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直线电机定位平台的摩擦建模与补偿

北京航空航天大学学报 2008年第1期34卷 47-50页

作者：张从鹏刘强北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100083

介绍了一种由双边直线电机驱动的H型精密定位平台,为了减小运动平台的速度跟随误差和定位误差,研究了该精密定位系统的摩擦建模和补偿问题.由于工作台的滑块在导轨的不同位置表现出不同的摩擦特性,为改善补偿效果,提出了一种基于经典Str... 详细信息

介绍了一种由双边直线电机驱动的H型精密定位平台,为了减小运动平台的速度跟随误差和定位误差,研究了该精密定位系统的摩擦建模和补偿问题.由于工作台的滑块在导轨的不同位置表现出不同的摩擦特性,为改善补偿效果,提出了一种基于经典Stribeck摩擦力模型和工作台运动副位置参数的摩擦建模新方法,通过实验和回归的方法辨识出了工作台双边导轨的改进型Stribeck摩擦模型.基于建立的摩擦模型,采用前馈技术进行摩擦力补偿控制.实验结果表明,基于模型的摩擦补偿提高了系统的控制性能;改进型Stribeck摩擦模型比传统Stribeck摩擦模型有更好的补偿效果,适合具有大行程工作台的摩擦建模与补偿.

关键词：直线电机摩擦建模摩擦力补偿运动平台

低重力模拟装置关节滚动轴承摩擦力矩建模与补偿

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低重力模拟装置关节滚动轴承摩擦力矩建模与补偿

作者：安小康福州大学

学位级别：硕士

随着载人航天工程的不断发展和深空探测任务的不断涌现,现阶段的低重力环境模拟方式无法满足大量的在地航天任务验证与航天员在地训练。考虑到现阶段的中性水池模拟失重、悬吊法模拟失重和自由落体法模拟失重等存在制造和维护成本高或... 详细信息

随着载人航天工程的不断发展和深空探测任务的不断涌现,现阶段的低重力环境模拟方式无法满足大量的在地航天任务验证与航天员在地训练。考虑到现阶段的中性水池模拟失重、悬吊法模拟失重和自由落体法模拟失重等存在制造和维护成本高或模拟时间、模拟自由度受限等缺点,提出了一种基于势能守恒的被动式低重力环境模拟系统,该系统具有制造和维护成本低、模拟时间不受限、安全性高、可模拟0～1g任意低重力环境的优点,研发该设备对推动航天工程的发展具有重要战略意义。文章所述的低重力模拟装置是基于弹簧系统弹性势能与机构和被失重物体重力势能间相互转化并保持总势能守恒的原理设计的,其技术难点在于如何保证势能的无损耗传递,即如何消除势能传递过程中低重力模拟装置关节滚动轴承摩擦力对势能的损耗。为解决以上难题,提出了低重力模拟装置关节滚动轴承摩擦力矩建模与补偿方案。为定量分析关节轴承摩擦对低重力模拟系统动力学特性的影响,首先基于势能守恒对低重力模拟系统原理进行推导,并导出了弹簧刚度与系统动力学参数间映射关系;结合第二类Lagrange方程法导出了低重力模拟系统动力学方程,并对关节轴承有无摩擦的情况进行了仿真分析。为建立轴承的摩擦力矩模型,设计了一套轴承摩擦力矩测量装置,并通过实验测量得到了不同正压力作用下轴承摩擦力矩值,经拟合得到了轴承摩擦力矩与所受正压力间函数模型;针对轴承摩擦力矩测量过程中因力传感器维间耦合而导致测量不准确的问题,提出了正反转消除摩擦的误差辨识方法和BP神经网络误差辨识方法。因低重力模拟装置关节轴承摩擦力矩补偿系统需满足力矩跟随和位置跟随,设计了一套基于电机-力传感器组合控制系统的力矩补偿方案,并对电机控制器的PID控制算法进行了设计,且将补偿方案与控制算法在单摆装置上进行了实验验证。其次,将上述摩擦补偿方案和补偿算法应用到第二代低重力模拟装置中,根据低重力模拟装置结构特性对其关节轴承摩擦力矩补偿装置进行了结构设计,并根据补偿装置结构特点对电机控制器进行了重新设计;针对在低重力模拟装置物理实验中无法通过传感器获取关节轴承所受正压力的问题,提出了在补偿实验前通过仿真获取低重力模拟装置不同关节构型下的轴承受力并建立了轴承受力离线数据集的方案;最后,通过仿真验证了上述轴承摩擦补偿方案和补偿算法在低重力模拟装置关节轴承摩擦力矩补偿中的有效性。

关键词：低重力模拟装置滚动轴承摩擦建模摩擦补偿 PID控制

精密可变狭缝系统摩擦特性建模与补偿方法研究

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精密可变狭缝系统摩擦特性建模与补偿方法研究

作者：罗皓哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

精密可变狭缝系统作为光刻机设备下的一个子系统,具有至关重要的作用,其性能直接影响硅片的曝光质量。精密可变狭缝系统通过控制两个方向的四个刀片完成挡光窗口的开合,配合光刻机其他系统完成光刻任务,具有高加速度和高精度,对运动控... 详细信息

精密可变狭缝系统作为光刻机设备下的一个子系统,具有至关重要的作用,其性能直接影响硅片的曝光质量。精密可变狭缝系统通过控制两个方向的四个刀片完成挡光窗口的开合,配合光刻机其他系统完成光刻任务,具有高加速度和高精度,对运动控制有极高的性能指标要求。本文以精密可变狭缝系统为背景,针对系统Y方向上存在的摩擦干扰力问题进行摩擦建模与补偿,从而提高系统的跟踪精度和快速性。首先,本文从精密可变狭缝系统整体着手,分析了系统的机械结构组成和电控系统组成。列出了系统两个方向上的运动指标,并对指标进行分解,为系统的带宽设计提供理论基础。为了减小平台的机械冲击,使系统从起点平滑地运动到终点,本文针对Y向的运动指标,规划了S曲线运动轨迹。根据Y向的机械结构特点,分析摩擦存在的原因,并设计干扰力采集方案,进行实验数据采集及预处理。其次,本文根据精密可变狭缝系统摩擦特点选择Lu Gre摩擦模型进行参数辨识。Lu Gre摩擦模型参数辨识分为静态参数辨识和动态参数辨识两部分,在静态参数辨识中,设计最小二乘法和粒子群优化算法参数辨识方案,并分析二者的优缺点,通过拟合度进行选取。再次,本文将驱动器、直线电机和运动平台作为广义被控对象,设计频域辨识方案,得到被控对象的频域响应,获得被控对象的传递函数。利用已建立的摩擦模型,设计了基于摩擦模型的前馈补偿控制方案,通过仿真和实验验证了方法的有效性,获得了更高的跟踪精度与快速性。最后,本文考虑到实际系统中因机械磨损等工况改变而带来摩擦模型参数的不确定性,设计了自适应控制器。通过仿真对比了自适应控制与基于摩擦模型的前馈控制的跟踪误差,验证了自适应控制在此类问题上控制效果的优越性。

关键词：摩擦建模 Lu Gre摩擦模型前馈控制自适应控制

考虑关节摩擦的5-PSS/UPU并联机构动力学建模及耦合特性分析

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机械工程学报 2019年第3期55卷 43-52页

作者：李研彪郑航孙鹏徐涛涛王泽胜秦宋阳浙江工业大学机械工程学院杭州310032

为了将并联机构应用于航天器的海面回收平台等领域,提出一种可以实现三移动二转动的新型五自由度并联机构—5-PSS/UPU并联机构作为柔性自适应动态平衡装置,并对该并联机构进行了耦合特性分析。首先,利用矢量法得到了机构运动学的正反解... 详细信息

为了将并联机构应用于航天器的海面回收平台等领域,提出一种可以实现三移动二转动的新型五自由度并联机构—5-PSS/UPU并联机构作为柔性自适应动态平衡装置,并对该并联机构进行了耦合特性分析。首先,利用矢量法得到了机构运动学的正反解。其次,在考虑关节摩擦效应的情况下,采用牛顿-欧拉法建立了5-PSS/UPU并联机构的动力学模型,并对机构的动力学模型进行了数值仿真验证,结果表明考虑关节摩擦和未考虑关节摩擦时,各移动副的驱动力最大误差分别为:1.62%、0.48%、3.85%、1.21%、5.13%。然后,基于动力学模型,进行动力学耦合特性分析,并给出了惯量耦合特性评价指标。最后,在该并联机构的工作空间内,研究了耦合评价指标随机构运动状况的变化规律。研究结果表明,通过合理规划运动轨迹可以在一定程度上减少动力学耦合特性对并联机构动态性能所产生的影响。

关键词： 5-PSS/UPU并联机构摩擦建模牛顿-欧拉法惯量耦合特性动态特性

考虑关节摩擦的3SPS+1PS并联机构显式动力学建模研究

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机械工程学报 2017年第1期53卷 28-35页

作者：山显雷程刚中国矿业大学机电工程学院徐州221116

显式动力学模型是并联机构控制器设计的基础,由于并联机构的闭环结构特点,导致其显式动力学建模过程通常比较复杂。为了避免动力学建模过程中繁琐的求导过程,考虑关节摩擦并基于牛顿-欧拉法对3SPS+1PS并联机构的显示动力学模型进行了研... 详细信息

显式动力学模型是并联机构控制器设计的基础,由于并联机构的闭环结构特点,导致其显式动力学建模过程通常比较复杂。为了避免动力学建模过程中繁琐的求导过程,考虑关节摩擦并基于牛顿-欧拉法对3SPS+1PS并联机构的显示动力学模型进行了研究。在并联机构运动学及受力分析的基础上,建立其具有一般形式的动力学模型,选取动平台上球铰链所在位置点的运动学参数作为中间变量,并将其表示为各运动参数的函数,通过参数替换,最终得到包含人工髋关节、推力球轴承、球铰链及电动缸等处摩擦且具有显式形式的动力学模型。将所建立并联机构动力学模型的数值仿真结果与实测结果进行对比分析,验证了所建立模型的有效性。得到的动力学模型可用于并联机构的动力学控制器设计及摩擦补偿控制研究,所使用的方法同样适用于其他构型并联机构的显式动力学建模。

关键词： 3SPS+1PS并联机构牛顿-欧拉法显式动力学建模摩擦建模

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摩擦非线性环节的特性、建模与控制补偿综述

系统工程与电子技术 2002年第11期24卷 45-52页

作者：刘强尔联洁刘金琨北京航空航天大学自动控制系北京100083

首先介绍了机械伺服系统中摩擦非线性环节的动态、静态特性的研究成果和目前常用的几种摩擦模型 ,讨论了摩擦非线性环节对伺服系统的动态性能和静态性能的影响 ,以及摩擦非线性环节导致的极限环振荡、低速爬行等现象。然后对有关摩擦补... 详细信息

首先介绍了机械伺服系统中摩擦非线性环节的动态、静态特性的研究成果和目前常用的几种摩擦模型 ,讨论了摩擦非线性环节对伺服系统的动态性能和静态性能的影响 ,以及摩擦非线性环节导致的极限环振荡、低速爬行等现象。然后对有关摩擦补偿方法方面的研究成果进行了总结 ,介绍了传统的摩擦补偿方法和基于智能控制理论的摩擦补偿方法方面的研究成果。最后 ,展望了该领域今后的发展方向。

关键词：摩擦非线性环节控制补偿摩擦摩擦建模摩擦补偿机械伺服系统

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含摩擦伺服系统的建模与控制研究

含摩擦伺服系统的建模与控制研究

作者：张剑中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着伺服系统的广泛应用,高精度伺服系统控制成为了当前运动控制领域研究的一个热点问题;某型雷达高精度角跟踪伺服系统正可以描述为一类含摩擦环节的伺服系统。摩擦作为伺服系统包含的一种重要的非线性因素,对提高伺服系统控制精度具... 详细信息

随着伺服系统的广泛应用,高精度伺服系统控制成为了当前运动控制领域研究的一个热点问题;某型雷达高精度角跟踪伺服系统正可以描述为一类含摩擦环节的伺服系统。摩擦作为伺服系统包含的一种重要的非线性因素,对提高伺服系统控制精度具有极大的消极影响。同时摩擦环节的具有非线性特质也给伺服系统建模、辨识和控制带来了很多困难。本文基于某型雷达高精度角跟踪伺服系统的控制要求,研究了一类含有摩擦环节伺服系统的建模、辨识、摩擦补偿和抗输入饱和控制的问题。本文第一部分为含摩擦环节伺服系统的数学建模与参数辨识。首先,通过分析系统各部分的物理特性得到了系统的数学模型,其次,采用两步参数辨识方法进行系统参数辨识。第一步通过测量Stribeck曲线并利用遗传算法得到了LuGre摩擦模型的静态参数部分,第二步根据低速情况下的摩擦模型特点将系统模型简化为二阶系统,基于系统辨识理论,利用输入输出数据得到了LuGre模型动态参数和伺服系统参数,进而完成了系统模型的参数辨识;再次,对所采用的参数辨识方法进行了数字仿真,仿真结果表明了两步参数辨识方法是有效的。本文第二部分为系统分析与控制器设计。首先,分析了摩擦导致系统出现低速爬行和极限环振荡的原因,证明了采用PID控制难以实现系统的稳定控制;其次,设计了前馈PID固定摩擦补偿控制算法;接着,提出了一种修正的LuGre摩擦模型,克服了传统LuGre模型的鬃毛观测器在离散化后会导致系统不稳定的缺点,并根据该模型设计反步自适应摩擦补偿控制算法;再次,在考虑系统输入饱和的情况下,设计了抗饱和摩擦补偿反步自适应控制器。最后,基于李雅普诺夫稳定性理论,分别证明了以上三种算法都能保证系统的稳定性。仿真结果表明,前馈PID控制能改善系统低速爬行与极限环振荡,并提高系统精度,但是该算法鲁棒性较差,而基于修正LuGre模型的反步自适应控制不仅消除了系统低速爬行现象而且大幅提高了系统的跟踪精度,最后的抗饱和摩擦补偿反步自适应控制则能在系统具有输入饱和时仍然保证系统具有较高的控制精度。

关键词：直流伺服系统摩擦建模摩擦补偿 LuGre模型输入饱和

基于各向异性分形几何理论的摩擦非线性数学模型

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振动与冲击 2013年第23期32卷 135-144页

作者：田红亮赵春华方子帆朱大林秦红玲刘芙蓉钟先友三峡大学机械与材料学院宜昌443002

基于各向异性分形几何理论,推导接触面法向总载荷、最大静摩擦力、静摩擦系数的严格解析解。根据中间自变量接触率,建立接触面静摩擦非线性的数学模型。数值模拟的计算结果表明:静摩擦系数随着法向总载荷或材料性能参数的增加而微向上... 详细信息

基于各向异性分形几何理论,推导接触面法向总载荷、最大静摩擦力、静摩擦系数的严格解析解。根据中间自变量接触率,建立接触面静摩擦非线性的数学模型。数值模拟的计算结果表明:静摩擦系数随着法向总载荷或材料性能参数的增加而微向上凸弧式增加,随着分形粗糙度的减小而微向上凸弧式增大;当分形维数较小时,静摩擦系数随着分形维数的增大而增大;当分形维数较大时,静摩擦系数随着分形维数的增大而变小;在绝对刻度坐标系统下,法向总载荷和最大静摩擦力近似表现出线性正比例的关系。

关键词：各向异性分形几何摩擦建模最大静摩擦力静摩擦系数

考虑啮合关系的谐波减速器非线性动力学建模与控制器设计

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考虑啮合关系的谐波减速器非线性动力学建模与控制器设计

作者：石崟重庆大学

学位级别：硕士

谐波传动作为一种新型传动形式,已经越来越广泛的应用在工业机器人、航空航天、医疗机器人等领域中应用。谐波减速器具有小体积、轻量化、高传动比、传动精度高等优势;由于这些问题的机理分析尚不够完备,极大限制了国内谐波减速器生产... 详细信息

谐波传动作为一种新型传动形式,已经越来越广泛的应用在工业机器人、航空航天、医疗机器人等领域中应用。谐波减速器具有小体积、轻量化、高传动比、传动精度高等优势;由于这些问题的机理分析尚不够完备,极大限制了国内谐波减速器生产企业的设计、创新能力。因此探究谐波减速器内部啮合、摩擦机理,建立基于物理关系的动力学模型,对指导谐波减速器的设计、制造环节有着重大的研究意义。本文以公切线双圆弧齿廓谐波减速器为研究对象,提出了一种计算谐波减速器刚度和载荷分配情况的方法,在该方法的基础上对谐波减速器的时变啮合刚度进行了计算;提出了一种从产生机理出发的对谐波减速器非线性摩擦建模的方法,对该模型进行了验证;建立了谐波减速器的动力学模型,与试验数据进行对比,分析动力学特性,设计控制器。本文给出了双圆弧切线齿廓的谐波减速器的笛卡尔坐标系下的齿廓方程的推导过程,不同齿对间最小侧隙计算方法,通过计算单齿齿刚度,得到了谐波减速器载荷在啮合齿对间的分布情况,进一步得到整体综合啮合刚度。结果表明谐波减速器在空载或满载工况其时变啮合刚度都非常稳定;在中载时其时变啮合刚度会出现明显的波动。通过考虑各非线性因素,对谐波减速器中的接触摩擦力矩、黏滞摩擦力矩和弹性变形等效耗散摩擦力矩进行建模,使用遗传算法进行参数辨识,建立谐波减速器摩擦模型。通过对该模型参数分析,发现谐波减速器的弹性变形能量耗散可能占全部能量损失30%—50%之多。对谐波减速器动力学建模后,分析了其动态性能、转速误差特性;使用反演法设计控制器,有效的抑制了转速误差,提高了系统的动态性能。本文研究可以为谐波减速器的齿廓、结构设计提供更加完善的理论基础,对生产实践有一定的指导价值。

关键词：谐波减速器时变啮合刚度摩擦建模动力学模型反演控制器