精密实验平台的非线性摩擦建模与补偿

非线性摩擦是影响高精度机械伺服系统动静态性能的主要因素之一。针对精密实验平台随行程位置不同表现出不同的摩擦特性,提出了一种基于LuGre模型的改进型摩擦建模方法,以速度和行程位置信号作为模型的输入变量,并用遗传算法对该模型的动静态参数进行辨识。基于改进型摩擦模型,分别通过精密实验运动平台及其相应的伺服仿真平台进行了摩擦现象和摩擦前馈补偿的实验和仿真。实验结果表明,摩擦补偿后的跟踪误差值约为补偿前的1/3,系统的静差也由原来1.4μm减小到0.4μm,与仿真平台摩擦补偿前后的现象基本一致。该改进型LuGre摩擦模型能直观、精确地描述实验平台的摩擦特性,基于该摩擦模型的前馈补偿减小了系统的跟踪误差,提高了系统的定位精度。     

基于修正黏性摩擦LuGre模型的比例多路阀摩擦补偿

为减小摩擦对比例多路阀性能的影响,提出基于修正黏性摩擦LuGre模型的比例多路阀摩擦特性分析、模型参数辨识以及摩擦补偿方法。通过实验测试间接得出摩擦数据,运用数据拟合方法辨识出修正黏性摩擦LuGre模型的静态和动态参数。基于辨识参数设计出修正黏性摩擦LuGre模型摩擦状态观测器,将观测器摩擦信号输出量反馈到控制模型输入端,减小摩擦对比例多路阀性能的不良影响。仿真结果表明,基于辨识参数的修正黏性摩擦LuGre模型摩擦补偿方法可提高比例多路阀的位置跟踪精度。     

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。     

基于Byrnes-Isidori标准型的集成式电子液压制动系统液压力控制*

面向汽车制动系统需求,提出一种新型线控制动系统——集成式电子液压制动系统(Integrated-electro-hydraulic brake system, I-EHB),由电动机、滚珠丝杠副、次级主缸、踏板模拟器、踏板位移传感器和液压力传感器等部件组成。I-EHB液压力控制中系统存在摩擦等非线性因素的影响,造成时滞效应,控制精度低。针对该问题,将系统模型简化,采用Byrnes-Isidori标准型方法对系统进行分析,针对性地设计合理有效的控制算法对系统进行液压力控制,采用基于前馈-反馈控制和摩擦补偿的液压力控制算法。搭建试验平台,进行硬件在环台架试验,分别在不同幅值目标阶跃工况、不同频率的三角波和正弦工况以及梯形阶跃增减压工况下进行试验研究,以验证该控制算法在各种工况下的适应性。试验结果表明,采用该方法后系统响应速度快、控制精度高,系统性能得到明显改善。     

基于全闭环控制技术的滚珠丝杆伺服系统研究

针对滚珠丝杆全闭环伺服系统中的非线性因素影响动态精度的问题,设计了一种混合控制策略。首先,针对系统中的摩擦因素,采用了基于LuGre模型的前馈摩擦补偿;然后,为提高摩擦参数辨识精度,提出了一种改进的混沌粒子群算法,该算法将粒子群的收敛过程分成3个阶段,分别采用大惯性权重、变惯性权重与混沌寻优、小惯性权重的搜索方式,逐步提升收敛精度,避免陷入局部最优解;最后,针对系统中的间隙因素,设计了基于反向运动监测的速度补偿策略,提升了有间隙系统反向运动的动态特性。研究结果表明:相比于常规粒子群算法,改进的混沌粒子群算法使参数辨识的绝对误差平均下降42.6%;基于给定实验平台下的实验结果表明:采用LuGre摩擦补偿和反向速度补偿的混合控制策略可以缩短速度跟随误差50%以上,减少了系统反向运动时的位置误差,提升了整体位置跟踪精度,满足了数控系统的动态特性要求。     

液压转台动态摩擦的自适应鲁棒补偿研究

复杂的动态非线性摩擦力矩是影响液压转台低速性能的关键因素.为提高液压转台的低速性能,通过分析液压转台单框动态摩擦力矩特性,建立转台摩擦的LuGre模型基础上,提出用一种自适应鲁棒控制补偿液压转台动态摩擦.构造两个非线性观测器对液压转台LuGre摩擦状态进行精确估计,不连续投影映射方法提高参数自适应和摩擦状态估计的稳定性,鲁棒反馈项削弱估计误差和未确定非线性以确保控制系统的鲁棒性能.对液压转台外框的试验结果证明了该方法的正确性和优越性.     

基于改进Dahl模型的自适应摩擦补偿研究

针对在伺服控制系统中普遍存在的摩擦现象所引起的低速爬行、跟踪误差、极限环振荡等问题,首先对伺服系统中常用的Dahl摩擦模型和LuGre摩擦模型进行了分析比较,介绍了一种改进的Dahl模型,该模型改善了摩擦环节的稳定性,并能描述滞-滑现象;然后基于Lyapunov稳定性分析的方法,设计了基于改进的Dahl模型的自适应摩擦补偿算法;最后对带有摩擦的伺服系统进行了自适应摩擦力矩补偿和PD控制补偿的仿真和实验。仿真和实验结果表明:改进的Dahl摩擦自适应补偿比PD控制补偿能更好地抑制伺服系统低速时摩擦所带来的干扰和影响,提高了定向、定位精度和系统稳定性。     

基于迭代学习算法的电液比例伺服控制

为解决电液比例控制系统的非线性、时变性、变流量死区及变流量增益等对系统位置控制精度的影响,提高电液比例控制系统的控制精度,针对系统的非线性特性,设计不严格依赖于系统精确数学模型且有较强抗干扰能力的迭代学习算法,同时针对系统的变死区特性,设计能够基于误差和误差变化率在线调整死区补偿量的模糊死区补偿算法。迭代学习算法和模糊死区补偿算法的综合使用是根据当前的控制经验灵活调整控制量,从而有效地改善由于系统非线性及时变性所带来的影响。试验结果表明,不加入模糊死区补偿时,系统位置跟踪存在明显的滞后,最大位移跟踪误差达到6 mm,而同时采用迭代学习算法和模糊死区补偿算法极大的提高系统的控制性能,系统达到稳定跟踪后,最大位移跟随误差在1 mm以内。     

考虑非线性特性的电控助力制动系统多闭环压力控制策略

针对电控助力制动系统(Electro-booster brake system, Ebooster)主动制动时面临的液压系统时变特性扰动、传动机构动静态摩擦阻碍以及底层伺服电机电磁特性耦合等诸多非线性难题,提出一种考虑非线性特性的压力—位置—电流多闭环压力控制策略。分析Ebooster主动制动工作原理并建立面向控制器设计的等效简化模型;基于自抗扰理论设计压力环控制器,补偿了液压系统时变特性扰动;采用鲁棒滑模变结构设计位置环控制器,考虑传动机构动静态摩擦阻碍和系统未建模扰动;通过李雅普诺夫稳定性理论设计电流环控制器,解决永磁同步电机双轴电流耦合问题。基于d SPCAE设备搭建了硬件在环台架进行算法测试验证。结果表明,提出的多闭环压力控制策略能够控制Ebooster实现主动制动功能,压力跟随的稳态误差在0.2 MPa之内,同时在多种压力跟随工况下表现出良好的控制效果。研究成果为机-电-液耦合的线控制动系统进行制动压力控制时面临的多种非线性扰动问题,提供了一种良好的解决思路。     

电动舵机伺服系统非线性辨识及补偿

为提高电动舵机伺服系统的跟踪精度,提出了辨识、测试它的摩擦和间隙非线性及对其进行补偿的方法.针对位置和速度双闭环控制的电动舵机伺服系统,建立了基于LuGre摩擦和迟滞间隙的数学模型;依据模型采用前馈补偿方法对系统中的摩擦进行补偿,同时采用逆模型方法对系统中的间隙进行补偿控制.实验显示,对于幅值为1°,频率为2.5Hz的给定正弦信号,补偿后系统的最大位置跟踪误差由原来的0.166°减小到了0.096°,最大速度跟踪误差由原来的2.723 r/min减小到了0.393 r/min.结果表明,本文提出的辨识测试方法能够精确地获得摩擦和间隙模型,基于该模型的补偿能够有效地提高电动舵机伺服系统的跟踪精度.     

基于死区补偿的电液位置伺服系统自抗扰控制

针对电液位置伺服控制系统的比例阀死区、参数不确定及外部未知扰动等问题,设计了由自抗扰控制器与死区逆补偿构成的串联控制器。首先基于实验辨识构造死区逆模型对死区进行预补偿,然后根据系统特性设计了一阶自抗扰控制器,构造改进的扩张状态观测器对“总扰动”进行实时估计,并通过非线性控制律给予主动补偿。联合仿真与试验结果表明,所提出的串联控制器有效地补偿了比例阀死区,提高了系统动态性能和位置跟踪精度。     

Fuzzy MRAC controller design for vane-type air motor systems

Air motors are widely used in the automation industry due to special requirements, such as spark-prohibited environments, the mining industry, chemical manufacturing plants, and so on. The purpose of this paper is to analyze the behavior of a vane-type air motor and to design a model reference adaptive control (MRAC) with a fuzzy friction compensation controller. It has been noted that the rotational speed of the air motor is closely related to the compressed air’s pressure and flow rate, and due to the compressibility of air and the friction in the mechanism, the overall system is actually nonlinear with dead-zone behavior. The performance of the previous controllers implemented on an air motor system demonstrated a large overshoot, slow response and significant fluctuation errors around the setting points. It is important to eliminate the dead-zone to improve the control performance. By considering the effects of the dead-zone behavior, we have developed an MRAC with fuzzy friction compensation controller to overcome the effect of the dead-zone. The following experimental results are given to validate the proposed speed control strategy.     

二次调节主动升沉补偿实验平台的摩擦辨识与补偿控制

以二次调节主动升沉补偿实验平台为研究对象,针对系统中存在的非线性摩擦转矩,提出摩擦辨识及补偿方案。首先,选用Stribeck模型描述系统摩擦,建立了包含非线性摩擦转矩的平台数学模型;其次,根据平台特点设计摩擦辨识策略,使用最小二乘算法辨识得到未知系统参数,在此基础上拟合Stribeck曲线获取摩擦模型参数;然后,通过摩擦前馈和非线性PID实现摩擦补偿控制,提高升沉补偿精度;最终,实验验证了所提方案的有效性。     

基于递归小脑神经网络模型控制的空间机器人关节抗死区及摩擦控制

探讨了存在关节力矩输出死区、摩擦与外部干扰的载体位姿均不受控的漂浮基空间机器人系统的动力学控制问题。设计了一种递归小脑模型关节控制器（CMAC）神经网络与死区估计补偿器,使两关节铰能够跟踪期望运动轨迹。该控制器利用摩擦双观测器估计不可测的内部摩擦状态,利用死区预补偿器消除关节力矩输出死区的影响;应用递归小脑神经网络模型逼近了包含摩擦误差及外部干扰的动力学方程不确定项。仿真结果表明了该控制方法的有效性。     

基于自抗扰控制的转台伺服系统摩擦非线性补偿仿真研究

为克服非线性摩擦在转台伺服系统低速运行时对控制性能的影响,设计一种线性自抗扰控制器.该控制器采用线性扩张状态观测器及线性反馈,将摩擦作为系统总扰动进行实时估计,并加以补偿.基于Lugre摩擦模型建立转台伺服系统的数学模型,对这种线性自抗扰控制器进行仿真实验.结果表明,和传统PID控制器相比,所设计的控制器对非线性摩擦有良好的抑制作用,同时具有响应速度快、稳态误差小,抗扰能力强的特点.     

转向缸系统反馈线性化分析与系统解耦

为解决汽车转向缸加载控制中出现的诸如强位置干扰、多通道耦合、非线性等问题,将线性系统和非线性系统理论引入系统控制器的设计中,对各通道耦合问题开展了以前馈补偿为基础的解耦控制,所设计的前馈补偿结构简单,解耦网络阶次低;针对非线性问题提出了将非线性系统精确反馈线性化与最优控制相结合的方法,设计了基于精确反馈线性化的最优控制器,该方法将复杂的非线性系统问题转化为线性系统的综合问题,采用渐近输出跟踪方法实现系统控制。仿真结果表明:采用前馈补偿解耦控制器可以有效消除耦合,但当系统存在高度非线性时,仅采用前馈补偿解耦控制不能达到高品质的性能要求,而进一步设计的基于精确反馈线性化的最优控制器考虑系统非线性时,系统能快速、准确达到预置设定。     

基于广义预测控制的汽车EHB压力控制仿真研究

在考虑高速开关电磁阀饱和和死区效应等因素的基础上,联合AMESim与Simulink仿真软件建立电子液压制动(electro-hydraulic brake system,EHB)液压系统仿真模型。通过系统辨识获得了预测模型,在广义预测控制理论基础上设计了制动压力控制器。为了验证该控制器的工作性能,进行了基于EHB系统的轮缸压力控制仿真实验和汽车防抱死制动仿真实验。结果表明:在系统参数时变的情况下应用该算法是可行有效的,该控制算法较一般的PID控制进一步提高了汽车的制动性能。     

Adaptive output feedback tracking of nonlinear systems with uncertain nonsymmetric dead-zone input

In this paper, the problem of adaptive practical tracking is investigated by output feedback for a class of uncertain nonlinear systems subject to nonsymmetric dead-zone input nonlinearity with parameters of dead-zone being unknown. Instead of constructing the inverse of dead-zone nonlinearity, an adaptive robust control scheme is developed by designing an output compensator including two dynamic gains based respectively on identification and non-identification mechanism. With the aid of dynamic high-gain scaling approach and Backstepping method, stability analysis of the closed-loop system is proceeded using non-separation principle, which shows that the proposed controller guarantees that all closed-loop signal is bounded while the output of system tracks a broad class of bounded reference trajectories by arbitrarily small error prescribed previously. Finally, two examples are given to illustrate our controller effective.