改善伺服系统低速性能的自适应鲁棒控制设计及应用研究—-毕业设计论文.pdf
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1、 工学硕士学位论文 改善伺服系统低速性能的自适应鲁棒控制 设计及应用研究 RESEARCH ON DESIGN AND APPLICATION OF ADAPTIVE ROBUST CONTROL FOR IMPROVING LOW-SPEED PERFORMANCE OF SERVO SYSTEM 辛永智 哈尔滨工业大学 2010 年 7 月 国内图书分类号:TP273 学校代码:10213 国际图书分类号:681.513.3 密级:公开 工学硕士学位论文 改善伺服系统低速性能的自适应鲁棒控制 设计及应用研究 硕 士 研 究 生:辛永智 导师:马 杰 教授 申请学位:工学硕士 学 科、专 业
2、:控制科学与工程 所在单位:控制与仿真中心 答辩日期:2010 年 7 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index:TP273 U.D.C:681.513.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON DESIGN AND APPLICATION OF ADAPTIVE ROBUST CONTROL FOR IMPROVING LOW-SPEED PERFORMANCE OF SERVO SYSTEM Candidate:Xin Yongzhi Supervisor:Prof.Ma Jie
3、 Academic Degree Applied for:Master of Engineering Speciality:Control Science and Engineering Affiliation:Control and Simulation Center Date of Defence:July,2010 Degree Conferring Institution:Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 随着科技的迅猛发展,伺服系统的指标要求越来越高,其中低速跟踪性能是评价伺服系统优劣的指标之一,研究如何改善伺服系统
4、的低速跟踪性能具有重要的实际意义。本论文以高精度直线定位系统和电动仿真转台系统为背景,以改善伺服系统的低速跟踪性能为目的,研究了影响高精度直线定位系统和电动仿真转台系统低速性能的主要因素,建立了上述两种系统被控对象的模型,并分别设计了自适应鲁棒控制器,最后在实际系统中对自适应鲁棒控制器的性能进行了验证。本文的主要内容如下:1.介绍了目前伺服系统的研究现状,其中重点介绍了改善伺服系统低速性能涉及的研究领域和内容,阐述了摩擦补偿方法的研究现状。2.介绍了伺服系统的组成,分析了影响伺服系统低速性能的主要因素,针对摩擦建立了被控对象的模型。3.研究了自适应鲁棒控制方法,给出了考虑参数不确定性和非参数不
5、确定性作用时被控对象的控制器设计方法。4.针对高精度直线定位系统和电动仿真转台系统分别设计了自适应鲁棒控制器,并与 PID 控制方法进行比较,实验表明自适应鲁棒控制方法能够明显改善伺服系统的低速性能。关键词 低速跟踪性能;伺服系统;自适应鲁棒控制;摩擦补偿-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract With the rapid development of science and technology,the high performance indices of servo system are required more and more.The low-speed track
6、ing performance is a important index of servo systems indices,so how to improve low-speed tracking performance has important practical significance.Taking the background of high precision linear-servo position systems and turntable system,the thesis focused on improving servo-system low-speed tracki
7、ng performance.Furthermore the factors affecting low-speed tracking performance of high precision linear-servo position systems and turntable system are analyzed,and developed the model of both systems based friction.At last,the adaptive robust controller was designed and the performance of adaptive
8、 robust control was verified by experiments.The main content of the paper is as follows.1.The current main research fields of servo system were introduced,which focused on the content of improving low-speed tracking performance,and described current main research of friction compensation.2.The confi
9、guration of servo system was introduced,and analyzed the most important factors affecting low-speed tracking performance.At last,the model of controlled plant was developed based on friction.3.The adaptive robust control was introduced,and also the controller design method of controller plant which
10、considering parameter uncertainties and non-parameter uncertainties.4.The adaptive robust controllers of high precision linear-servo position systems and turntable system was designed respectively and comparative experiments between adaptive robust and PID were obtained.Experimental results showed t
11、hat adaptive robust control can improving low-speed performance effectively.Keywords low-speed tracking performance;servo system;adaptive robust control;friction compensation-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要.I Abstract.II 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 伺服系统的研究现状.1 1.3 伺服系统低速性能及提升方法研究现状.2 1.3.1 低速速率估计算法研究.2 1.3
12、.2 摩擦及补偿方法研究现状.3 1.4 论文主要内容及章节安排.6 第 2 章 伺服系统低速性能分析.7 2.1 引言.7 2.2 伺服控制系统描述.7 2.3 影响伺服系统低速跟踪性能的主要因素.7 2.3.1 非线性摩擦.8 2.3.2 控制量噪声.8 2.4 摩擦模型及其对系统低速跟踪性能影响分析.9 2.4.1 摩擦模型的建立.9 2.4.2 摩擦对系统低速跟踪性能影响分析.11 2.5 被控对象模型的建立.12 2.5.1 高精度直线定位系统被控对象模型.12 2.5.2 电动仿真转台被控对象模型.13 2.6 低速速率估计方法Euler近似法.14 2.7 本章小结.15 第 3
13、 章 自适应鲁棒控制.17 3.1 引言.17 3.2 标准自适应鲁棒控制问题.17 3.3 仅含参数不确定性的自适应控制方法性能分析.18 3.4 确定性鲁棒控制.21 3.5 自适应鲁棒控制.26 3.5.1 光滑映射.27 3.5.2 非光滑映射.30 3.6 本章小结.32 第 4 章 伺服系统自适应鲁棒控制器设计.34 4.1 引言.34 4.2 自适应鲁棒控制器设计.34 4.3 自适应鲁棒控制性能分析.37 4.3.1 高精度直线定位系统.37 4.3.2 电动仿真转台系统.41-III-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.4 本章小结.44 结 论.45 参考文献.46 攻读学
14、位期间发表的学术论文.51 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.52 致 谢.53 -IV-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1.1 课题背景 本课题以高精度直线定位系统及电动仿真转台为研究对象,重点开展应用自适应鲁棒控制方法(Adaptive Robust Control,简称 ARC)。一般来说,机电或液压等伺服控制系统,在实际运行中存在着诸多非线性因素,并不断受到来自外部扰动、自身参数变化摄动以及众多不确定性的影响,严重地影响着伺服系统的性能。本课题重点研究如何改善伺服系统的低速性能,由于影响伺服低速性能的因素很多,正确分析低速机理并采取有效的控制策略是十分必要的。伺服系统
15、的低速平稳性主要受到系统在小信号输入时工作的非线性因素的影响,如摩擦干扰、电机波动、反馈元件的误差等,其中最主要的因素是摩擦力,造成了伺服系统低速运行时的“滞滑”现象和精密定位时的“抖动”现象。本文重点研究自适应鲁棒控制对伺服系统低速跟踪性能的作用。1.2 伺服系统的研究现状 随着现代科学技术的迅猛发展,特别是微电子技术、电子计算机技术的飞速发展,电机控制技术业已经发生并仍在继续发生着极其深刻和巨大的变化。电机控制技术所依托的理论基础和技术已远不限于电机学和电子学,还包括控制理论、系统理论、传感器技术、信号处理技术、计算机控制理论和技术、电力电子技术,等等。各相关学科形成了相互渗透和相互交叉,
16、甚至出现了相互融合的现象1。新时代的发展对伺服系统的动态特性和静态特性提出了更高的要求,现代伺服系统的技术指标要求越来越高,可以用“高频响、超低速、宽调速、高精度”来概括2。目前,伺服系统主要的研究方向和重点解决的控制问题有以下几个方面3:(1)角位置和角速率测量精度 伺服系统的控制精度是最重要的技术指标之一,伺服控制系统的控制精度受多方面因素的影响,但其中十分关键的是检测装置的精度和分辨率。在控制领域,可以通过全面分析测量误差,采用补偿、优化等方法来提高系统的精度。(2)控制系统的带宽扩展 理论上认为控制系统的带宽愈宽愈好,可以近似认为伺服系统在相当宽的-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
17、频带范围内无惯性环节,而实际的物理系统则由于受到机械系统固有机械谐振频率、驱动电机动态性能等因素限制不易实现宽频带,而且当系统频带过宽时,伺服系统的内外部干扰将会通过,从而使系统的抗干扰能力减弱,影响伺服系统的稳定性。因此,在满足控制系统各项技术指标的前提下,应该尽量降低系统的带宽。(3)非线性对系统性能的影响 在实际的伺服控制系统中,低速跟踪性能的好坏主要取决于影响系统性能的非线性因素。伺服系统在低速运行时,由于输入信号很小,非线性的作用变得非常突出。影响伺服系统低速性能的因素很多,其中摩擦是产生低速抖动的最主要原因。分析非线性摩擦产生的机理,寻求各种抑制摩擦的方法也是伺服系统研究的难点。(
18、4)伺服系统的可靠性和电磁兼容性 随着伺服系统的用途越来越广,系统综合指标要求越来越高,稳定性和可靠性成为伺服系统研究的一个大问题。而且随着系统的性能指标要求越来越高,器件越来越灵敏,系统易受外界环境的干扰,尤其是大功率驱动对测量元件的干扰。对伺服控制系统的而言,要想实现“高频响、超低速、宽调速、高精度”等高性能指标,除了要正确设计控制系统的结构方案、布局形式、选择恰当的驱动元件及驱动方式以外,还要针对伺服系统中存在的突出问题选择与其相适应的控制方案。1.3 伺服系统低速性能及提升方法研究现状 为了提高伺服系统的低速性能,国内外许多学者针对伺服系统低速性能的分析和改善方法做了很多的研究。其中涉
19、及的研究领域和主要内容有:低速速率估计方法、低速性能评估方法、低速爬行理论、低速误差产生机理的分析及系统动、静态性能的提升方法研究。本节主要介绍低速速率估计算法和摩擦补偿的研究现状。1.3.1 低速速率估计算法研究 在高精度伺服系统中,位置测量传感器比速率测量传感器的应用更为普遍,这主要是因为位置传感器的工作原理比较简单,比较容易获得位置信号,而且位置传感器的种类也较多,并且可以直接将位置传感器连接在电机转轴上。速率传感器输出为模拟信号,而且易受到噪声的影响,制造成本偏高,在工程应用中受到限制。因此,在工程中通常是通过位置信号来估计电机的速-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 率,目前采用的最
20、广泛的方法是G.Liu4提出的Euler近似方法,根据测角位置传感器的脉冲信号进行反向差分,以得到电机的速率。另外,有些学者提出将电机的位置信号和电机电枢的电流信号共同作用于电机动态模型以估计电机的速率5,6,即观测器理论,Brown 7,8等人分析了这种速率评估算法,得到的结论是该方法本质是开环的,并且需要较强的滤波器以降低测量噪声的作用。Lorenz和Van Pattern9,10提出了电机速率估计的闭环观测器法,得出的结论是闭环观测器比反向差分算法具有更好的抑制力矩脉动的效果。然而,该算法的观测点在稳态和动态时都难以确定,再加上码盘固有的数字特性,即由于位置信号量化导致的位置误差一直存在
21、,致使观测器难以找到稳态位置,从而难以实现速率估计。1.3.2 摩擦及补偿方法研究现状 影响系统低速跟踪性能的因素有很多,包括非线性摩擦,角位置传感器的分辨率,控制系统的采样频率,量化分辨率及A/D采集卡的分辨率等。其中最主要的影响因素是非线性摩擦,造成了伺服系统低速运行时的“滞滑”现象和精确定位时的“抖动”现象。为了抑制伺服系统中非线性摩擦环节带来的不良影响,在大量的研究和实践中,总结出很多有效的方法,可概括为如下三类11:(1)改变机械伺服系统的设计结构,减少传动环节的作用;(2)选择更好的润滑剂,减小动摩擦和静摩擦之间的差值;(3)采用适当的控制补偿方法,补偿非线性摩擦。本节着重讨论第三
22、类。尽管人们在摩擦建模及补偿方面的研究已有近百年的历史,但由于受到当时控制理论和摩擦学研究的限制,进展不大。进入 20 世纪 80 年代以后,随着计算机技术和微处理器技术的飞速发展,采用适当的摩擦控制补偿技术来实现精确定位和跟踪成为热门的研究课题,这一领域的研究呈明显增长的趋势,众多学者相继提出了许多新的摩擦模型和补偿方法 12。对于控制系统而言,研究摩擦模型是为了更好的理解摩擦产生的机理以及研究如何减小摩擦对系统综合性能的影响,为摩擦补偿提供准确的数学模型,近年来许多学者在研究摩擦补偿方面做了大量的研究13。考虑不同的系统中存在不同类型的摩擦现象,因此采用不同的摩擦模型和控制策略进行摩擦补偿
23、。可以按照不同的标准对摩擦补偿方法进行分类,一般是根据是否采用摩擦模型将其分为基于模型的摩擦补偿控制方法和基于非模型的摩擦补偿控制方法14。(1)基于模型的补偿控制方法。-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 基于摩擦模型补偿方法的实质是前馈补偿,即首先对控制系统中的摩擦环节建立或选择适当的数学模型,由此摩擦模型和系统的状态变量信息对摩擦进行估计,然后在控制中加上摩擦的估计值,从而消除摩擦环节对系统的影响。基于模型的补偿分为固定模型补偿和自适应摩擦补偿15。固定模型补偿是将参数固定的摩擦补偿控制器加入到标准控制算法中,该固定补偿控制器是基于某种指定的摩擦模型,并通过离线辨识得到摩擦参数。只有当时
24、间、温度等引起的摩擦变化的因素可以忽略并且离线估计的摩擦参数非常准确时,采用这类方法才能获得满意的结果。显然用来定义补偿项的摩擦模型必须足够准确13,14。在机器人控制领域,Kostic等16针对三旋转接点机器人,基于三S型函数摩擦模型,提出了一种固定摩擦补偿方法。由于摩擦模型中不包含静摩擦,因此只能通过积分控制补偿静摩擦。通过具有摩擦补偿的逆动力学控制方案,在手写实验中取得了令人满意的结果。在文献17和18中,作者研究了基于Stribeck模型的固定补偿问题,并且均通过一个状态观测器得到速率估计信号。Philips等19针对机器人关节控制,提出了基于静摩擦加库仑摩擦加黏性摩擦的固定模型补偿方
25、法。自适应摩擦补偿是基于一个特定的静态或者动态摩擦模型,通过在线估计得到摩擦参数,从而使系统不断适应摩擦参数变化以得到满意的补偿效果。自20 世纪 90 年代以来,这种方法引起了广大学者的极大兴趣。然而,当采用一个完善的动态模型进行摩擦补偿时,会遇到两个主要问题:(1)摩擦模型中的摩擦参数为非线性形式;(2)依赖于未知参数的内部摩擦状态是不可测的14。K.M.Misoved等20提出了基于LuGre模型的鲁棒自适应摩擦补偿方法,在参考输入为持续激励的情况下,模型中所有参数的估计都渐进收敛到真值。Friedland和Park21针对库仑摩擦模型采用非线性降阶观测器对库仑摩擦参数进行估计,并保证在
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