造波机系统运动控制及其网络化技术研究

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1、造波机系统运动控制及其网络化技术研究博士学位论文ｍａｋｅｒｓｙｓｔｅｍ学号：１０９０６０４４完成日期：２０１３．３．１８大连理工大学ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。作者签名：—五斗Ｌ吼雄年｛月

2、卫日学位论文题目：造选狃丕统鋈边控剑区基圆整丝垫苤盟壅大连理工大学博士学位论文摘要随着人类对海洋资源开发的深入，提高对海洋认知程度的要求也愈加迫切，作为海洋科学实验中进行波浪模拟的重要设备——造波机———————————————————————————————————————————————系统，也在研究中扮演着越来越重要的角色。造波机系统是在波浪理论、自动控制、机械工程等多学科交叉基础上发展起来的大型自动化设备，而以自动控制为基本原理的运动控制系统在造波机系统构建中起着核心的关键作用，决定着造波机系统性能的好坏。此外，网络化运动控制系统的出现，给造波机系统研发带来新机遇的

3、同时也使之在技术上面临着新的挑战。本文正是在此背景下以研发高性能网络化造波机系统为目标，对网络化运动控制系统进行了深入研究，具体内容包括：首先，根据实际物理系统建立了造波机系统的运动控制模型，分析了系统负载及转动惯量特性。结合矢量控制和空间矢量脉宽调制技术提出一种基于小波神经网络的自适应ＰＩＤ控制算法，克服了传统ＰＩＤ控制在应用于具有非线性、强耦合、多变量的运动控制系统时遇到的困难，充分利用了小波神经网络良好的函数逼近能力和自适应能力，为解决复杂的非线性、不确定系统的控制问题提供了新思路。为了提高位置伺服系统的跟踪精度，提出基于小波神经网络自适应反推控制策略，该方法同时考虑

4、位置与电流的跟踪性能，在保证系统状态变量全局渐近稳定前提下，获得了良好的动静态效果和鲁棒性。在此基础上，为进一步提高系统的抗扰能力，在设计中加入滑模控制，同时采用新的小波神经网络结构加速系统收敛，得到自适应滑模反推控制策略，仿真结果证明了该策略在跟踪性能和鲁棒性能上都具有优越的特性。其次，对引入网络的造波机运动控制系统进行了分析，并建立了———————————————————————————————————————————————造波机网络化运动控制系统的单轴和多轴模型。针对在模型分析中网络延时给系统带来的问题，提出用小波神经网络对工业以太网络延时进行预测，根据输入的过去时

5、间延迟序列预测输出下一采样时刻的网络延时值。小波神经网络的参数通过训练算法实时更新，以保证预测输出的准确性。经过对实际以太网延时数据样本的预测分析表明该预测模型能够有效估计延时，具有实际的应用价值。对于运动控制系统中存在的时延效应进行了分析，考虑利用Ｓｍｉｔｈ预估器将系统中的纯延时环节移出闭环以保证系统稳定性，为克服Ｓｍｉｔｈ预估器对于模型敏感的缺点，提出一种带扰动补偿的自适应Ｓｍｉｔｈ预测控制策略，利用小波神经网络自适应调整参考模型使之输出特性趋于实际系统，同时利用小波神经网络对影响系统鲁棒性的扰动进行前馈补偿，使系统对扰动不敏感。仿真结果表明提出的控制策略可有效抑制扰动

6、，具有良好的鲁棒性和动静态品质。为满足造波机运动控制系统的多轴同步控制要求，提出了相邻耦合滑模同步控制策略，将跟踪误差和同步误差同时考虑并加以消除，控制器的设计考虑了系统的不确定性，采用滑模控制方法加以抑制，使系统获得了良好的位置伺服和同步控制性能。———————————————————————————————————————————————再次，在ＥｔｈｅｒＣＡＴ标准工业以太网协议基础上搭建了网络化的运动控制系统，完成了从站的网络控制器及ＤＳＰ控制器的软硬件设计。该系统通过主站利用实时工控软件由从站网络控制器与ＤＳＰ控制器通信，ＤＳＰ控制器在完成与网络控制器通信的同时还负

7、责运动控制算法的实现。上位机发送的控制命令经由网络传输至控制器后，控制器根据其内部的模糊ＰＩＤ控制算法生成驱动信号，经差分转换电路传输至驱动器从而控制电机的运动，实现了的网络化运动控制。实验结果表明该网络化运动控制系统性能良好，同时证明了该方案的可行性。最后，通过完成网络化运动控制系统的驱动部分的硬件及运动控制软件的设计，结合之前设计的从站网络控制器及ＤＳＰ控制器，构建了完整的网络化运动控制系统并将其应用于实际的造波机系统。通过一系列测试，包括电机控制性能测试，造波系统的单轴跟踪和多轴同步性能测试，以及实际造波能力