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伺服系统摩擦补偿问题研究

作　者: 徐宏扬
导　师: 王毅
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 伺服系统摩擦补偿 LuGre模型 PID控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科技的进步，伺服系统在航空航天以及许多民用工业中的到了广泛的应用，并且对其伺服的精度和性能也提出了更高的要求。但是伺服系统中传动系统间的摩擦力矩是影响伺服系统，尤其是高精度伺服系统性能和精度的重要原因，从经济和技术角度来考虑，通过加工工艺减小摩擦力矩受到了很大的限制。因此，设计控制方法来减小或者消除摩擦力矩对伺服系统带来的影响是具有很好的应用前景和理论意义的。本文对摩擦力以及摩擦力矩的产生原因进行了深入分析，并且根据目前常见的摩擦力产生原因的理论进行了数学模型的建立，为后续仿真分析以及实际进行补偿算法的研究做准备。并且利用摩擦的数学模型进行伺服电机性能的分析，对摩擦环节存在时伺服系统的性能上受到的影响进行了仿真分析，通过仿真平台复现了滞后、爬坡等由于摩擦力矩的存在而对伺服系统造成的不良影响。以高精度角振动台为背景，将角失真度作为控制指标，对具体的伺服控制系统进行了实际的补偿研究。建立了简化的控制系统的传递函数，为了消除速度换向的时候速度曲线过零时的失真，以及位置曲线中心向不希望的位置进行漂移，引入PID控制算法，得到了很好的控制效果。考虑到实际的系统在应用的时候各种参数，包括电机本身的电气参数、机械参数会随着时间和运行条件的变化而改变，会对控制器的控制效果造成影响，进而影响控制系统的性能，因此对于动态摩擦力矩的参数发生变化的时候进行了自适应摩擦补偿方案的可行性研究，在假设系统参数已知的情况下，构建了自适应的摩擦补偿结构的算法，并且用Lyapunov的方法证明了所设计的闭环系统是渐进稳定的。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第1章绪论  8-17
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-9
  1.2 摩擦模型的发展  9-11
  1.3 摩擦补偿方法综述  11-16
    1.3.1 基于摩擦模型的补偿方法  11-12
    1.3.2 不依赖摩擦模型的补偿方法  12-14
    1.3.3 基于智能控制策略的摩擦补偿方法  14-16
  1.4 论文的主要内容  16-17
第2章摩擦的产生机理及摩擦模型的研究  17-30
  2.1 摩擦的产生机理  17-18
  2.2 静态摩擦模型  18-21
    2.2.1 经典静态摩擦模型  18-20
    2.2.2 Karnopp 模型  20-21
    2.2.3 Armstrong 摩擦模型  21
  2.3 动态摩擦模型  21-27
    2.3.1 Dahl 摩擦模型  21-23
    2.3.2 Bristle 摩擦模型  23
    2.3.3 重置积分模型  23-24
    2.3.4 Bliman 和 Sorine 摩擦模型  24-25
    2.3.5 润滑接触摩擦模型  25-26
    2.3.6 LuGre 摩擦模型  26-27
  2.4 Stribeck 摩擦模型与 LuGre 动态摩擦模型比较  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章伺服系统的建模与仿真  30-46
  3.1 无刷直流电机的数学模型的建立  30-31
  3.2 理想的无刷直流电机仿真平台的建立  31-34
  3.3 摩擦环节的 Simulink 仿真平台的建立  34-36
  3.4 伺服控制系统摩擦特性的仿真研究  36-45
    3.4.1 Stribeck 摩擦模型对伺服控制系统性能的影响  36-40
    3.4.2 LuGre 摩擦模型对伺服控制系统性能的影响  40-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章精密角振动台系统摩擦补偿控制策略  46-58
  4.1 精密角振动台控制系统摩擦问题的描述  46-47
  4.2 串联超前迟后控制研究  47-52
    4.2.1 针对 Stribeck 摩擦模型的仿真研究  48-50
    4.2.2 针对 LuGre 摩擦模型的仿真研究  50-52
  4.3 摩擦参数变化情况下控制器的设计  52-57
  4.4 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-65
致谢  65

伺服系统摩擦补偿问题研究

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