一种基于模糊边界层的转台伺服系统滑模控制器设计

针对飞行模拟转台位置伺服系统中存在的非线性摩擦环节,设计了一种补偿摩擦的模糊边界层滑模变结构控制器.在常规的准滑模变结构控制中引入模糊控制,利用模糊控制器来动态调整滑模边界层的厚度.通过MATLAB仿真,结果表明该控制器较好地协调了常规固定边界层滑模控制鲁棒性与平滑控制抖振之间的矛盾,有效地抑制了摩擦力矩的影响,保证了系统的快速性和鲁棒性,实现了高精度的位置跟踪.     

导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制

为提高导引头稳定平台抗扰性,提出了一种导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制策略。首先根据扰动特点将扰动分为摩擦力矩和"剩余扰动"两部分,基于Stribeck摩擦模型辨识摩擦参数,并进行摩擦力矩补偿;采用扩张高增益观测器对"剩余扰动"进行估计,并给出了扩张高增益观测器的收敛条件。然后设计了改进滑模控制器作为稳定回路的控制器实现伺服控制,采用Lyapunov函数证明其稳定性。最后,搭建测试系统分别进行了稳定平台性能测试和导引头性能测试,用于验证跟踪和抗扰效果。实验结果表明,跟踪1(°)/s的梯形波时,提出的控制器有效地补偿了摩擦,同时稳态精度提高了0.032 8(°)/s;给定三轴转台典型幅值和频率扰动下,采用提出的控制器时系统隔离度至少提高了0.57%。表明提出的控制器改善了系统抗扰性。     

计入摩擦的进给伺服系统自适应滑模控制方法研究

针对具有非线性摩擦和有界外部扰动的进给伺服系统,设计了一种自适应滑模控制器。该控制器采用自适应算法建立了摩擦力的线性边界,将其作为滑模控制项增益,利用滑模控制项补偿摩擦和外部扰动,使系统跟踪误差渐进收敛于要求的允差内。基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环控制系统的全局稳定性。仿真结果表明该控制器能有效补偿摩擦和外部扰动,相对于传统的PD和PID控制,显著提高了进给伺服系统的跟踪精度,并对系统参数和摩擦的不确定性具有一定的鲁棒性。     

整体叶盘集成制造单元A轴的摩擦补偿控制

针对非线性摩擦对A轴定位精度的影响,根据静态和动态摩擦模型的不同动力学特性,提出两种不同的积分型滑模控制器。当系统处于不同摩擦阶段时,相应的摩擦补偿控制器被激活;当两种摩擦状态不断切换时,相应的摩擦补偿控制器也在不断切换。实验结果表明,该方法能有效提高A轴的定位精度和跟踪精度,使整体叶盘型面加工精度和表面一致性得到保证,并显著降低了表面粗糙度。     

基于LuGre模型的自适应摩擦补偿

为提高开放式伺服系统的动态性能,使其具有良好的适应能力,提出一种基于LuGre模型的自适应摩擦补偿方法.建立开放式伺服系统的动力学模型,并通过LuGre模型来描述系统的摩擦特性.考虑到摩擦模型的参数会随系统变化而发生改变,采用Backstepping方法设计自适应摩擦补偿控制器,并采用Lyapunov定理证明系统的全局渐进稳定性.通过可编程多轴控制器(Programmable multi-axis controller,PMAC)编写伺服算法实现该自适应摩擦补偿方案,并通过试验验证该方案的有效性.试验结果表明:与传统的速度加速前馈补偿相比,该自适应摩擦补偿方案在正弦运动作为输入信号时,其跟踪误差由±40 μn降低到±7 μm.采用该补偿方案能有效地抑制摩擦干扰对伺服系统的不利影响,为提高伺服系统的动态跟踪性能奠定基础.     

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。     

滑模控制在气动伺服系统中的应用

分析了气动伺服控制系统中存在的非线性摩擦特性,并设计实验台,测定低速环境下基于直缸的气动伺服系统中的摩擦特性;将其作为全局滑模控制中的外干扰,通过改变控制器结构或调整控制参数来抑制干扰,使系统在响应的全过程都具有鲁棒性。数字仿真表明：滑模变结构控制方案较PD策略具有更好的动、静态特性及对参数变化和外界干扰的鲁棒性。通过在台面球XY轨迹气动控制系统中的实验研究,验证了滑模变结构控制器具有可行性和理想的轨迹跟踪性能。     

飞行模拟转台伺服系统滑模控制仿真

分析了飞行仿真转台伺服系统的数学模型和摩擦模型,给出了切换函数和滑模控制器的实现过程,软件仿真结果表明所设计的滑模控制器能达到较好的控制品质,有效的进行系统低速摩擦补偿.     

高速进给的自适应滑模控制器设计

数控技术的发展要求伺服进给系统具有高带宽、强的扰动抑制能力和鲁棒性,以取得高精度的轨迹跟踪性能.设计了一种具有鲁棒性的自适应滑模控制器,利用一阶共振陷波滤波器抑制系统的共振,同时在控制环中加入摩擦前馈补偿,提高进给运动反向时的精度.最后通过实验和仿真比较了各种控制策略的优劣,验证了提出的带有摩擦力前馈补偿和陷波滤波器的滑模控制策略不仅可以获得高精度的加工轨迹,而且具有良好的抗干扰性和鲁棒性.     

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。     

Modeling,identification and analysis of a novel two-axis differential micro-feed system

With the development of precision and ultra-precision machining technology, the demand of drive feed system increases. Non-linear friction in a conventional drive feed system (CDFS) feeding at low speed is one of the main factors that lead to the complexity of the feed drive. The CDFS will inevitably enter or approach a non-linear creeping area at extremely low speed. A novel two-axis differential micro-feed system (TDMS) is developed in this paper to overcome the accuracy limitation of CDFS. A dynamic model of TDMS is first established. Then, a distributed component friction parameter identification method using a genetic algorithm (GA) to identify the friction parameters of a TDMS is introduced. A proportional-derivate feed drive position controller with an observer-based friction compensator is implemented to achieve an accurate trajectory tracking performance. Finally, comparative experiments demonstrate the effectiveness of the TDMS in inhibiting the disadvantageous influence of non-linear friction and the validity of the proposed identification method for TDMS.     

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     

考虑关键非线性特征的集成式电子液压制动系统主缸液压力精确控制

针对具有"电动机+减速机构"形式的解耦式电子液压制动系统（Electro-hydraulic brake system,EHB）展开研究。针对主缸液压力控制过程中出现的爬行、死区和振荡等问题,设计一种考虑关键非线性特征（摩擦、PV特性）的主缸液压力精确控制算法。基于LuGre模型对摩擦非线性进行补偿,设计了压力自适应控制器。针对压力闭环控制在系统死区工作点处出现的问题,采用基于死区补偿的非线性控制方法。结合以上两种方法的优点,设计基于LuGre摩擦模型前馈补偿和死区补偿的联合控制方法,能够在考虑系统关键非线性特征的基础上,精确控制主缸液压力。通过联合仿真（AMESim&Simulink）和硬件在环测试对比验证各闭环控制系统的时频域响应特性,联合控制方法提高了系统的压力动态跟踪精度和响应速度。     

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。     

用于飞轮微振动抑制的黏弹性-干摩擦阻尼环设计

工程界采用阻尼环抑制飞轮的发射段振动放大和在轨微振动,其抑振机理之一为动力吸振器。受飞轮工作环境的宽域温差影响,阻尼环中采用的黏弹性材料的阻尼和刚度性能将发生变化,破坏有阻尼动力吸振器工作的最优参数条件。针对该问题,进一步研究阻尼环各界面可能存在的干摩擦阻尼的影响机理。建立了黏弹性-干摩擦阻尼环-飞轮系统的多自由度集中参数模型,首先不考虑干摩擦阻尼,根据飞轮系统的有效模态质量确定了黏弹性阻尼环的最优参数;然后以该最优参数为初值,利用遗传算法得到了干摩擦阻尼环和黏弹性-干摩擦阻尼环的最优参数。对比分析了黏弹性阻尼环、干摩擦阻尼环和黏弹性-干摩擦阻尼环在最优参数及非最优参数下飞轮传递到基础的扰动力响应。结果表明,干摩擦阻尼能进一步拓宽黏弹性阻尼环的抑振频率范围,并提高其鲁棒性。     

Dynamic Friction Control Using Dynamic Structured RFNN and Friction Parameter Estimator

A nonlinear dynamic friction control is dealt with using dynamic friction observer and intelligent control.The adaptive dynamic friction observer based on the LuGre friction is proposed to estimate the friction parameters and a directly immeasurable friction state variable.The dynamic structured Recurrent Fuzzy Neural Network(RFNN)is designed to give additional robustness to the control system under the presence of the friction model uncertainty.A proposed composite control scheme is applied to the position tracking control of the servo system.The performances of the proposed friction observer and the friction controller are demonstrated by simulation.     

FUZZY GLOBAL SLIDING MODE CONTROL BASED ON GENETIC ALGORITHM AND ITS APPLICATION FOR FLIGHT SIMULATOR SERVO SYSTEM

To alleviate the chattering problem, a new type of fuzzy global sliding mode controller (FGSMC) is presented. In this controller, the switching gain is estimated by fuzzy logic system based on the reachable conditions of sliding mode controller(SMC), and genetic algorithm (GA) is used to optimize scaling factor of the switching gain, thus the switch chattering of SMC can be alleviated. Moreover, global sliding mode is realized by designing an exponential dynamic sliding surface. Simulation and real-time application for flight simulator servo system with Lugre friction are given to indicate that the proposed controller can guarantee high robust performance all the time and can alleviate chattering phenomenon effectively.     

基于LuGre模型实现精密伺服转台摩擦参数辨识及补偿

为降低摩擦对光学精密伺服转台速度跟踪精度的影响,提出了基于LuGre模型的转台摩擦参数辨识和补偿方法.首先,分析转台在自由减速过程中的速度过零现象,采用遗传算法拟合减速曲线从而获得转台摩擦参数和转动惯量;然后,通过仿真实验验证辨识方法;最后,利用辨识得到的参数计算摩擦补偿并叠加到转台速度伺服系统.实际实验系统的数据更新...     

2R耦合驱动关节动力学建模与参数辨识

围绕护理机器人的人机安全接触和轻量大负载需求,提出了一种2R耦合驱动关节构型,并解决了耦合驱动动力学建模问题,为高性能运动控制器搭建提供基础。该关节设计紧凑、负载能力强,两个伺服电机经过三级减速后,通过差动结构实现两自由度耦合输出,且表面光滑适宜与人接触。通过运动学分析了耦合驱动的原理,利用拉格朗日法建立了耦合驱动动力学模型。为解决速度零点摩擦力不连续,造成基于模型的控制器运动性能变差的问题,引入了连续可微摩擦模型,利用连续可微特性采用灰色模型提高了辨识精度。研制了机器人关节样机,进行了关节解耦、摩擦数据采集、参数辨识及轨迹跟踪等试验,结果表明所设计的耦合驱动关节可以完成周转、俯仰两个转动自由度的单独及耦合运动,并且输出扭矩与重量的比值达到了143.6 N·m/kg,可以满足轻量大负载护理需求,同时基于所建立动力学模型的运动控制可以显著提高轨迹跟踪的准确性。