一类刚性负载双轴伺服系统的非线性观测器控制设计策略

提出了一种基于非线性观测器的命令滤波自适应反步控制(OCFABC)方法,以解决具有LuGre摩擦模型的双轴伺服系统中的位置跟踪和速度同步问题。观测器用于系统摩擦补偿。命令滤波器作用于虚拟控制信号,解决反步法中的计算爆炸问题,建立误差补偿方程,提高跟踪精度。此外,还设计了速度同步信号,以达到更好的系统同步效果。利用Lyapunov理论分析了闭环系统的稳定性。最后,通过仿真和试验结果证明了所设计方法的有效性和优越性。     

基于速度观测器的GMS摩擦模型辨识与补偿

摩擦是伺服系统在低速运动时精度降低的主要非线性因素之一。采用基于模型的摩擦补偿可以有效地预测摩擦力,并实现误差补偿,因此利用可全面描述系统摩擦力的GMS摩擦模型预测伺服系统的摩擦力。为提高此模型参数的辨识精度,设计了全维速度观测器提供反馈速度信息,克服低速时速度测量误差带来的影响;并基于此观测器,给出了GMS摩擦模型的参数辨识的实验方法。为验证所提出的摩擦补偿及辨识方法的有效性,在一新型的空间大型末端执行器的拖动系统进行了拖动实验。实验结果表明,通过此摩擦模型补偿,可使拖动系统的位置跟踪精度优于0.02 mm,与具有固定参数的Stribeck摩擦模型相比,位置跟踪精度提高超过30%。     

基于摩擦补偿的伺服转台自抗扰控制策略研究

摩擦非线性扰动是影响伺服跟踪系统控制性能的主要因素之一。为提高转台伺服系统的跟踪性能,提出了一种基于Elastoplastic摩擦模型的改进自抗扰控制方法。首先,建立了转台伺服系统的状态空间模型;其次,采用Elastoplastic摩擦模型描述系统中的非线性摩擦扰动,并用遗传算法辨识了模型参数;最后,基于辨识获得的Elastoplastic摩擦模型,将位置误差和速度误差作为不同的参数分别应用到扩张状态观测器,设计了一种改进型自抗扰控制器。未引入摩擦补偿时的速度跟踪误差平均值约为0.0024 rad/s,而加入补偿后的速度跟踪误差平均值减少为0.00147 rad/s。仿真和实验结果表明,本文提出的控制方案能够提高转台伺服系统的跟踪性能,验证了所提出控制方法的有效性和鲁棒性。     

基于 GMS 摩擦力补偿和干扰观测器的高精度速度控制

为了降低机械轴系摩擦力扰动对于伺服控制器在低速运动控制精度的影响,进一步提高传统伺服控制器对于稳定平 台的控制能力,提出了一种基于广义 Maxwell 滑动(generalized Maxwell-slip,GMS) 摩擦力模型前馈和干扰观测器的高精度 摩擦力补偿方案。首先在传统控制基础上引入GMS 摩擦模型前馈补偿对摩擦扰动进行初步的补偿;然后,通过加入干扰观 测器,对残余扰动及其他扰动进行第2次的抑制。利用实物平台对控制方法的低速运动性能进行了测试,对比设计的控制算 法和传统 PI 控制器的控制结果,验证提出的控制策略抑制摩擦扰动的效果。结果表明,基于 GMS 摩擦力前馈和干扰观测器 的控制方案有效的补偿了摩擦非线性、模型不确定性等因素对于控制系统的影响。新方法可将稳定平台低速运动时的控制 误差降低到0.015°/s, 在实际工程中具有较高的应用价值。     

机电伺服系统非线性摩擦自适应补偿的研究

非线性摩擦是影响机电伺服系统控制性能的主要因素,尤其是在低速、速度换向等情况下,它往往会造成系统的跟踪误差、极限环等不良反应。在分析摩擦形成机理与特性的基础上,介绍了LuGre摩擦模型,通过李雅普诺夫稳定性分析方法,设计了基于LuGre模型的非线性摩擦自适应补偿算法,在线辨识出摩擦模型参数,构造一个双闭环状态观测器来估计摩擦状态变量,降低了由于非线性摩擦给机电伺服系统带来的不良影响。仿真和实验结果证明了所提方法的有效性。     

改进LuGre模型的挖掘机器人摩擦补偿控制

非线性摩擦会降低挖掘机器人电液伺服系统的动静态性能,引起轨迹爬行、平峰和稳态误差等现象。经典LuGre摩擦模型仅与速度有关,内部鬃毛状态变量无法准确测量,无法全面描述复杂的挖掘机器人电液伺服系统摩擦特性。本文综合考虑电液伺服系统位置、速度和方向等信息,设计了一种改进的LuGre摩擦模型,同时引入速度阈值解决了弹性鬃毛平均变形状态观测器不稳定问题。其次,为了解决传统优化算法陷入局部最优解、收敛速度慢等问题,通过引入惯性权重、异步变化和精英突变操作改进基本粒子群优化算法,以精准快速辨识出改进LuGre摩擦模型中的6个未知参数。最后,结合辨识出的摩擦模型,基于结构不变性原理设计前馈摩擦补偿控制器,并在23吨挖掘机器人进行了正弦和三角波不同工况下的轨迹跟踪实验。实验结果表明,传统的比例积分微分控制器跟踪误差最大,三角轨迹最大跟踪误差达到了29.68 mm,基于改进LuGre模型设计的前馈摩擦补偿控制器仅为9.70 mm,误差减小了67.31%,基于改进LuGre模型设计的前馈摩擦补偿控制器可以有效提升挖掘机器人的轨迹跟踪精度。     

基于摩擦补偿的直流伺服系统变增益自抗扰控制器

针对摩擦非线性影响直流伺服系统控制性能的问题,提出了一种基于LuGre模型的变增益自抗扰控制(VGADRC)方法。建立了含LuGre模型的直流伺服系统微分方程模型。基于该模型设计摩擦补偿与自抗扰控制(ADRC)相结合的复合控制器。该控制器在不增大观测器增益的前提下,利用LuGre模型前馈补偿系统中的摩擦非线性,同时减小量测噪声对系统的影响。此外,为抑制传统线性扩张状态观测器(LESO)初始时刻引起的峰值问题,采用三阶变增益线性扩张状态观测器(VGLESO)对系统中的总扰动进行估计。最后仿真结果表明,采用所提控制方案能有效提高系统的低速跟踪性能和动态性能。     

伺服系统的摩擦补偿

为了补偿摩擦的影响,提出了一个有效的基于观测器的补偿方案。摩擦会引起跟踪误差、自振荡以及滞-滑现象。摩擦的补偿离不了摩擦模型,对流行的LuGre模型和钳位型摩擦模型进行了对比分析。指出摩擦是一种自然现象,不可能用从速度v到摩擦力F的简单的单方向的信号流关系来完全描述。从这个意义上来说,LuGre模型并不是真正的摩擦模型,因此基于LuGre模型的观测器补偿方案并不是总能奏效的。提出基于扰动观测器的补偿方案,并进行了分析。因为带摩擦的系统的典型特性是滞-滑爬行和滞-滑自振荡,所以摩擦补偿的效果也就应该从这些非线性特性上来进行考察。分析表明,这种基于扰动观测器的补偿对自振荡有很强的抑制作用,并可消除低速下的爬行现象。     

基于切换系统理论的伺服转台摩擦建模与补偿

为了降低非线性摩擦因素对伺服转台的影响,提高系统的跟踪性能,本文提出了一种基于切换理论的伺服转台摩擦建模和补偿方法。该模型用LuGre摩擦模型和Stribeck摩擦模型分别表征在启动阶段和平稳运行工况下转台内部的摩擦特性。首先采用遗传算法分别辨识模型动静态参数,然后以转台速度和刚鬃形变的程度作为切换条件,基于切换系统理论获得的摩擦模型,最后在原有PID控制的基础上结合摩擦补偿,实现基于切换摩擦模型的复合控制。未加入补偿时的动态跟踪误差平均值约为0.01425 rad/s,而加上补偿之后速度跟踪误差平均值降低为0.00192 rad/s,对补偿前后的跟踪数据进行残差分析的结果也证明了该模型的有效性。实验结果表明该切换摩擦模型能直观、精确地描述伺服转台的摩擦特性,基于该摩擦模型的反馈补偿能减小系统的跟踪误差,提高系统的跟踪性能。     

高速高精度直流伺服运动控制器的设计

为满足数控伺服系统高速高精度的加工要求,提高数控雕刻机的性价比,提出了一种以TMS320C2812为控制核心、以L6203为功率驱动模块,以永磁直流伺服电机为控制对象的二维直流伺服实时运动控制系统.控制器采用先进的四模块结构,即摩擦补偿模块、速度环干扰观测器模块、位移环反馈控制模块和采用零相位误差跟踪控制技术的前馈控制器模块,有效提高了系统的跟踪精度和加工速度.实验结果证明该系统运行稳定、跟踪精度高、加工速度快,有望在数控加工行业中得到广泛应用.     

基于LuGre摩擦模型与自抗扰技术的调速伺服系统复合控制策略

为了提高调速伺服系统的跟踪性能,提出了一种基于LuGre模型的调速伺服系统自抗扰控制策略。利用LuGre摩擦模型对摩擦扰动进行辨识,并对其进行前馈补偿,在速度环和电流环分别加入一阶自抗扰控制器,对剩余扰动进行实时估计并补偿。ADRC弥补了摩擦模型的非绝对完美的问题,LuGre模型也缓解了ADRC的计算压力,互为补充,提高了性能。仿真结果表明：所提控制策略响应速度快、调节时间短、超调低,提高了系统的控制速度和精度。     

基于扰动观测器的交流伺服系统低速爬行滤波反步控制方法

交流伺服系统运行速度低于某一临界值时,位置会交替出现停滞、滑动,并伴随速度脉动的低速爬行现象。针对交流伺服系统非线性特点,采用反步法设计位置环控制器和速度环控制器,由于在极低速下伺服系统受摩擦力矩、负载扰动以及参数摄动等干扰的影响较大,因此在反步控制的基础上引入扰动观测器,实时观测扰动量并前馈补偿,进一步提高系统的动态性能和抗干扰能力。同时加入滤波环节避免常规反步控制中对虚拟控制量解析求导的繁琐过程以及计算膨胀问题。实验结果表明,基于扰动观测器的交流伺服系统低速爬行滤波反步控制方法具有更好的鲁棒性,在满足系统性能指标的同时,有效地削弱低速爬行对伺服电动机低速运行性能的不利影响。     

基于修正LuGre模型的反步自适应摩擦补偿控制

LuGre模型是一种常用的对伺服系统进行动态摩擦建模和补偿的模型。基于一种改进的LuGre模型,建立了伺服系统模型;利用反步自适应控制算法得到系统控制律,并构造Lyapunov函数证明了系统的稳定性;将控制结果方面与传统的前馈PID固定摩擦补偿算法进行比较。仿真结果表明该方法能有效降低摩擦因素的不利影响,且比传统的控制算法具有更高的跟踪精度。     

永磁同步伺服系统摩擦力和扰动补偿方法研究

伺服系统在低速运动时其控制精度极易受到摩擦力等扰动影响。通过对滚珠丝杠平台中摩擦力和扰动的分析,提出了一种基于LuGre摩擦力模型和降阶扩张状态观测器(RESO)的扰动补偿方法。首先利用曲线拟合和遗传算法辨识出系统LuGre摩擦力模型的参数,利用辨识出参数的摩擦力模型实现对系统中摩擦力的补偿;其次通过RESO实现对摩擦力的过补偿和欠补偿以及系统中其他集总扰动的观测补偿。试验结果表明该方法不仅可以提高摩擦力补偿的效果,同时还能对系统扰动进行抑制,有效提高了系统的跟踪精度。     

基于ZPETC的雕刻机直流伺服控制系统设计

为了提高雕刻机的跟踪性能和定位精度,首先在其直流伺服控制系统设计中引入了零相位误差跟踪控制器(ZPETC),然后通过模型辨识、非线性摩擦补偿及干扰观测器的设计来克服ZPETC存在的对系统建模误差和参数变化敏感的缺点.在上述研究的基础上,采用TMS320F2812型DSP设计了集ZPETC、PD控制器及干扰观测器一体的直流伺服控制系统.实验结果表明:为雕刻机所设计的直流伺服控制系统不仅有鲁棒性强和抗干扰能力强的特点,而且有良好的定位精度和跟踪性能.     

水面稳定平台干扰补偿技术研究

为补偿水面稳定平台系统所受外界干扰,在经典扰动观测器的反馈通道新增补偿控制环节,改进了传统扰动观测器结构,在控制器设计时引入速度规划算法。论证了引入改进型扰动观测器的控制系统具有内部稳定性和鲁棒稳定性。为验证扰动观测器的扰动补偿效果,建立基于改进型扰动观测器的稳定平台系统伺服控制模型,并引入经典Lu Gre摩擦模型模拟稳定平台运动过程中的摩擦力矩干扰。数值仿真实验及稳定平台实物实验表明,相比使用传统PI控制和经典扰动观测器控制,改进型扰动观测器补偿摩擦干扰的同时,提高了抑制高频测量噪声的能力,控制器引入速度规划算法能明显抑制系统定位抖动,提升了系统伺服控制性能。     

激光切割永磁直线伺服系统的反演滑模控制

针对用于激光切割的永磁直线伺服系统,采用反演滑模控制策略对系统进行分块处理,为提高系统精度,增强系统的鲁棒性和降低抖振,分别对位置环和电流环独立设计滑模控制器。考虑运动伺服系统在低速时存在的摩擦和扰动,在位置控制器的设计中,采用非线性双观测器方法对不可测Lu Gre模型的摩擦状态及参数进行估计,提出自适应指数趋近律滑模控制方法对摩擦力和扰动进行前馈补偿。电流控制器采用无抖振终端滑模控制方法设计。利用Lyapunvo函数证明了所设计的方法具有全局有限时间收敛特性并能够保证系统全局稳定。最后,在激光切割永磁直线伺服实验台上,应用三闭环PID方法和该文所提方法对位置和速度跟踪性能进行对比实验,实验结果表明,该文所提方法可有效提高激光切割直线伺服系统的控制性能。     

双电机驱动系统提高低速跟踪控制策略的研究

在伺服系统中,常常会出现低速＂爬行＂现象,严重影响了伺服系统的静态精度和动态跟踪性能,甚至会影响到系统的稳定性。本文提出了一种基于模型的自适应控制律来消除摩擦力矩对低速跟踪性能的影响,大大提高了伺服的低速跟踪性能。     

高精确度飞行仿真转台内框控制摩擦补偿研究

为了实现高精确度飞行仿真转台直流力矩电机驱动内框的低速伺服目标,提出了在输入前馈和闭环PID控制的复合控制基础上构建Stribeck摩擦模型的等效控制电压模型进行摩擦超前补偿策略.首先针对转台内框伺服特性分析设计了复合控制策略;其次针对常规基于Stribeck模型摩擦补偿方法的不足和实验法辨识模型参数难的特点,提出利用转台内框本身的部件直接测定摩擦超前补偿的控制电压模型,并给出了3个关键参数的测定办法;最后将设计好的控制器用于内框低速伺服.实验结果表明,系统响应幅值为0.03°,频率为0.000 5 Hz三角波时跟踪误差在95%时间内在0.000 1°内,并对其他形式信号也有很高的动态跟踪精确度,从而证明在以非线性摩擦为主的扰动条件下所设计的控制策略能实现内框高品质低速伺服.     

航空机电作动伺服系统复合控制策略研究

针对航空机电作动伺服系统中存在的外界负载扰动、内部未建模动态和参数时变等会严重影响伺服精度的问题，提出了线性扩张状态观测器和全局滑模控制相结合的复合控制策略。建立机电作动伺服系统的非线性状态空间模型，并将建模误差及未建模动态视为未知干扰。通过构建线性扩张状态观测器，实时估计系统扰动，以在设计全局滑模控制律时对其补偿，降低控制律中的不连续项增益，削弱控制量抖振带来的影响。应用Lyapunov方法证明闭环控制系统渐近稳定。理论分析和实验结果表明所提控制方法能有效提高系统的位置伺服精度和抗干扰性能。