高精度伺服系统的摩擦力建模及补偿

论文摘要

在设计高性能数控机床中,对于运动部件的辨识和精确建模是很重要的环节。在所有影响系统精度的因素中,摩擦力的存在是最主要的因素。因此在设计高精度机床中,对于摩擦力的补偿是非常必要的。为了能够精确补偿,首先要辨识得到摩擦力的模型。文中首先对摩擦力研究的发展状况做了综述,并比较了几种不同的摩擦力模型,最终选定了适用于该课题所应用实际平台的模型。谐波平衡原理是用来解决非线性问题的有力工具,具有简单直观的特点。即应用描述函数法的思想,把系统模型分为线性和非线性两部分,得到线性模型后,通过加入两个继电器使系统产生极限环,测得极限环,即可根据奈奎斯特定理对摩擦力参数进行估计,得到摩擦力的模型。在实验过程中,首先对系统的线性部分进行了辨识,在辨识过程中测定了系统的临界速度,并且设计了一种偏置输入的方法以提高系统辨识精度。最终得到了较为精确的系统线性模型,并对模型进行了分析。在得到线性部分模型后,应用描述函数法对非线性摩擦力进行建模,包括静摩擦,粘性摩擦,包含Stribeck效应的摩擦力模型。辨识摩擦力的各个组成部分所需要的数据通过在速度环下应用极限环的方法得到,并通过MATLAB进行非线性参数的辨识。最终得到的实验结果和仿真结果很好的吻合。在得到摩擦力模型后,将其加在前馈中进行摩擦力补偿,通过对比实验可以看出,使用摩擦力补偿之后系统的速度跟踪精度显著提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和目的
• 1.2 摩擦力辨识国内外发展现状
• 1.2.1 静摩擦和突变摩擦力
• 1.2.2 摩擦滞后
• 1.2.3 稳定速度摩擦
• 1.3 摩擦力模型
• 1.3.1 Armstrong 模型
• 1.3.2 经典模型
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 描述函数法
• 2.1 引言
• 2.2 描述函数的应用
• 2.3 关于描述函数的基本假设和定义
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 基本定义
• 2.4 极限环分析
• 2.4.1 极限环的存在
• 2.4.2 与频率无关的描述函数
• 2.4.3 极限环的稳定性
• 2.5 本章小结
• 第3章 线性部分辨识
• 3.1 引言
• 3.2 线性部分辨识方法
• 3.2.1 传统辨识方法
• 3.2.2 改进的线性部分辨识方法
• 3.3 线性部分辨识过程
• 3.3.1 临界速度的判断
• 3.3.2 辨识输入信号的选择
• 3.4 辨识结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 摩擦参数的辨识
• 4.1 引言
• 4.2 所选摩擦力模型的数学表达式
• 4.3 极限环的仿真
• 4.3.1 双继电器系统的仿真
• 4.3.2 带有低通滤波器的改进仿真
• 4.3.3 极限环仿真结果
• 4.4 摩擦力参数仿真
• 4.5 确定摩擦力参数的实时实验
• 4.5.1 实验环境
• 4.5.2 实验过程
• 4.6 本章小结
• 第5章 摩擦力补偿
• 5.1 引言
• 5.2 摩擦力补偿方法
• 5.3 补偿后的性能
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢