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。     

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。     

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。     

基于伪降阶自适应观测器速度辨识研究

提出一种新型的基于伪降阶观测器的速度辨识方法.该方法简化了自适应观测器的结构,减少了计算时间;同时,通过求解矩阵不等式得到反馈增益矩阵,克服了基于传统极点配置方法的观测器的不稳定问题,提高了观测器的低速性能.仿真结果表明,该方法提高了观测器低速性能,拓宽了调速范围,且具有结构简单、响应速度快的特点.     

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。     

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。     

基于自调整模糊控制方法的摩擦补偿研究

针对使用表征摩擦的复杂的表达式使系统分析和基于模型的系统补偿难以实施，本文提出了一种基于参数和规则自调整的自适应模糊控制器的摩擦补偿方法，该方法能够有效地补偿摩擦给伺服定位系统所造成的不利影响。这种模糊控制器可根据系统参数的变化在线进行自动调整，从而增强了摩擦补偿的效果。所进行的数值仿真验证了本文得到的主要结论的可行性和有效性。     

带定子电阻辨识的新型滑模速度观测器

提出了一种带定子电阻辨识的新型滑模速度观测器,用于异步电动机转速的精确观测.该观测器采用一种改进的电压转子磁链模型,在降低转子电阻变化对磁链观测影响的同时,还有效解决了传统电压模型固有的缺陷;并利用定子电流估计值与实际值的偏差在线计算电机的定子电阻,从而提高了磁链和转速在低速范围内的观测精度.仿真结果证明该方案在全速范围内具有响应速度快、稳态精度高和对定、转子电阻变化鲁棒性强的特点.     

基于滑模观测器的永磁电机转速辨识方法研究

设计了一种新型的基于滑模速度磁链自适应观测器的永磁电机转速辨识矢量控制系统,在表贴式永磁电机d-q坐标模型的基础上设计滑模自适应状态观测器来估算电机转速,以电机本身作为参考模型,利用它与电流观测器的误差构造滑模超平面,得到电流观测器的收敛条件。运用Lyapunov稳定性理论,构造Lyapunov函数,推导出转子速度自适应辨识率与定子常数辨识率,将辨识速度作为反馈输入设计无速度传感器矢量控制系统,同时可克服电阻不确定性的影响。仿真结果表明,提出的速度辨识方法具有较强的鲁棒性和较高的动静态性能,证明了控制策略的正确性与有效性。     

基于多采样率控制的伺服系统摩擦补偿研究

摩擦是造成伺服系统在低速、速度换向等条件下精度严重下降的强非线性因素之一。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。在高速、高加速度的条件下,换向时摩擦变化剧烈,且过渡时间较短,采用单采样率控制补偿器结构很难实现较好的补偿效果,因此提出一种基于多采样率的摩擦补偿器结构。该补偿器利用伺服系统多环、多采样率的结构特点和指令轨迹细化方法,在不改变系统控制器结构和稳定性的条件下,通过分离前馈补偿器和反馈控制器的采样周期,以实现更为精细的前馈摩擦补偿量计算。实验结果表明,多采样率摩擦补偿器结构能够充分利用伺服控制器的结构特点和摩擦模型的预测结果,而且避免了复杂控制器的设计过程,取得了更有效的摩擦误差补偿效果。     

Adaptive friction compensation with partially known dynamic friction model

This paper illustrates the application of a model-based adaptive friction compensation on a DC motor servomechanism. The dynamic friction model and the control structure studied previously by the authors were used as a basis for this study. The paper first proposes a two-step off-line method to estimate the nominal static and dynamic parameters associated with the model. Then two adaptive globally stable mechanisms are introduced to deal with structured normal forces and temperature variations. Assuming that a nominal friction model is known and that the friction variations can be suitably structured, adaptation is performed on the basis of only one parameter. The paper presents experimental results validating the identification of the dynamic friction model and the adaptive control scheme. These results show that the adaptive loop improves over a fixed compensation scheme and over a PID controller without friction compensation. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

采用扰动观测器的并网逆变器死区补偿方法

为解决传统死区补偿方法在相电流过零点附近电流极性检测不准的问题,提出一种新的死区补偿方法。根据扰动观测器的控制原理,设计了相应的观测器,将其作为补偿器引入到传统双环PI控制系统中,此系统无需检测电流极性,将死区效应引起的电压误差视为系统扰动,利用扰动观测器对其进行在线估算,并将估算值作为补偿信号反馈到输入端以抵消电压误差对系统的影响。通过仿真与实验比较可知,该方法能够克服传统方案的弊端,可以降低各种扰动对输出电流的稳态误差,不仅提高了死区补偿效果,还提高了系统的稳定性和抗扰性能。     

基于摩擦观测器的直接驱动XY平台轮廓控制器设计

针对高精度直线电机驱动XY平台轮廓控制系统,将摩擦补偿与轮廓控制相结合,提高系统轮廓精度。设计基于LuGre模型的状态观测器及摩擦估计器以消除摩擦非线性对系统的影响,采用适于一般自由曲线轮廓控制的实时轮廓误差法建立系统轮廓误差模型与切向误差模型,结合观测状态,设计基于摩擦补偿的轮廓控制器。理论的分析和仿真结果表明,所设计控制系统能够提高XY平台的轮廓精度。     

直线电机定位力波动的辨识及迭代补偿方法

针对直线电机在运动过程中受定位力波动影响而在高精度领域应用受限的问题,采用定位力补偿控制的方法提高直线电机的定位精度。在不改变系统结构的情况下,首先利用加速度计采集电机全程定位力波动数据,经过谱分析确定了波动力的模型结构,而后通过递推最小二乘法获取了具体的模型参数,并在模型基础上设计了基于位置的补偿控制器和迭代学习控制器对定位力进行补偿。经仿真和实验结果证明,所提方法可显著降低直线电机运动过程中的定位误差。     

Experimental identification of friction and its compensation inprecise, position controlled mechanisms

Methodologies developed for experimentally determining accurate models for the nonlinear friction inherent in most mechanisms are presented. Alternative closed-loop controller strategies for decoupling the effect of friction in order to improve positioning accuracy are also given. The identification methodology is novel in the manner in which it extracts the nonlinear friction properties from the closed-loop errors via an iterative signal processing technique. The discussion is based on both theoretical modeling and on a practical position control problem that was substantially resolved in developing the methodologies. The application was a robotic gripper with a highly preloaded rack-and-pinion mechanism. Both measurement and control design methodologies to help systematically circumvent the problems of nonlinear friction in precise, position-controlled mechanisms are given     

基于CESO磁链观测器的模型参考自适应感应电机转速辨识

针对感应电机无速度传感器矢量控制下的速度辨识问题,设计了一种基于扩展状态观测器的闭环转子磁链观测器(CESO),并提出以其作为参考模型的模型参考自适应(CESO-MRAS)转速辨识方法。该磁链观测器将模型中不确定部分进行状态扩展并反馈补偿,是一种闭环观测器,因而对电机转子电阻变化以及外部扰动具有良好的鲁棒性,克服了传统电压转子磁链模型的纯积分和低速区的电压降问题。通过与传统MRAS的仿真比较研究,在转子电阻和转矩的大范围变化低速区,该算法能显著提高矢量控制系统的速度动态辨识能力和转矩抗扰能力。仿真和实验结果验证了该方法的正确性和有效性。     

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。     

基于静态补偿电压模型的改进转子磁链观测器

为解决纯电压模型磁链观测器存在的积分漂移和饱和问题,常采用低通滤波器代替纯积分器.针对传统低通滤波器磁链观测方案的不足,本文提出一种改进的转子磁链观测方案,采用串联低通滤波器提取直流偏置得到理想的转子反电势,然后用可编程低通滤波器代替纯积分器,并在反电势低通滤波前补偿磁链误差.所提出的观测器可以有效消除直流偏置的影响,提高磁链观测的动态精度并改善系统的动态性能.在一台2.2kW感应电机无速度传感器矢量控制系统上对本文提出的改进转子磁链观测器方案进行了仿真和实验研究,结果验证了其正确性和有效性.