复杂工况下双轴齿轮传动的全地域发射平台高性能响应智能复合控制方法研究

This proposal intends to take an biaxial gear transmission based whole-regional launching platform as an object and then research on an intelligent compound control method for high-performance mechatronic transmission system under complex working conditions, combining intelligent control theory and advanced nonlinear control theory to provide a new idea for high-performance control of electromechanical transmission systems. The specific idea is as follows: establish a mathematic model that could properly describe the dynamic behavior of the whole-regional launching platform including the biaxial coupling property and backlash nonlinearity, based on which design the integrated intelligent composite control strategy, fusing the parametric adaption strategy and model uncertainty approximation strategy, in order to overcome the defects of the traditional control strategy which tends to decrease its performance and even become instable in the face of parameter uncertainties coexisting with external disturbance. Detecting the system’s persistent excitation conditions online, estimate the parameters with the model based parameter adaption control strategy to reduce the parametric uncertainty, at the same time approximate and compensate the rest model uncertainty with neural network, in order to improve the system’s comprehensive control performance. Taking the linear combination of the system’s tracking error and the weight estimation error as a driving signal for parametric adaption and model uncertainty approximation, design a new kind of parametric adaption and weight adaption strategy. Analyze the backlash transmission property and design a new type of backlash nonlinear compensation strategy based on improved backlash dead-zone model using parameter and state estimation method, effectively eliminating the adverse effects of backlash nonlinearity. We hope to improve the poor performance of the electromechanical transmission system in the face of parameter uncertainties coexisting with external disturbances and promote the industrial application of the intelligent compound control method through this project.

结合智能控制与先进非线性控制理论，以双轴齿轮传动的全地域发射平台为背景，研究机电传动系统复杂工况下高性能响应的智能复合控制方法。具体为：建立包含双轴耦合特性与齿隙非线性的系统数学模型；针对强参数不确定与强外部扰动共存的复杂工况设计融合参数自适应与模型不确定性逼近的一体化智能复合控制策略：在线检测系统持续激励条件，利用基于模型的参数自适应控制策略估计系统参数以降低参数不确定性；采用神经网络逼近其余模型不确定性并加以补偿，以提高系统综合控制性能；以系统跟踪误差和神经网络权值估计误差的线性组合作为驱动信号，设计新型参数自适应和神经网络权值自适应策略；分析齿隙传动特性，改进齿隙死区模型，结合参数与状态估计方法设计新型齿隙非线性补偿策略，有效消除齿隙非线性的不利影响。通过本项目的研究希望可以解决机电传动系统同时面对参数不确定与外部扰动时性能低下的问题，并推动智能复合控制方法在工程技术领域的实用化。

双轴齿轮传动的全地域发射平台，由执行电机、机械传动机构、负载、传感器和控制器组成，是一套典型的由电机驱动，齿轮传动的双轴机电传动系统，同时也是一个多变量、强耦合的非线性系统。其主要用于瞄准既定目标发射动能载荷，达到打击目标的目的，在军事领域有着广泛的应用，如用于防空反导，打击入侵目标等。要提高全地域发射平台瞄准目标的快速性及准确性面临如下挑战：（1）在发射动能载荷时，会产生强大的燃气流冲击力，对系统造成瞬时的强烈外部扰动；（2）动能载荷发射过程中，系统转动惯量、不平衡力矩等重要参数也发生显著改变，给系统的高性能控制带来较大的影响；（3）发射平台方位回转机构和俯仰回转机构转动时，由于陀螺效应会对另外的回转机构产生陀螺力矩即干扰力矩；（4）齿轮传动的全地域发射平台存在着齿隙，影响系统的伺服性能。.为解决以上问题，本项目提出了一种基于模型的参数自适应与基于神经网络的模型不确定性逼近相融合的控制理念，在适当建立系统数学模型的基础上，创造性地利用系统跟踪误差和神经网络权值估计误差的线性组合作为参数估计与模型不确定性逼近的驱动信号，融合参数自适应与神经网络自学习等技术手段，设计了合理有效的一体化控制策略，全面提升了系统综合控制性能，包括系统运行的稳定性、对扰动的鲁棒性及跟踪精度。开展了基于改进的齿隙死区模型的齿隙非线性补偿策略研究，以防止齿隙带来的极限环振荡现象，提高了系统稳定性。仿真和实验结果表明本项目提出的基于模型的参数自适应与基于神经网络的模型不确定性逼近的一体化智能复合控制器可以将全地域发射平台的控制精度提高一个数量级。本项目深入探索了智能控制技术与基于模型的非线性控制策略的最优融合方法，形成了一套基于智能复合控制的机电传动系统控制器设计方法、理论体系和评价指标，对于提高全地域发射平台这一类机电传动系统的动态性能与稳定性具有极其重要的理论意义和实际应用价值。