基于LuGre摩擦模型前馈补偿的模糊PID控制系统设计

牙科CT在拍摄X光片时,牙科CT转台需要低速运转。在低速运转时摩擦带来的非线性最严重,为解决非线性摩擦,提出将摩擦模型前馈补偿与模糊PID结合实现对转台的控制。摩擦模型选用LuGre,并对摩擦模型参数离线辨识,确定出牙科CT转台的摩擦模型,在Simulink软件中分别对摩擦模型和模糊PID控制器进行封装建模,搭建了基于LuGre摩擦模型前馈补偿的模糊PID控制系统。通过仿真验证了采用该控制系统避免了位置跟踪平顶、速度跟踪过零时出现‘死区’等缺陷,并且跟踪误差很小、响应快,稳态稳定。通过实验验证了采用摩擦模型前馈补偿的模糊PID控制系统定位精度高,证明该控制系统的设计能很好地解决低速运转时摩擦带来的非线性问题。     

谐波减速器的非线性摩擦建模及补偿

针对带有谐波减速器的双框架控制力矩陀螺框架伺服系统中的非线性摩擦问题,提出了非线性摩擦建模及补偿方法.首先,根据框架伺服系统数学模型导出摩擦力矩与角加速度和电机电流的关系;然后,通过光电码盘测得的角位置计算角速率并设计估计器来估计电机端和负载端的角加速度,利用采样电流和估计的角加速度计算摩擦力矩,建立库伦+粘滞+Str...     

高加速度运动和精确定位臂的振动主动控制

刚／柔耦合结构的高加速度运动和精确定位一直是航空航天机构、精密设备和机器人等高尖端技术领域的关键功能要求。文中以微电子和半导体制造领域中的高速精准运动臂为研究对象,首先回顾相关的结构动力学研究成果,从而对系统动力学特性进行系统总结;在此基础上,重点对振动主动控制方法进行分析和讨论。最后结合实际工程背景,提出目前尚需解决的关键问题以及相应的解决问题的新思路,从而为进一步的研究进展或突破提供可能。     

空间机械臂关节非线性摩擦建模及补偿

针对空间机械臂关节存在的非线性摩擦问题,提出了一种非线性摩擦建模及补偿方法。首先,根据建立的机械臂关节动力学方程推导出非线性摩擦与电机电流、角加速度的关系;然后,通过测得的机械臂关节角度信号,设计了Kalman-牛顿预测器来估计负载端的角加速度,并利用估计的角加速度和采样电流值计算出摩擦力矩,建立机械臂关节的指数摩擦模型;最后,基于该模型设计了前馈补偿控制器,用于对机械臂关节的非线性摩擦进行补偿。通过机械臂关节驱动实验验证了此方法的可行性。     

大型液压机驱动系统摩擦补偿控制

为提高大型液压机驱动系统控制精度,提出了基于改进型Lu Gre摩擦模型的补偿控制方法。建立了液压机驱动系统的动力学模型,通过改进型Lu Gre模型来描述液压机的综合摩擦特性。分别设计了PID控制器、2自由度PID控制器以及模糊自适应控制器,通过仿真实验验证了补偿方案的有效性,并对比分析了3种补偿控制方案的效果。仿真结果表明:采用模糊自适应补偿控制方案效果最优,2自由度PID补偿控制方案次之,常规PID补偿效果最差。当以正弦运动作为驱动系统的输入信号时,采用模糊控制补偿方案的速度跟踪均方误差(Mean Square Error,MSE)能从PID补偿方案的5.771×10-3减小至5.903×10-4。采用模糊自适应补偿方案能有效地抑制摩擦对液压机驱动系统低速性能的不利影响,可显著提高其动态跟踪性能。     

基于预滑—动态摩擦力矩估计模型的自适应前馈补偿方法

根据数控交流伺服工作台进给系统从静止到宏观运动的过渡时间,和零速度时刻的指令加速度大小呈反比关系,区分摩擦力矩的预滑动区和滑动区,由此提出基于力矩值估计的摩擦补偿方法;在设定指令加速度后,基于命令力矩值的摩擦力矩模型,不需要测量速度就可以补偿工作台进给系统中的摩擦。同时,考虑到参数的不确定性,设计非线性摩擦自适应控制方案,对其稳定性进行理论证明。在交流伺服工作台进给系统上对基于摩擦力矩值估计的自适应前馈补偿方法进行验证。试验结果表明,基于预滑—动态摩擦力矩估计模型的自适应前馈补偿方法能实现在不同指令加速度下对期望轨迹的跟踪,并能大大提高系统的跟踪精度。     

基于神经网络的机械手摩擦补偿方法控制研究

论文提出了一种利用扩展两层神经网络和模糊整定PD控制相结合,对机械手伺服系统进行控制器设计的自适应跟踪控制设计方法,利用扩展两层神经网络的精确逼近特性来逼近机械手伺服系统中的未知动态摩擦。利用Lyapunov理论证明引入的一鲁棒控制律保证了机械手闭环系统的稳定性,仿真结果验证了基于扩展两层神经网络控制方法的有效性。     

加速度滞后补偿提高光电跟踪系统跟踪精度的方法

在速度滞后补偿的基础上,提出了一种加速度滞后补偿提高光电跟踪系统跟踪快速运动目标精度的方法,并将其应用于提高电视跟踪稳态精度中。结合电视跟踪器补偿技术,在保证最大跟踪误差不大于3′的条件下,将目前光电经纬仪电视跟踪系统跟踪最大角速度30°/s和最大角加速度12°/s2能力,提高到跟踪最大角速度50°/s、最大角加速度30°/s2。仿真和实验结果表明,该方法简单实用,可以在速度滞后补偿提高跟踪精度的基础上,大大提高系统跟踪快速运动目标跟踪精度的能力。在实际工程应用中,所述方法取得显著效果。     

基于有限项频率特性序列模型的前馈跟踪控制

为了改善跟踪控制精度 ,针对被控对象精确模型不易于辨识的情况 ,根据有限个特征频率处的频响特性试验数据 ,提出了一种近似模型 :有限项频率特性序列模型 ,并在此基础上提出了频域幅相调整控制算法。仿真结果表明 ,在不需要预知被控对象精确模型的情况下 ,对无急剧尖角变化的参考输入轨迹 ,该方法可以实现高精度跟踪控制。     

叠堆式压电陶瓷驱动器的复合控制

提出了逆Bouc-Wen前馈控制与反馈控制相结合的复合控制算法,用于改善压电陶瓷驱动器对目标轨迹的跟踪性能。建立了压电陶瓷驱动器的Bouc-Wen迟滞动力学模型,并用粒子群算法(PSO)对该模型的参数进行识别。基于Bouc-Wen迟滞模型,提出了逆Bouc-Wen前馈补偿控制。最后,为消除迟滞模型的不确定性,引入比例积分(PI)反馈控制,并与前馈补偿控制构成复合控制算法。建立了基于dSPACE实时系统的压电陶瓷驱动实验平台,迟滞实验结果表明:压电陶瓷的迟滞误差量几乎为0,线性度高达96.5%;目标轨迹跟踪实验结果表明:复合控制算法的最大跟踪误差为0.180 5μm,均方根(RMS-Root mean square)跟踪误差为0.055 4μm,跟踪精度达到了10-8 m。相比于开环控制、前馈控制及PI反馈控制,提出的复合控制算法能够基本消除压电陶瓷的迟滞非线性,同时具有很好的轨迹跟踪性能。     

加速度的扰动补偿在控制系统中的应用

为了提高直流力矩电机速度控制系统的伺服性能,使精密光电稳定平台具有更好的动态性能和更强的抗干扰能力,提出了一种基于加速度信号的扰动补偿控制方法。该方法建立了标称控制器,并利用加速度信号构造扰动观测器, 快速、精确地补偿外界扰动及由模型误差造成的影响,从而提高系统的响应速度及抗扰动能力。实验结果表明,该控制方法显著地改善了电机控制系统的动态性能,使电机响应迅速而且没有超调;对于阶跃型外界扰动,系统的速度仅出现了宽度仅0.1 s的脉冲型波动,且幅度比PID控制至少减小50%。此外,控制系统对于电机模型的不确定性具有鲁棒性。本文所述控制方法容易实现,适于工程应用。     

Modeling and control compensation of nonlinear friction using adaptive fuzzy systems

System performance in terms of control accuracy and stability is usually negatively affected by friction occurrences in mechanical systems. Thus, it is important to model the friction properly so that it can be used in controller design. This paper employs adaptive fuzzy systems to approximate unknown nonlinear friction functions, and applies the estimation of friction in proportional-derivative (PD) control law to enhance the control performance. On the basis of Lyapunov stability theory, a bound of tracking errors of the closed-loop control system is derived. Techniques proposed in this paper have been applied to a typical motion control system for simulation studies. The results obtained demonstrate that our proposed method in this paper has good potential in controlling many mechanical systems with unknown nonlinear friction.     

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。     

前馈式多轴CNC系统跟随误差补偿控制模块的设计

采用不变性原理构建前馈补偿控制系统的理论结构模型,并进行系统幅值误差的分析。建立零件空间线性轮廓误差的数学模型,并由此确定前馈补偿量的算法。设计了以单片机为核心的前馈补偿控制模块的硬件原理电路和补偿数据处理程序的软件结构。通过仿真实验,验证了控制模块的补偿功能。结果表明,该设计能够有效地消除计算机数控(CNC)系统的相位滞后和幅值误差,提高普通数控系统对零件轮廓的加工精度。     

Nonlinear friction compensation in mechatronic servo systems

Friction, especially its nonlinear component, may degrade the tracking performance of robots. Based on Kang’s method, a novel compensation method for nonlinear friction is presented in this paper, which modified Southward’s traditional compensation method for nonlinear friction. The stability of the systems which adopt the novel compensation method is proved with Layapunov’s stability theorem, and is enhanced further. Having estimated the nonlinear friction model using an identification method, the effect caused by its nonlinear component can be compensated, and enhanced tracking performance is verified under the SCARA robot experimental platform using Windows NT and VenturCom’s real-time extension module (RTX) environment.     

Adaptive robust motion trajectory tracking control of pneumatic cylinders with LuGre model-based friction compensation

Friction compensation is particularly important for motion trajectory tracking control of pneumatic cylinders at low speed movement. However, most of the existing model-based friction compensation schemes use simple classical models, which are not enough to address applications with high-accuracy position requirements. Furthermore, the friction force in the cylinder is time-varying, and there exist rather severe unmodelled dynamics and unknown disturbances in the pneumatic system. To deal with these problems effectively, an adaptive robust controller with LuGre model-based dynamic friction compensation is constructed. The proposed controller employs on-line recursive least squares estimation（RLSE） to reduce the extent of parametric uncertainties, and utilizes the sliding mode control method to attenuate the effects of parameter estimation errors, unmodelled dynamics and disturbances. In addition, in order to realize LuGre model-based friction compensation, the modified dual-observer structure for estimating immeasurable friction internal state is developed. Therefore, a prescribed motion tracking transient performance and final tracking accuracy can be guaranteed. Since the system model uncertainties are unmatched, the recursive backstepping design technology is applied. In order to solve the conflicts between the sliding mode control design and the adaptive control design, the projection mapping is used to condition the RLSE algorithm so that the parameter estimates are kept within a known bounded convex set. Finally, the proposed controller is tested for tracking sinusoidal trajectories and smooth square trajectory under different loads and sudden disturbance. The testing results demonstrate that the achievable performance of the proposed controller is excellent and is much better than most other studies in literature. Especially when a 0.5 Hz sinusoidal trajectory is tracked, the maximum tracking error is 0.96 mm and the average tracking error is 0.45 mm. This paper constructs an adaptive robust controller     

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。     

两栖六足仿生机器人的水陆运动控制研究

两栖六足机器人不仅需应对崎岖地形对陆地爬行提出的挑战,还要解决机器人在水下灵活运动的控制问题。因此,本文首先提出了基于深度强化学习的崎岖地形运动控制方法。通过MuJoCo为机器人执行爬行任务构建交互环境,并采用近端策略优化(PPO)算法训练智能体使其获取适应于不同崎岖程度地形的控制策略。仿真数据表明,陆地控制策略可使机器人在平坦、轻度崎岖、重度崎岖3类地形上快速、稳定地完成前进任务。针对水下运动控制问题,本文通过分析机器人动力学模型将其分解为：采用视线法与PID控制器解决平面轨迹跟踪和深度控制问题。水下实验表明,机器人可在平面快速跟踪Sigmoid曲线且轨迹偏差不超过0.11 m。深度控制实验中,机器人可平稳到达指定深度且控制精度在0.02 m以内。