维空间。近年来，分数阶控制器以良 好的控制效果和优秀的鲁棒性等优点越来越多的出现在了控制领域的应用研究 中，本文主要探讨分数阶控制器在包含摩擦特性的伺服系统中的应用。 本文首先针对在超低速情况下伺服系统的复杂的非线性摩擦力特性进行分 析。伺服系统是常见的控制系统，但是伺服系统在超低速运行时的摩擦力特性会 发生重大改变，传统的摩擦力模型不再能满足需要。本文提出了一种可以满足伺 服系统在超低速情况下滞滑特性的摩擦力模型，不仅结构简单而且数学意义清 晰，同时可以体现伺服系统在超低速情况下运行时的复杂的摩擦力特性。 其次，研究了伺服系统中分数阶控制器的设计问题，设计了基于频域指标和 H∞指标的两种分数阶控制器。同时依据 ITAE 工程指标，设计了传统的整数阶控 制器，对比说明了分数阶控制器的优势。 然后，应用描述函数法对分数阶控制器优于传统整数阶控制器的原因进行了 理论分析，针对超低速情况下的伺服系统提出了一种新的非线性部分和线性部分 的分解方案。 最后，通过仿真对比了带有分数阶控制器和传统的整数阶控制器的伺服系统 在常规速度和超低速情况下的跟踪曲线，验证了在伺服系统的控制问题中，分数 阶控制器比传统整数阶控制器在快速性、超调量以及鲁棒性上的优势。 关键词：伺服系统；超低速；分数阶控制器；H∞性能指标；描述函数 - I - 哈尔滨工业大学工学硕士论文 哈尔滨工业大学工学硕士论文 Abstract Fractional order calculus based on the integer order calculus is the extension of integer order calculus. It makes calculus no longer have the limitation of finite dimensional space. In recent years, fractional controller is more and more pop ular in control area because of its good control performance and robustness. This paper is mainly about the application of fractional order controller in servo system with frictional characteristic. This paper first analyses the complicated friction characteristic of ultra-low speed tracking servo system. Servo system is the most common control system, but when it comes to the condition of ultra-low speed, the friction of servo system becomes very complicated. Thus, the traditional friction model can not m eet the requirement of servo system with ultra-low speed. Then, a refined friction mod