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%。     

Parametrization and adaptive compensation of friction forces

This paper considers adaptive controls of systems containing non-smooth non-linear friction forces. The idea is to divide the unknown friction force into two parts so that it can be parametrized by a model linear in parameters. Then linear adaptive techniques apply. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

一种自适应摩擦补偿方法研究

首先针对非线性摩擦对伺服系统建模的影响问题,通过适当的实验设计,得到了一组标称非线性摩擦模型以及系统模型参数。在此基础上,考虑到运行条件以及环境的变化,综合了基于模型参考自适应控制的摩擦补偿控制器。最后,对上述方法进行仿真研究,结果表明,利用该控制器提高了系统的控制性能。     

基于观测器的伺服系统低速摩擦补偿分析

针对两种不同的非线性摩擦观测器,推导了基于无刷直流电动机非线性模型的零速度时间隔△Ｔ解析表达式,通过仿真证实,利用基于库仑摩擦模型的摩擦观测器可以有效地改善系统的低速控制性能。     

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。     

An electronic throttle control strategy including compensation of friction and limp-home effects

An electronic throttle is a low-power dc servo drive which positions the throttle plate. Its application in modern automotive engines leads to improvements in vehicle drivability, fuel economy, and emissions. Transmission friction and the return spring limp-home nonlinearity significantly affect the electronic throttle performance. The influence of these effects is analyzed by means of computer simulations, experiments, and analytical calculations. A dynamic friction model is developed in order to adequately capture the experimentally observed characteristics of the presliding-displacement and breakaway effects. The linear part of electronic throttle process model is also analyzed and experimentally identified. A nonlinear control strategy is proposed, consisting of a proportional-integral-derivative (PID) controller and a feedback compensator for friction and limp-home effects. The PID controller parameters are analytically optimized according to the damping optimum criterion. The proposed control strategy is verified by computer simulations and experiments.     

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。     

基于扰动观测和补偿的PMSM伺服系统位置跟踪控制

针对存在参数摄动和外部扰动力矩的PMSM伺服系统位置跟踪控制问题,提出一种基于扰动观测和补偿的滑模控制方法。采用扰动观测器估计系统参数摄动以及负载力矩,并在此基础上对等效扰动进行补偿,减小了模型不确定性对系统控制性能影响,系统的位置跟踪误差由0.85 rad减小到0.35 rad;在保证系统稳定性的前提下,去除了常规滑模控制中的不连续控制项,有效地减小了抖振。实验结果表明,与工程上常用的PID算法相比,基于扰动观测和补偿的滑模控制算法不仅能够显著提高PMSM伺服系统的位置跟踪精度,而且能有效地削弱抖振。     

基于摩擦前馈的航空相机像移补偿复合控制

为减小位角控制系统中电机的摩擦非线性特性对航空相机位角控制系统像移补偿控制效果的影响,研究基于摩擦前馈的复合控制方法,实现对摩擦干扰的有效抑制。首先,分析并选用了简化的带有摩擦扰动环节的系统数学模型,选择LuGre摩擦模型描述为摩擦行为。然后,通过参数辨识的方法获得擦模型参数,在系统力矩综合点处根据力矩平衡原理设计摩擦前馈补偿通道的调节器。最后,应用该方法设计了带有摩擦前馈补偿的航空相机像移补偿复合控制器。实验结果表明:与先进PID方法进行比较,该方法改善了摩擦非线性对系统动态响应过程和速度平稳性的影响,稳态调整时间提高了34%,稳态精度提高了24%左右。     

基于补偿二乘法的VSG惯性辨识问题及解决方法

虚拟同步发电机(VSG)的惯性是微网逆变器的重要参数,现有文献在对VSG惯性参数辨识过程中,为避免算法在递推过程中不收敛,需对输出数据进行滤波预处理。然而实验发现,输出滤波器截止频率会影响递推算法的最终辨识结果。针对上述问题,文章首先分析了滤波方式影响辨识结果的机理,然后提出对输入和输出数据等效滤波之后再进行递推运算的辨识策略,最后通过实验和仿真验证了理论分析的正确性及所提方法的有效性。     

Real‐time compensation for positioning performance using on‐line parameter identification and initial value compensation

Variations and/or uncertainties in environments of mechatronic systems, such as electrical/mechanical parameter changes and nonlinear components, generally deteriorate the motion control performance. In our research, the fast and precise position settling performance for parameter variations in positioning devices can be improved by techniques of an on‐line parameter identification and an initial value compensation. The proposed technique allows the positioning systems to be adaptive and robust for unknown parameter variations. The effectiveness of the approach has been verified by numerical simulations and experiments using a prototype. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 171(2): 40–49, 2010; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20926     

GMDH‐based autonomous modeling and compensation for nonlinear friction in a table drive system

This paper presents a novel mathematical model‐based compensation algorithm for the nonlinear friction in table drive systems using Group Method of Data Handling (GMDH). In the proposed compensation, the nonlinear friction can be autonomously modeled as a polynomial expression of appropriate control state variables according to the process of GMDH and, as a result, the complicated structural modeling and its parameterization, indispensable in conventional model‐based strategies, can be completely eliminated. In addition, since the proposed GMDH‐based model can easily achieve the generalization ability for table drive condition, the robust compensation for friction can be attained against the change of drive conditions. The proposed algorithm has been verified by experiments using a table drive system of actual machine tools and proved the significant performance improvement in the trajectory control with velocity reversal motion. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 136(3): 58–66, 2001     

基于神经网络辨识的模糊预测函数控制

针对生产过程中存在的滞后性、时变性、不确定性和变工况等特点及预测函数控制中模型失配的影响的情况,提出了基于神经网络辨识参数、通过模糊推理对控制量进行补偿的解决方案。并将基于神经网络辨识的模糊补偿预测函数控制应用于锅炉燃烧控制系统,通过连续系统仿真,结果表明这种控制器具有较强的鲁棒性。     

碳纤维环氧织物复合材料受力位置识别方法

由于高速列车在运行过程中,车下设备舱底板由于受到不同程度异物撞击,使得复合材料性能下降影响列车运行安全,所以寻求一种可靠、准确的方法检测损伤位置显得尤为重要。由于复合材料受力变化会引起相关结构参数及模态特性变化,现拟用一种模态分析方法预测复合材料的受力位置,对模态参数（固有频率及相对振幅比）与受力位置之间的关系进行研究。通过模态分析软件m+p SO Analyzer建立复合材料对应的平面模型,对复合材料的振动特性进行测试分析,建立不同位置受力时,复合材料的固有频率及相对振幅比等高线图;进一步,通过固有频率确定受力位置到复合材料中心的距离;最后,结合相对振幅比确定复合材料的受力位置。结果表明,基于固有频率及振幅变化可以成功预测碳纤维环氧树脂复合材料试件的受力位置,并可以将误差控制在5%的范围内。     

基于多元线性回归法的相控开关操作时间的补偿与预测

开关操作时间的稳定是相控开关实现选相操作的前提,实际开关操作时间受各种因素的影响,具有较大的分散性,很难直接满足选相操作的要求.对影响开关操作时间分散性的各种因素,包括操作电压和温度等环境因素以及闲置时间、操作次数和老化磨损等操作历史因素进行了分析,讨论了目前常用的开关操作时间补偿与预测方法的特点,在此基础上提出了一种基于多元线性回归法的开关操作时间的补偿与预测方法,该方法通过建立多因素时间序列模型,同时实现了对环境因素和操作历史等多种影响因素的补偿,测试结果表明该算法预测值误差小于0.2%,对应的时间偏差小于0.1 ms,完全能满足开关选相操作的要求,验证了算法的有效性.     

考虑补偿环路谷值电流控制Boost变换器的稳定性分析

在闭环情况下,除了占空比影响谷值电流(VCM)控制开关变换器的稳定性,补偿环路反馈增益和输出电容等效串联电阻(ESR)也对其稳定性产生影响。本文以比例积分(PI)补偿VCM控制Boost变换器为例,建立了其二阶分段线性模型。基于该模型,本文通过分岔图研究了PI补偿VCM控制Boost变换器随反馈增益和输出电容ESR变化的稳定性机理。结果表明,增大反馈增益将降低变换器的稳定性,而增大输出电容ESR将提高变换器的稳定性。电路仿真结果和硬件实验结果验证了理论分析的正确性。     

电气化铁路的磁阀式可控电抗器动态无功补偿系统

阐述用磁阀式可控电抗器调节电气化铁路系统的无功功率，主要需要解决非线性电路的无功功率的测量和快速调节，保证功率因数保持在0．9以上。本文介绍利用直流电流控制铁芯的磁饱和度来达到平滑调节目的的磁阀式可控电抗器为补偿元件，晶闸管为执行元件，用以80C196KC为核心的单片机进行控制，保证了补偿的快速性、合理性。     

混合动态无功补偿装置及其应用研究

为解决交流电弧炉给电网中其他用户所带来的电能质量问题,尤其是电压波动和闪变,提出了由一套大容量SVC、小容量STATCOM和串联电抗组成的混合无功补偿装置,其中SVC负责跟踪补偿负载无功功率变化以提高功率因数、改善三相不平衡,STATCOM利用其快的响应速度去补偿SVC由于响应慢而导致的补偿误差,从而提高了整个补偿系统的响应时间。两者通过专家规则进行解耦控制,串联电抗用于缓解电压闪变蔓延。将该系统投入实际运行,对比分析了系统投入前后的电能质量指标,证明其补偿效果可以等效于单独使用等容量的STATCOM,具有工程实用性。     

配网无功补偿及补偿效益分析

根据我国实际配网情况，阐述了低压配网电容无功补偿在改善电能质量、降损节能，提高供电设备的供电能力及减少用户电费支出的作用和意义，并对无功补偿效益进行了分析。