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。     

空间载荷伺服控制系统低速运动摩擦补偿

为了降低运动摩擦和转矩波动对空间载荷伺服控制系统低速跟踪精度的影响,提出了基于简化LuGre摩擦模型和干扰观测器的摩擦误差补偿方法。为了减少伺服控制系统运算量,详细分析了适用于低速运行环境的LuGre摩擦理论;建立了简化的LuGre摩擦理论模型;设计了速度环干扰观测器;实现了由于低速运动摩擦影响空间载荷伺服系统跟踪精度补偿。通过Matlab/Simulink仿真,与传统的PID控制方法相比,该方法在正弦波作为输入信号时,可以消除伺服系统的低速爬行和抑制闭环速度扰动;在0.5°/s阶跃信号作为输入时,其跟踪误差带±0.0052°/s。     

高精确度伺服转台控制系统中的扰动力矩补偿

摩擦力矩和电机波动力矩是影响高精确度伺服转台控制系统位置跟踪精确度的主要因素。针对系统中摩擦力矩和电机波动力矩等扰动力矩补偿问题,提出一种综合的扰动力矩补偿控制策略。基于摩擦观测器提出一种PD前馈控制方法,对系统中的动态摩擦力矩进行了补偿,并利用Lyapunov稳定性理论对所提出的方法进行了系统稳定性分析。结合基于重复控制器的扰动观测器进一步提出一种综合的扰动力矩补偿控制策略。一方面,摩擦补偿方法可以对系统中的摩擦力矩进行补偿;另一方面,插入的重复控制器可以很好地抑制系统中的周期性波动力矩,而扰动观测器则用来补偿重复控制及摩擦补偿时给系统带来的不确定性。仿真结果证明了所提出的方法的有效性。     

直线电动机驱动系统的干扰补偿控制

直线电动机驱动的XY工作台在高速高精度数控机床中得到了广泛应用。针对摩擦力和切削力对工作台定位精度和轮廓跟踪精度的影响,提出了基于Maxwell-Slip模型的摩擦前馈补偿方案,通过构建干扰观测器对摩擦力作进一步补偿,同时,该干扰观测器能够在一定程度上补偿切削力的干扰。最终通过设计重复控制器完全消除了摩擦力和切削力干扰。在直线电动机驱动的XY工作台上对所设计的控制方案进行了实验验证,实验结果证明了所设计控制方案的有效性和可行性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高精度定位系统的摩擦力自适应前馈补偿

为了有效抑制机电系统摩擦力等外部扰动对系统动态性能的影响,针对直驱伺服系统中往复定位存在的摩擦力,提出了一种基于自适应前馈控制器的摩擦力补偿策略,此方法能够有效利用参考模型与被控对象的位置跟踪误差等信息,在线实时确定自适应控制率,在保证系统稳定的条件下,能够有效克服系统摩擦力及模型慢时变等引起的系统动态性能异常.针对直...     

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。     

Analysis and performance improvement of motor speed control system with nonlinear friction

Solid friction in machine elements is one of the dominant nonlinearities affecting the control accuracy of servo drive systems. Many schemes, including feedforward control, observer-based control and repetitive learning control have been proposed to compensate for nonlinear friction. These schemes show superior performance compared to that of the conventional P- and/or PI-controller; however, friction model errors and bandwidth restriction of the observer cause compensation errors, thus decreasing control accuracy. This paper presents a new control algorithm for performance improvement of a motor speed control system having nonlinear friction. By analyzing characteristics of conventional compensation control schemes during velocity reversal, the relation between control parameters and control accuracy is examined so as to explore problems with each scheme. Based on these analyses, a new feedforward control algorithm is proposed. The proposed algorithm is verified by analyses of control characteristics and experiments using a prototype. Experimental results show the superior performance improvement of the proposed algorithm.     

高速大行程滚珠丝杠副智能测控平台的伺服控制

为了研究滚珠丝杠副的动态特性如定位精度、重复定位精度、速度及加速度跟踪、动态摩擦力矩、负载扰动、预紧力、疲劳性能、温升和机械振动等对滚珠丝杠副精度保持性能的影响,针对五轴联动加工中心高速大行程滚珠丝杠副设计了一套伺服电机+滚珠丝杠副高速运转、直线电机模拟负载扰动、多通道信号采集的智能精密测控试验平台;建立了测控平台时变参数不确定性和外力扰动的优化动力学模型;提出了基于遗传算法的自适应非线性PID双位置反馈的控制算法和速度、加速度前馈误差补偿的控制策略。试验结果表明,该控制策略具备小的跟踪误差、较强的抗干扰能力和稳定性,满足测控平台的试验需求。     

Precision motion control of a small launching platform with disturbance compensation using neural networks

A kind of launching platform driven by two permanent magnet synchronous motors which is used to launch kinetic load to hit the target always faces strong parameter uncertainties and strong external disturbance such as the air current impulsion which would degrade their tracking accuracy greatly. In this paper, a practical method which combines adaptive robust control with neural network‐based disturbance observer is proposed for high‐accuracy motion control of the launching platform. The proposed controller not only accounts for the parametric uncertainties but also takes the external disturbances into account. Adaptive control is designed to compensate the former, while neural network‐based disturbance observer is designed to compensate the latter respectively and both of them are integrated together via a feedforward cancellation technique. A new kind of parametric adaptation and weight adaptation strategy is designed by using the linear combination of the system's tracking error and the weight estimation error as a driving signal for parametric adaptation and disturbance approximation. The stability of the novel control scheme is analyzed via a Lyapunov method and this method presents a prescribed output tracking performance in the presence of both parameter uncertainties and unmodeled nonlinearities. Extensive comparative simulation and experimental results are obtained to verify the high‐performance of the proposed control strategy. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

采用复合控制的直流力矩电机摩擦补偿

针对陀螺漂移测试转台直流力矩电机系统中存在的非线性动态摩擦和负载扰动,为提高转台位置跟踪精确度,采用复合控制方法进行摩擦补偿研究.在转台直流电机系统中,电机模型采用简化的二阶线性直流电机模型,摩擦模型采用摩擦参数为非一致性变化的动态摩擦模型.补偿方法包含一个参数自适应律和CMAC神经网络,用于估计未知模型参数、辨识位置周期摩擦扰动并给与补偿.仿真结果表明,复合控制补偿方法保证了闭环系统全局稳定性和对期望位置信号的渐进跟踪,提高了转台位置跟踪精确度.     

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。     

A torque-ripple compensation scheme for harmonic drive systems

This paper presents a scheme for controlling the output torque of a harmonic drive actuator equipped with a torque sensor. The proposed control is composed of a feedback control and a feedforward learning control, in which the feedback control shapes nominal system dynamics using the internal model control structure. The feedforward learning controller employs a disturbance observer (DOB) to evaluate compensation error of the feedforward control for the learning, so as to compensate for torque ripples induced by harmonic drives. Robust stability conditions of the proposed DOB-based learning control system are provided. Experimental results show the effectiveness of the proposed scheme in alleviating the major component of torque ripples whose frequency is twice the angular frequency of the input shaft.     

Achievement method of high‐speed response of error prediction tracking control for optical disk system

This paper proposes the new design method of error‐prediction control systems combining the ZPET control and the robust feedback control. The error‐prediction control system based on ZPET control can reduce the tracking error caused by periodic disturbances more efficiently than the conventional repetitive control technique. However, the proposed tracking servo system does not reduce the residual tracking error caused by the low‐pass filter of the feedforward compensation and by the long sampling time. In order to overcome this problem, this paper proposes the new structure of the feedforward tracking control system. The modified ZPET control tracking servo system for optical disk recording system does not include the low‐pass filter and its sampling time becomes faster. On the other hand, the sudden disturbance observer reduces the influence of nonperiodic disturbances. The experimental results point out that the proposed tracking servo system has a precise tracking response against both the periodic disturbances and the nonperiodic disturbances. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 170(4): 51–59, 2010; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience. wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20800