基于干扰观测器和迟滞观测器的压电致动器控制

压电致动器的迟滞效应可以视为外部干扰,它既有低频部分又有高频部分,零相位误差跟踪控制器加干扰观测器的结构可以有效地补偿迟滞效应的低频成分,但未补偿高频成分,为了改进跟踪低频、高频输入信号的性能,提出了零相位误差跟踪控制器加干扰观测器加迟滞观测器的控制方案.仿真结果表明,该控制方案可以有效地改善低频和高频的跟踪性能.     

数控机床直线电机进给伺服驱动的摩擦力和扰动抑制措施

针对永磁直线同步伺服电机(PMLSM)直接驱动数控机床伺服系统,提出了一种基于摩擦力和扰动补偿的零相位误差跟踪控制策略.以解决摩擦力和扰动对系统性能的影响.零相位误差跟踪控制器保证了快速性,使系统实现准确跟踪;而补偿制器克服了摩擦和扰动等不确定性影响,保证了系统具有较强的鲁棒性和定位精度.仿真结果表明,该种控制方案较好地改善数控机床进给的定位精度和跟踪性能.     

直流电机无抖动滑模位置控制

针对直流电机伺服系统中普遍存在的参数不确定性以及不确定性非线性等各种扰动,提出了一种基于扰动补偿的无抖动终端滑模位置控制策略,实现了直流电机伺服系统的高精度位置跟踪控制。系统模型考虑了非线性摩擦特性以及外干扰等建模不确定性。所提出的全状态控制器对连续非线性摩擦进行了前馈补偿,进一步改善了系统的低速伺服性能;通过扩张状态观测器对未建模干扰等不确定性进行估计并前馈补偿,提高了系统对外干扰的鲁棒性。同时,所设计的控制器还能保证系统状态在有限时间内趋于平衡状态,提高了系统的快速跟踪性能。最终,通过对比的仿真结果对其进一步工程应用具有实际指导意义。     

基于扩张状态观测器的双永磁同步电机同步抗扰控制北大核心

对于双永磁同步电机系统中由于参数摄动和随机摩擦扰动引发的转速失同步现象,提出了一种新的双永磁同步电机滑模控制方法。首先,设计了扩张状态观测器去估计系统状态与实时扰动,并结合滑模跟踪控制器来提高电机在扰动作用下的跟踪性能;其次,将交叉耦合结构与滑模同步控制器结合,对电机转速的同步误差进行抗扰控制并且提升系统的同步性能。仿真结果表明,扩张状态观测器能准确估计电机系统机械角、转速及系统总扰动;设计的滑模控制器能够有效提高电机系统在扰动作用下的跟踪与同步控制性能。     

转台伺服系统扰动估计与补偿控制

针对转台伺服系统负载转矩和系统参数变化大的特点,建立了伺服系统状态方程,设计了基于非线性PID控制器和非线性扩张状态观测器的系统模型。基于观测器估计系统输出角度、角速度及系统未知扰动,并用估计的系统未建模动态和未知外扰对系统进行补偿。仿真结果表明:基于该方法的补偿控制能提高转台伺服系统跟踪精度,在负载转矩变化大和较强外界干扰条件下系统具有良好的控制效果。     

基于MPC和DOB的直线伺服控制系统设计

数控机床用永磁直线同步电动机(PMLSM)在高速度高精度加工时存在的系统滞后、外部扰动、系统参数变化等不确定因素严重影响伺服系统的控制性能。为解决这一问题,提出将模型预测控制器(MPC)和扰动观测器(DOB)相结合的预测鲁棒控制系统。采用MPC作为前馈控制器,通过模型预测、滚动优化和反馈校正来提高系统的跟踪性能;采用DOB对外部负载等不确定性扰动进行观测和抑制,进而提高系统的鲁棒性,达到同时提高系统跟踪性能和鲁棒性的目的。仿真实验表明:所提出的控制方法是有效可行的,明显地提高系统的控制精度。     

双直线电机驱动的悬浮移动横梁同步控制技术的研究

在高精度直线伺服跟踪控制系统中,为使输出响应能完整地跟踪输入指令,不仅要求输出与输入之间的相位差为零,而且要求幅值一致,通常采用零相位误差跟踪控制器(ZPETC)作为前馈控制器,补偿相位误差.本文分析了零相位误差跟踪控制算法的工作原理,证明了其控制效果的无差性.仿真结果表明,系统具有更宽的输人频率带宽,更低的输人输出幅度和相位误差,输出信号可十分精确地跟踪正弦和随机输人信号.对于数控伺服系统及其它具有快速响应和高精度性能要求的系统,ZPETC具有很好的控制效果和广泛的应用前景.     

基于观测器的直线电机气浮工作台扰动抑制

直线电机伺服系统中,各种外部扰动会直接“零传动”到控制系统,导致伺服系统性能下降,影响运动平台的精度。为了抑制外部干扰对直线电机气浮工作台精度性能的影响,在不增加控制系统硬件的情况下,基于工作台的名义模型,设计了阶次低、易于实现的速度型干扰观测器,通过观测工作台指令速度来观测等效的外部干扰,在控制系统中进行补偿。在直线电机气浮运动平台的控制中,采用上述干扰观测器进行干扰控制实验。实验表明,基于干扰观测器的控制系统对外部扰动具有很强的抑制作用,降低了工作台的定位误差和轨迹跟随误差。     

含周期性扰动补偿的机电伺服系统自适应控制

针对执行周期性任务的机电伺服系统易受参数不确定性及外干扰的影响,为实现高精度跟踪性能和准确的参数估计,设计基于傅立叶级数近似的非线性自适应控制器。该非线性自适应控制器通过对呈现一定周期性的扰动进行傅立叶级数近似,采用自适应律自动更新与近似项相关的未知参数,实现对周期性扰动的精确补偿。对于其他任意非周期性的干扰,则采用含干扰上界估计的非线性鲁棒项抑制其不利影响。基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统全局一致有界稳定,通过恰当选择设计参数及初始化误差变量,跟踪误差可收敛至零附近的任意小范围内。仿真结果表明,所提出的控制方法能有效的抑制参数不确定性及外部扰动,获得高精度的跟踪性能。     

基于前馈控制的高精度伺服系统北大核心

对高精度电机伺服系统的控制策略进行了研究,针对伺服系统闭环层次多造成的稳态误差大、响应慢的问题,采用速度和加速度前馈控制改善了系统的跟踪性能;针对系统抗扰性能差的问题,采取一种新型扰动观测器作为负载转矩观测器,对负载转矩观测结果进行补偿,有效解决了负载扰动造成结果波动大的问题。此转矩观测器的设计简单仅有一个控制参数,不含微分量,具有高频噪声小的优点。对控制策略建模仿真,结果表明:前馈控制可以有效降低稳态误差,改善系统跟踪性能;进行负载转矩观测并补偿,可明显降低扰动造成的超调。     

最优ZPETC在数控机床伺服跟踪控制中的应用研究

在高精度数控机床伺服跟踪控制系统中,为使输出响应能完整地跟踪输入指令,不仅要求输出与输入之间的相位差为零,而且要求幅值一致,通常采用零相位误差跟踪控制器(ZPETC)作为前馈控制器,补偿相位误差,但同时也产生一定的增益误差.为改善ZPETC的跟踪性能,提出一种基于L2-范数优化的前馈控制器设计方案,通过选取适当的目标函数,设计出最优的数字前置滤波器.该方案在保持系统零相位误差的同时,改善了系统增益性能,从而提高跟踪精度,这一点已得到仿真结果的证明.     

基于ZPETC和CCC的直驱XY平台高精度控制

针对直接驱动XY平台轮廓加工中存在的电气--机械延迟、系统参数不确定性及两轴驱动系统参数不匹配等因素的影响,提出了将零相位误差跟踪控制器(ZPETC)与交叉耦合控制器(CCC)相结合的控制策略对两轴的运动进行协调控制,实现跟踪误差与轮廊误差同时减小.ZPETC作为前馈跟踪控制器,克服了伺服滞后,使系统实现准确跟踪,减小了跟踪误差;CCC作用于两轴之间,用以增加两轴间的匹配程度,以减小轮廓误差.仿真和实验结果表明所提出的控制方案具有较好的跟踪性和鲁棒性,进而大大提高了跟踪精度和轮廓精度.     

直线电机迭代学习控制非重复性扰动抑制研究

针对直线电机迭代学习控制过程中非重复性扰动积累问题,提出了将干扰观测器和小波变换相结合的抑制非重复性扰动的算法。首先分析了扰动对迭代学习控制跟踪误差的影响,包括负载扰动和测量噪声,给出了干扰观测器和小波滤波抑制迭代学习控制中非重复性扰动的理论依据。干扰观测器直接对干扰估计并进行补偿,在时间域上抑制非重复性扰动,小波变换可分离出非重复性扰动,重构出不含非重复性扰动的误差信号,在迭代域上抑制了非重复性扰动的积累。利用辨识出的直线电机平台模型进行仿真,仿真结果证明提出的策略能够减少前馈控制信号中非重复性扰动积累,减小迭代学习控制收敛误差。     

Theory and application of a combined feedback–feedforward control and disturbance observer in linear motor drive wire-EDM machines

This paper presents a combined two-degree-of-freedom controller and disturbance observer design for a direct drive motion control system actuated by permanent-magnet linear synchronous motors (PMLSM). A feedback controller based on pole-placement design method is proposed to achieve desired tracking performance as well as stabilize the closed-loop system. A newly designed feedforward controller is proposed to reduce tracking errors based on an inverse model of the direct drive system. A digital disturbance observer is implemented to be included in the proposed feedback–feedforward control structure to compensate for nonlinear friction, cogging effects, and external load disturbance. Furthermore, the proposed control scheme has been verified as being internally stable. Experimental results indicate that the proposed controller can achieve a high contouring accuracy of ±0.3 μm as well as provide disturbance rejection and robustness. The maximum contour error of circular trajectory was reduced from 8.5 to 3.2 μm in comparison with proportional-integral-derivative (PID) controller.     

Tracking control and active disturbance rejection with application to noncircular machining

Control systems are usually required to track reference signals while operating under the influence of disturbances. A fast tool servo system for noncircular machining application works under such conditions, resulting in large control efforts. This paper presents a linear active disturbance rejection controller design for a voice coil motor-driven fast tool servo system for noncircular machining application. The controller is designed through an extended state observer to estimate and compensate the variant dynamics of the system, nonlinearly variable cutting load, and other uncertainties. Then, a simple proportional derivative controller produces the control law. To improve the tracking performance of the fast tool servo, the tracking error from the trial-cutting workpiece is added to the reference input and used as feed-forward error compensation. In such a combined control arrangement, the active disturbance rejection controller provides active disturbance rejection ability for the controller, and the feed-forward error compensation controller improves the tracking precision. Both the tracking control and disturbance rejection performances are thus enhanced. In real-time control and implementation, the effects of finite word length, position feedback resolution, and short sampling period are analyzed and addressed. Machining experiments are conducted, and the results illustrate the control system synthesis procedures and a substantial improvement over the tracking error generated by the linear active disturbance rejection controller alone.     

精确定位伺服系统的近似时间最优控制

提出了一种近似时间最优控制与时间延迟观测器相结合的快速无静差定点跟踪控制器的设计。控制律以近似时间最优控制律为主体,引入对未知扰动的补偿,利用时间延迟控制技术设计一个对扰动的观测器,同时通过一个现值观测器对系统的不可量测状态进行估计。把这种控制方案用于典型的双积分伺服系统的定位控制,并在MATLAB/Simulink中进行了仿真研究,结果表明所设计的控制系统可以对给定目标进行快速和准确的跟踪,且对扰动和系统参数差异具有较好的性能鲁棒性。     

基于迭代学习的直驱XY平台抗干扰复合控制

直驱XY平台在微电子封装领域有着广泛应用,针对扰动下难以实现XY平台高精密轨迹跟踪的问题,对双轴运动的轮廓误差模型以及抗扰控制机理进行研究,并提出了有效的控制方法。分析并建立了二维轨迹运动轮廓误差模型,在此基础上,单轴采用基于干扰观测器的双闭环前馈复合控制方式,轴间则利用迭代学习控制率构建基于轮廓误差的位置跟踪控制器进行协调控制。仿真结果表明,相比传统的PID控制,加入干扰观测器的双闭环前馈复合控制能实现更高的位置跟踪精度,且具有更好的抗干扰能力;经过1次迭代学习过程后,最大轮廓误差降低到2~3μm,充分满足高精度XY平台轨迹运动的要求。     

直线电机伺服系统精密数字控制方法研究

直线电机是实现非圆截面类零件数控车削加工的关键,针对其跟踪目标轨迹已知和对外部干扰及模型参数摄动敏感的特点,研究了一种具有离散时域扰动观测器的数字预见控制方法。首先,通过在最优状态反馈控制的基础上增加目标预见前馈项,减小了直线电机伺服系统的位置跟踪误差;其次,将外部干扰和模型参数摄动作为等效控制输入,设计了一种离散时域扰动观测器加以抑制,增强了预见伺服系统的鲁棒性。仿真结果表明,该控制方法能够满足高速高精度条件下对非圆截面零件的车削加工要求。     

基于滑模扰动观测器和积分滑模控制器的活塞加速度控制研究

针对活塞加速度精度低的问题,提出具有气动和液压技术优势的新型混合执行控制系统。通过分析电液-气动混合执行控制系统结构,建立电液-气动混合执行器的数学模型。在积分滑模控制器的基础上,结合具有干扰抑制和估算复合扰动能力的滑模扰动观测器,开发滑模扰动观测器-积分滑模控制器的综合控制器;采用MATLAB软件对电液-气动混合执行器进行仿真,并与传统PID控制器的计算结果进行对比和分析。结果表明：采用基于滑模扰动观测器-积分滑模控制器的电液-气动混合执行控制系统可明显提高对方波和正弦加速度信号的跟踪精度,方波响应超调量减少约54%,正弦响应误差减少约65%;该控制系统抗干扰性强,位置跟踪误差较小,可以有效地精确控制活塞加速度,具有较强的鲁棒性