机器人关节摩擦建模与补偿研究

为了降低温度变化导致机器人关节摩擦补偿失效、跟踪精度降低的问题,提出一种考虑温度变化的Stribeck摩擦改进模型。通过非线性最小二乘法建立系统参数辨识模型,利用L-M (Levenberg-Marquardt)法对该模型进行迭代求解,建立温度影响下的非线性Stribeck摩擦模型。为验证模型的有效性,引入基于摩擦模型的前馈补偿方法,设计了机器人关节的轨迹跟踪实验。实验结果表明,改进的Stribeck摩擦模型能够准确地描述不同温度下摩擦的变化规律;与基于常规Stribeck摩擦模型补偿相比较,该模型的应用能进一步提高六轴机器人关节跟踪精度。     

基于区间分析理论的摩擦补偿研究

本文采用新型Stribeck模型和区间辨识方法对伺服系统中的摩擦补偿进行了研究。首先,针对Stribeck摩擦模型存在非线性、控制计算量大和不利于控制器设计等缺点,本文对其进行了线性化,并提出一种线性化的Stribeck模型;然后介绍了区间理论的参数辨识方法,并对方法的有效性进行了仿真验证研究;利用所提出的新模型进行了摩擦实验,结果显示该模型可以辨识出摩擦参数,接着设计了前馈摩擦补偿控制器。最后,分别采用阶跃和正弦输入信号进行实验,结果显示采用所设计摩擦补偿器补偿后,两种信号的稳态精度分别提高了26.8%和83.63%,验证了新模型和方法的有效性。本文提出的新型Stribeck模型易于工程应用,所用区间分析理论适用于参数辨识。     

飞机主动侧杆摩擦补偿研究

针对飞机主动侧杆系统中存在非线性摩擦因素,导致在飞机主动侧杆伺服系统中位置跟踪不精确,侧杆跟随性能下降的现象,在三环控制的基础上研究了Stribeck摩擦补偿方法。对Stribeck摩擦模型开展研究,并通过实验辨识其参数,将摩擦模型引入到飞机主动侧杆伺服系统中设计摩擦补偿方法,通过前馈补偿的方式在三环控制的基础上实现摩擦补偿。通过仿真和实验,对侧杆伺服系统摩擦补偿的可行性进行了验证。实验结果表明,所研究的摩擦补偿方法,提高了系统的稳态跟踪精度,具有较好的动态响应性能。     

精密定位系统的摩擦力建模与补偿

为了提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度,建立了优化Stribeck摩擦模型,对摩擦力这一影响定位精度的主要因素进行补偿。首先,对于传统的Stribeck摩擦模型进行优化,采用改进的最小二乘算法对模型参数进行辨识。然后,对所建立的摩擦模型补偿算法进行仿真并与扰动观测器的补偿算法进行比较,发现前者速度比后者速度在补偿后提高了4.33%,对摩擦力具有更好的补偿效果。最后,在大行程二维精密定位平台上进行验证,根据平台能够达到的最大速度定义0.005 m/s为低速运动,0.05 m/s为高速运动,在这两种速度下进行实验,并与基于库仑摩擦前馈补偿模型比较。实验结果表明：精密定位平台在速度为0.005 m/s的低速运动时,优化模型的跟随误差减小了67.67%;在速度为0.05 m/s的高速运动时,优化模型的跟随误差减小了51.63%,验证了优化Stribeck摩擦模型补偿算法的有效性。本文提出的优化Stribeck摩擦模型可用于提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度。     

数控机床伺服系统摩擦的非线性参数辨识研究

针对常用的Stribeck摩擦指数模型,提出用泰勒高次展开的方法达到非线性摩擦模型的线性化,利用最小二乘拟合的方法得到摩擦模型参数。通过对数控机床控制系统的电动机电流和转速等信号的采集,得到了进给系统中摩擦力矩与转速的对应关系,利用提出的方法进行了辨识实验,实验结果表明,该方法能对Stribeck摩擦模型的参数进行精确的辨识。该方法在工程实际中具有应用价值。     

基于LuGre摩擦模型补偿的动态电液测力建模与实验研究

为提高电液测力系统在动态下测量其负载的精度,采用Lu Gre摩擦模型描述动态测力时摩擦力非线性特征,搭建了基于比例阀压力控制的动态电液测力系统,对其在不同油液压力、速度下的摩擦力进行测量,依据实验数据及动、静态参数辨识模型辨识得到动、静态参数,进一步研究油液压力及移动速度对Lu Gre模型中各个参数的影响,得到关于油液压力及移动速度的Lu Gre摩擦模型,之后对油液推力实时补偿,得到基于Lu Gre摩擦模型补偿的动态电液测力精度。实验结果表明,动态电液测力状态下库仑摩擦力、最大静摩擦力及动态参数随油液压力的增大而变大,粘性摩擦系数和Stribeck速度随油液压力的增大而降低;基于Lu Gre摩擦补偿的动态电液测力系统测量精度可达0.45%。     

高加速度运动系统的非线性摩擦前馈补偿控制

高加速度运动系统中非线性摩擦的建模补偿对提高轨迹跟踪性能至关重要。本文针对传统参数化模型难以准确预估高加速度运动启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦的问题,在传统模型结构的基础上,结合扩展Stribeck模型,提出一种扩展参数化模型,模型参数的训练和学习样本源于高精度迭代学习控制获取的有限轨迹下非线性摩擦前馈补偿数据,并采用Levenberg-Marquardt算法拟合模型参数。最后,在音圈电机驱动的高加速定位平台上针对不同运动轨迹进行了实验验证。结果表明,该方法能够克服传统参数化模型难以消除高加速度启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦对轨迹跟踪精度的影响;且与迭代学习控制的轨迹跟踪精度接近,有效避免了迭代学习泛化性差等问题,可实现工作空间下任意轨迹的摩擦补偿。     

新型摩擦模型的参数辨识及补偿实验研究

针对影响运动控制性能的非线性摩控因素,对一种新型摩擦模型的参数辨识及其基于摩控模型的补偿进行了实验研究,详细地给出了摩控模型参数的辨识步骤及补偿算法,实验结果表明,此辨识方案及补偿算法可以应用于工业的高精度运动控制中。     

伺服系统转矩纹波的补偿研究

为降低伺服系统稳态误差的波动,并为摩擦模型的精确辨识创造条件,提出基于稳态误差分析的转矩纹波的辨识和补偿方法.确立伺服系统的稳态误差与其输入信号、干扰信号的关系.以此为基础研究匀速运动时稳态误差的组成,获得由转矩纹波和摩擦力矩等系统扰动引起的稳态误差,并利用频谱分析、最小二乘等方法确定转矩纹波的函数形式.通过可编程多轴控制器(Programmable multi-axis controller,PMAC)实现转矩纹波的补偿.经补偿,伺服系统稳态误差的波动不同程度减小,低速时效果明显,峰峰值由补偿前的10 μm减小到3.3 μm,高速时补偿后的峰峰值也降低为3.2 μm,而且可以获得明显的Stribeck曲线.该方法能很好地实现转矩纹波的补偿,为精确补偿摩擦扰动、提高伺服系统动态性能奠定基础.     

挖掘臂的液压缸摩擦模型辨识与分析

挖掘臂的液压缸摩擦力使系统动态特性恶化,对其进行有效的摩擦补偿是提高控制性能的关键。为获得液压缸的精确摩擦模型,建立了铲斗关节动力学方程,方程中分别采用了库仑摩擦、库仑+黏性摩擦及Stribeck摩擦模型。针对系统中存在的有色噪声,采用了改进的递推最小二乘法辨识未知参数。将辨识的三种摩擦模型进行对比分析表明,Stribeck摩擦模型精度最高,能很好地预测液压缸驱动力。其中,Stribeck摩擦模型的辨识误差比库仑+黏性摩擦及库仑摩擦分别减少约8%与18%。     

半主动升沉补偿系统的非线性建模与仿真

为验证液压缸非线性力对半主动升沉补偿系统的影响,设计了一种半主动升沉补偿系统的非线性模型,并提出了提高系统补偿效率的方法。首先建立液压缸受到的非线性摩擦力和非线性弹簧力的仿真模型,然后将非线性力的影响加入到被动和半主动升沉补偿仿真模型中,最后提出了增大液压缸和蓄能器之间的油管直径的方法以提高半主动升沉系统补偿效率。仿真结果表明:在峰值为6 m,周期为10 s的规则正弦波浪作为船舶升沉位移输入时,非线性摩擦力会使被动和半主动升沉补偿系统的补偿效率降低,而非线性弹簧力对系统的影响较小,可以忽略不计。提出的方法能有效提高半主动升沉补偿系统补偿效率。     

天车升沉补偿试验系统设计及仿真研究

为了检验海洋浮式钻井天车升沉补偿装置的工作性能,根据相似理论设计了升沉补偿试验系统,主要包括升沉模拟系统、负载模拟系统和升沉补偿系统。利用ADAMS和AMESim软件建立系统的联合仿真模型,得到蓄能器初始体积、充气压力和补偿缸作用面积对系统性能的影响规律,以及升沉补偿率和系统能耗之间的对应关系。仿真结果表明：系统可以实现平台升沉模拟、钻井负载模拟和升沉补偿等试验功能;工作平稳,具有良好的动态特性,补偿效果较好。     

船用起重机主动升沉补偿系统时延的实时控制研究

针对基于液压驱动的主动升沉补偿系统在工作过程中所存在的非线性以及系统时滞等使系统稳定控制难度加大的问题,进行了基于广义预测控制的控制系统算法的设计;在系统控制稳定的基础上,引入极短期预报技术,解决了控制系统实时补偿输出总是滞后于起重母船升沉运动的问题,实现了主动升沉补偿系统对实时补偿功能的要求;最后在MATLAB/Simulink软件平台上,对采取广义预测控制+极短期预报相结合的主动升沉补偿系统时延实时控制方案进行了仿真试验,验证了该控制算法的有效性,为今后产品样机的研发提供理论依据。     

沉船同步提升升沉补偿试验平台设计及联合仿真

以“畅通轮”尾端打捞为例,提出了沉船同步提升液压升沉补偿试验平台的结构,搭建了模拟沉船同步提升升沉补偿试验平台;针对其中的二自由度升沉补偿平台,对其进行了运动学反解,搭建了基于运动学控制的Simulink模型;结合阀控缸伺服控制系统实现了二自由度平台对波浪运动的模拟,并搭建了整个运动控制及升沉补偿控制系统的模型;通过ADAMS与MATLAB的联合仿真,验证了该二自由度平台升沉补偿控制系统的运动控制能力和动态响应能力,并对比补偿前后的升沉平台位移,证明了该系统良好的补偿特性。     

浮式钻井平台天车升沉补偿系统联合仿真研究

天车升沉补偿系统在浮式海洋钻井平台得到了广泛应用。为分析天车升沉补偿系统不同工作方式下的补偿效果,对其主要系统参数进行设计。利用AMESim仿真平台和ADMAS软件搭建了联合仿真模型,完成被动补偿方式及3种不同反馈信号（位移、速度和加速度）下半主动补偿方式的补偿效果仿真实验,以及气液转换器与被动补偿缸之间管线长度对补偿效果的影响分析。仿真结果表明：半主动补偿方式下速度反馈补偿效果最佳,加速度反馈稍差,位移反馈最次,但都远高于被动补偿方式;气液转换器与被动补偿缸之间管线越短补偿效果越高。     

基于阀控非对称伺服缸的半主动升沉补偿研究

深海有缆水下机器人在恶劣海况下作业时,常配备相应的升沉补偿系统以提高水下机器人释放和回收作业的安全性。重点研究了基于阀控非对称伺服缸的半主动升沉补偿方式,介绍了与实际系统相似的半主动升沉补偿模型系统,并阐述了系统的功能组成和工作原理。考虑了弹性负载的影响,建立了由伺服放大器、阀控非对称缸和弹簧负载模型等构成的电液位置伺服系统的传递函数模型。在此基础上,根据阀控非对称缸的输入电压与活塞输出速度之间的非线性关系,设计了分段前馈控制器,以提高系统的动态响应性能。最后进行了半主动升沉补偿性能试验,结果证明了所研究的半主动升沉补偿方式的有效性。     

深海采矿升沉补偿系统非线性仿真模型的建立和试验

利用Simulink软件和功率键合图建立了深海采矿主动型升沉补偿系统的仿真模型，该系统保留了非线性因素、无需编程、具有图形化的用户界面、物理意义强、仿真参数的修改和仿真结果的观察处理方便等优点。升沉补偿模拟系统的仿真结果和试验结果具有较高的一致性，表明该系统的非线性仿真模型是准确的。它为升沉补偿系统动静态特性的全面研究提供了一种新手段。