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。     

基于多目标优化的电机驱动伺服转台切换模型

与平稳运行时相比,电机驱动伺服转台在过零或低速的工况下,会呈现出不良的系统特性。应用多个子模型分别描述伺服转台在不同工作状态下的输入输出关系,并基于切换系统理论建立整体的非线性模型。为辨识切换系统模型参数,构建有约束多目标优化问题,并应用多目标粒子群优化算法,对该问题进行求解。交叉验证实验比对说明了该切换模型的有效性。     

基于前馈PI伺服转台系统的研究与应用

为了提高转台伺服系统的控制精度,针对传统PI控制策略存在的不足,提出一种基于前馈补偿和PI相结合的复合控制策略。首先根据转台伺服系统建立了电机对应的MATLAB模型;然后根据前馈补偿和PI控制原理,建立了前馈PI控制器,并建立了基于前馈PI控制的软硬件系统试验平台;最后进行了仿真和试验验证;仿真和试验结果表明,基于PI前馈控制的转台伺服系统与PI控制的转台伺服系统相比较,其系统的定位精度更高,鲁棒性更好。     

光电设备伺服转台的Stribeck摩擦参数测量

为克服转台低速运动时摩擦力测量不准确的缺点,设计了具加速度计的摩擦力测量系统以实现精确测量.利用加速度计测量的启动加速度,获得伺服转台的所需驱动力矩,利用霍尔传感器获得驱动电流,获得电机的总的驱动力矩,从而获得伺服转台的干扰力矩.测量中转矩纹波对摩擦力的测量影响巨大,其主要由机械及电气因素引起,具有周期性特征,设计了数字滤波器误差滤除,获得摩擦力矩的有效值,进而采用非线性最小二乘拟合出摩擦力矩的Stribeck参数,最后在光电设备转台中实验.结果表明,将测量得摩擦力矩加入原有伺服转台模型中,正弦引导时,可准确表现出转台位置秃顶及速度反向“0”速点不连续的现象,仿真与实验的速度误差有效值为0.044°/s,相关系数达0.990 9,位置误差有效值为0.026 5°,相关系数达0.995.该测量系统及方法可有效精确测量出伺服转台的Stribeck摩擦力矩,该测量方法亦可用于其他光电设备摩擦力矩测量.     

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。     

基于摩擦模糊建模与补偿的机器人低速控制

针对摩擦引起机器人低速时运动性能恶化、作业精确度变差的问题,提出考虑负载力矩影响的摩擦模糊建模方法及模糊自适应鲁棒控制策略。通过摩擦测量实验,提取关节摩擦随负载力矩变化的特征,并提出一种扩展摩擦模型以描述关节摩擦特性。为克服固定补偿难以处理摩擦不确定性的弱点,引入模糊逻辑系统逼近摩擦现象,并实现模型的线性化以设计自适应学习机制。在此基础上,设计模糊自适应鲁棒控制算法,该算法采用前馈的方式补偿关节摩擦的影响,自适应项实现参数的在线调整,并根据系统中不确定性的界,设计鲁棒控制项以保证系统的鲁棒性。对比实验结果表明,所提出的摩擦模型与控制算法使关节最大跟踪误差可控制在0.005°以内,与未考虑负载力矩影响的控制器相比,平均跟踪误差和最大跟踪误差分别降低了25%、14.55%。     

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。     

基于切换系统理论的三相变流器建模及其稳定性分析

功率开关的动作使得三相变流器成为一典型的切换系统,它同时包含连续和离散两种动态,常规的建模方法都是从线性系统理论出发,通过平均化、坐标变换或小信号线性化等方法得到系统的近似线性化模型.本文在考虑变流器的混杂系统特征基础上,直接从切换系统理论出发,建立了三相变流器的切换系统模型,并针对整流器和逆变器分别给出了相应的切换系列.该模型完全精确,不存在任何近似,更能真实反映变流器的实际物理工作过程.通过引入线性切换系统的稳定性判定法则,对三相变流器的切换过程的稳定性进行了分析.仿真和实验结果与理论分析具有很好的一致性,验证了本文所提方法的有效性.     

双向DC-DC变换器基于切换系统的建模与储能控制

吸收利用制动状态电机回馈再生电能已成为电机系统节能的重要途径。通过分析储能节能系统结构,得出储能系统等效电路;在此基础上建立了用于储能节能系统的双向DC-DC变换器切换系统模型,构造了系统的Lyapunov函数,通过Lyapunov函数推导出系统切换控制律。在储能和放电两种工况下的仿真结果表明,系统能够完全吸收并利用电机回馈电能,保持直流母线电压稳定,实现系统节能。     

基于切换系统的三相APF建模与H∞控制

为研究具有典型混杂动态特性的三相APF高性能控制问题,首先基于PWM调制原理将三相APF的混杂系统模型转化为包含切换开关动态的线性系统,经在平衡流形邻域近似线性化后得到以脉宽为输入函数的线性等效离散系统,最后对该线性离散系统设计了满足一定干扰抑制指标并能实时跟踪补偿指令电流的H∞控制器.该控制器以PWM脉宽作为控制量,避免了以往对周期平均模型进行控制器设计时的等效占空比环节,物理意义清晰,设计更加合理,在工程应用中易于实现,具有潜在的应用价值.仿真结果验证了所提系统模型和控制器设计方法的正确性和有效性.     

基于单神经元PI的转台伺服控制系统设计与应用

为了提高伺服控制系统的精度,在综合考虑传统算法优缺点的基础上,设计并实现了一种基于单神经元PI的伺服转台控制系统。该系统采用SICK绝对式多圈编码器作为转台转动位置的检测工具,并把转台的位置输入到系统中形成闭环控制;其中位置环采用了单神经元PI算法取代传统的PI算法,并采用可编程逻辑控制器(FPGA)实现了上述算法;搭建了伺服控制系统的试验平台。试验结果表明,该转台的置位精度及转速的平稳性得到了有效提高。     

基于切换系统的储能节能系统双向DC-DC变换器建模与控制

吸收利用制动状态电机回馈再生电能已成为电机系统节能的重要途径.采用超级电容储能的节能系统,能够通过回收电机制动时的再生能量实现系统节能.本文通过分析超级电容储能节能系统结构,得出储能系统等效电路;在此基础上建立了用于储能节能系统的双向DC-DC变换器切换系统模型,构造系统的Lyapunov函数,并以此推导出系统切换控制律.在储能和放电两种工况下的仿真结果表明,系统能够完全吸收并利用电机回馈再生电能,保持直流母线电压稳定,实现系统节能.     

高精确度飞行仿真转台内框控制摩擦补偿研究

为了实现高精确度飞行仿真转台直流力矩电机驱动内框的低速伺服目标,提出了在输入前馈和闭环PID控制的复合控制基础上构建Stribeck摩擦模型的等效控制电压模型进行摩擦超前补偿策略.首先针对转台内框伺服特性分析设计了复合控制策略;其次针对常规基于Stribeck模型摩擦补偿方法的不足和实验法辨识模型参数难的特点,提出利用转台内框本身的部件直接测定摩擦超前补偿的控制电压模型,并给出了3个关键参数的测定办法;最后将设计好的控制器用于内框低速伺服.实验结果表明,系统响应幅值为0.03°,频率为0.000 5 Hz三角波时跟踪误差在95%时间内在0.000 1°内,并对其他形式信号也有很高的动态跟踪精确度,从而证明在以非线性摩擦为主的扰动条件下所设计的控制策略能实现内框高品质低速伺服.     

基于DSP的转台用永磁交流伺服控制系统设计

介绍了用于速率转台的交流伺服控制系统原理;在此基础上设计了基于TMS320F2812的速率转台用永磁交流伺服控制实验系统,并给出了系统设计的软硬件实现及实验结果.     

高精确度速率转台伺服控制系统波动力矩的抑制

针对高精确度速率转台调试中存在的波动力矩干扰问题,在分析了干扰产生机理的基础上,通过实验测试确定了波动力矩的频率成分,并给出了具体的数学表达式.采用重复控制方法,分析了系统的稳定条件,设计重复控制器,实现对此类波动力矩的有效抑制.实验测试结果表明,设计的重复控制器能够克服周期性的波动力矩干扰,速率稳定性能优于常规的控制器.     

负重外骨骼液压伺服控制系统建模与分析

外骨骼机器人运动控制的另一个关键问题是如何实现预定的运动控制方法。控制系统是机器人系统的灵魂,要使负重外骨骼机器人腿能够灵活自如的运动,并完成人无法单独完成的任务,必须搭建一套合理完善、完备的机器人控制系统体系结构。外骨骼机器人腿研究思路和设计灵感来源人腿的运动。本文重点将对液压伺服控制系统建模及仿真进行分析。     

三相APF的切换系统建模与二次最优控制

为提高三相有源电力滤波器(active power filter,APF)的动态控制性能,本文基于PWM原理提出一种三相APF的等效离散切换系统模型(equivalent discrete-time switched linear system,EDSLS),经平衡流形邻域线性化后得到其线性离散系统模型(linear equivalent discrete-time switched linear system,LEDSLS),最后针对该模型设计了能够实时跟踪补偿指令电流的二次线性最优控制器。该控制器以PWM占空比为控制量,物理意义明确,易于工程实现,并具有潜在的应用价值。仿真结果证明了该系统模型的正确性,设计的控制器可有效提高三相APF的动态性能。     

单相APF的切换系统建模与H_∞控制

为研究单相有源电力滤波器(APF)的高性能控制器设计问题,基于脉宽调制技术提出了一种考虑开关切换混杂特性和外界干扰的单相APF等效离散切换非线性鲁棒控制系统,并在平衡流形邻域近似线性化得到了线性等效离散切换鲁棒控制系统模型,最后为该模型设计了能实时跟踪补偿指令电流并满足一定干扰抑制指标的H∞鲁棒控制器。该控制器避免了以往周期平均模型中的等效占空比环节,物理意义清晰,设计思路合理,易于在工程中实现。仿真结果验证了上述系统模型和控制器设计方法的正确性和有效性。     

基于加速度滞后补偿的转台控制系统应用研究

加速度滞后补偿是提高模拟转台跟踪系统跟踪精度的一种有效方法。在建立了模拟转台的数学模型,对系统采用速度环、位置环双环路控制方法的基础上加以速度补偿和加速度滞后补偿;利用误差传递函数推算总结出速度滞后补偿和加速度滞后补偿参数与误差的关系,避免盲目试凑,为后续的加速度滞后补偿设计的参数选择提供指导及理论性参考;参照上述参数规律选择出合理的滞后补偿参数,通过仿真验证系统参数达到ts<1s、精度1%、稳定裕度γ≈60deg的指标,并且带有速度和加速度滞后补偿的系统的稳态跟踪误差为0.042°,较有无滞后补偿的系统精度提高11.76倍。     

基于磁通切换电机的绕组开放式发电系统的建模与参数设计

针对分布式发电系统,采用绕组开放式拓扑可以简化电路结构,降低系统成本。通过比较不同永磁性电机的磁路特点与数学模型,选择磁通切换电机应用于绕组开放式发电系统中。该文还研究由于系统结构与控制方式而引起的输出电压存在固有脉动的产生及其抑制问题,基于系统开关平均模型搭建系统的闭环小信号模型并计算得到系统的输出阻抗。基于Middlebrook判据分析源端和负载段的阻抗匹配问题,研究不同系统参数下脉动抑制能力,提出一种快速的系统参数设计方法。最后在一台基于永磁磁通切换电机的绕组开放式发电系统样机上进行实验,验证提出方法的正确性与有效性。