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开放式伺服系统的摩擦建模与补偿研究

向红标

  在伺服运动控制系统中,由于非线性摩擦环节的存在,系统的动静态性能受到很大影响。随着科技的不断发展,对伺服系统性能要求越来越高,而摩擦环节严重制约了伺服系统的发展,因此摩擦补偿技术已成为高性能伺服控制系统的关键技术,对该技术的研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景。本文针对伺服运动控制系统中的摩擦环节,采用理论建模、仿真分析和实验研究相结合的方法,从LuGre摩擦模型的辨识、修正和控制策略的设计方面进行了深入研究。 首先,建立了开放式伺服系统各组成部分的数学模型,在此基础上建立了基于Simulink伺服系统仿真平台。基于该仿真平台对LuGre摩擦模型的动态特性进行了深入研究,分析了Stribeck模型与LuGre模型的区别与内在联系。此外,还通过该仿真平台完成了对摩擦参数的辨识方法和摩擦补偿方法的可行性和有效性验证。 其次,完成了LuGre摩擦模型的参数辨识与模型的修正。对伺服系统进行了转矩纹波补偿,消除了转矩纹波对辨识摩擦参数产生的不利影响;基于稳态误差反推摩擦力矩的方法,通过多组匀速运动的实验提取速度与摩擦力矩的对应关系,实现了对LuGre模型静态摩擦参数的精确辨识;提出了一种基于简化摩擦模型的转动惯量的辨识方法,完成对转动惯量的精确辨识,进而为LuGre摩擦模型动态参数的辨识提供条件;利用遗传算法实现了对LuGre摩擦模型动态参数的精确辨识;提出了一种LuGre摩擦模型的修正方法,解决了粘性摩擦系数在实际应用中存在的问题,修正后的摩擦模型能更完全、精确地反映伺服系统的摩擦特性,具有更高的实用价值。 最后,对摩擦补偿的控制策略进行了研究。根据LuGre修正摩擦模型的参数辨识结果,提出了采用转矩纹波补偿+速度加速度前馈补偿+LuGre修正模型的摩擦前馈补偿的控制方法,改善了伺服系统的跟踪性能。考虑到摩擦模型参数会随外界环境变化而改变,本文还提出了一种基于Backstepping设计的自适应摩擦补偿方法,保证了闭环系统的渐近稳定性,并能有效地克服非线性摩擦的影响,提高了伺服控制系统的跟踪精度。……   
[关键词]:开放式伺服系统;摩擦模型;转矩纹波;参数辨识;转动惯量;摩擦补偿
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:天津大学2010年