摩擦对电动直线负载模拟器的影响及其抑制研究
发布时间：2022-01-04 05:23
为抑制摩擦非线性因素对电动直线负载模拟器（ELLS）的影响,采用仿真与实验结合的方法分析摩擦对ELLS的影响。利用遗传算法对系统中的摩擦模型进行辨识,并得出了系统摩擦力与速度的关系;提出了一种摩擦前馈加变增益PID的混合控制方法,摩擦前馈用于消除摩擦对系统的影响,变增益PID用于进一步抑制系统在低速时的相位滞后;进行了对比仿真与实验。仿真分析与实验结果表明:与传统PID控制相比,采用摩擦前馈加变增益PID控制的ELLS加载波形畸变被抑制、加载误差与相位滞后均明显减少;所提出控制方法能够较好地抑制摩擦对ELLS的影响,提高加载精度。
【文章来源】：兵工学报. 2019,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
耦合系统简化结构图Fig．1Simplifiedstructureofcouplingsystem
??Vi为控制输入电压;L为舵机位移扰动;Tf为折算后的摩擦转矩;Kt为转矩系数;KA为刚度系数;Kv为放大系数;Lm与Rm分别为电机等效电感与等效电阻;Jm为系统转动惯量;Ke为反电动势系数;p为滚珠丝杠导程。根据(1)式～(4)式，可得出系统的开环控制框图如图2所示，图2中iq为q轴输入电流，Te为电磁转矩，Tl为负载转矩，ωm为电机输出转速，θm为电机输出角位移，θl为实际角位移，F为输出力。图2ELLS开环控制框图Fig．2BlockdiagramofELLSopen-loopcontrol1.2摩擦模型表述LuGre摩擦模型于20世纪90年代提出，与传统的摩擦模型相比，LuGre摩擦模型不仅考虑了摩擦的静态特性(静摩擦、Coulomb摩擦、黏滞摩擦等)，还体现了摩擦的动态特性，例如摩擦的突变、停止－滑动等摩擦现象［17］。LuGre摩擦模型假设两物体通过弹性鬃毛相接触，并引入鬃毛变形量z来确定物体的摩擦状态。本文将采用LuGre摩擦模型对ELLS系统中的摩擦进行建模，其一般表达式［18－19］为dzdt=v－|v|g(v)z，(5)σ0g(v)=Fc+(Fs－Fc)exp［－(v/vs)2］，(6)Tf=p2(πσ0z+σ1dzdt+σ2)v，(7)式中:Fs为静摩擦力;Fc为库仑摩擦力;vs为Stri-beck特征速度;σ2为黏性摩擦系数;σ0为鬃毛刚度;σ1为鬃毛阻尼系数;v为相对运行速度，在本系统中即为舵机运行速度;g(v)由能表征Stribeck效应的等式决定。?
的等式决定。当系统稳定运行在恒定速度时，可认为z为常数，结合(5)式可得z=sgn(v)g(v)．(8)综合(6)式～(8)式，可得稳态的LuGre摩擦模型，其表述［7－8］与传统的Stribeck模型相同:Tf(v)=p2π(σ0g(v)sgn(v)+σ2v)=p2π(Fcsgn(v)+(Fs－Fc)sgn(v)·exp［－(v/vs)2］+σ2v)．(9)2摩擦对ELLS影响分析在润滑良好的条件下，如图3所示为典型的摩擦效应曲线，其纵轴Ff为随速度变化的摩擦力。由图3中曲线可以看出:由于Stribeck效应，在低速运行时的摩擦力会反向增大;且当系统低速换向时，系统中的摩擦力会突然产生逆转，其值在某一瞬间会达到最大静摩擦力，进而使系统中产生较大力矩的波动。图3摩擦效应曲线Fig．3Frictioneffectcurve2.1仿真分析参考文献［7］，选取一定的摩擦模型参数代入(9)式并将摩擦模型引入数学仿真软件MATLAB/Simulink仿真模型中，对含有摩擦模型的ELLS模型进行Simulink仿真。仿真时，令舵机作幅值为1mm、频率为1Hz(简写为1mm/1Hz)的正弦运动，ELLS同步跟踪幅值为2000N、频率为1Hz(简写为2000N/1Hz)的正弦加载信号，仿真时引入舵机位置扰动补偿，得到仿真结果如图4所示。从图4(a)中可看出，由于静摩擦力的存在(见图3中Fs)，当舵机速度减速至0mm/s并反向启动的瞬间，系统反向摩擦力突然增大，舵机在换向时的速度产生了波动。另外，从图4(a)中可见，在t=0.25s时(舵机换向时)，由于摩
【参考文献】：
期刊论文
[1]影响电动直线负载模拟器性能的因素分析[J]. 雷建杰,范元勋,徐志伟,陈士云. 组合机床与自动化加工技术. 2018(09)
[2]基于迭代学习的电动负载模拟器复合控制[J]. 牛国臣,王巍,宗光华. 控制理论与应用. 2014(12)
[3]火箭发动机喷管伺服机构负载模拟系统设计与实验[J]. 张朋,付永领,郭彦青. 兵工学报. 2014(09)
[4]电液负载模拟器摩擦参数辨识及补偿[J]. 郭彦青,付永领,张朋,陈娟. 北京航空航天大学学报. 2014(09)
[5]应用稳态误差分析辨识LuGre模型参数[J]. 谭文斌,李醒飞,向红标,朱嘉,张晨阳. 光学精密工程. 2011(03)
[6]改进型LuGre模型的负载模拟器摩擦补偿[J]. 姚建勇,焦宗夏. 北京航空航天大学学报. 2010(07)
[7]LuGre摩擦模型对伺服系统的影响与补偿[J]. 周金柱,段宝岩,黄进. 控制理论与应用. 2008(06)
[8]基于LuGre模型的电液加载系统摩擦补偿[J]. 王晓东,焦宗夏,谢劭辰. 北京航空航天大学学报. 2008(11)
[9]基于LuGre模型的火炮伺服系统摩擦力矩自适应补偿[J]. 张文静,台宪青. 清华大学学报(自然科学版). 2007(S2)
[10]基于状态观测的自适应摩擦力补偿的高精度控制[J]. 王英,熊振华,丁汉. 自然科学进展. 2005(09)
硕士论文
[1]电动直线加载测试系统优化设计及其控制方法研究[D]. 徐志伟.南京理工大学 2018
[2]电动舵机伺服系统的间隙与摩擦补偿控制[D]. 兰远锋.北京交通大学 2016
[3]被动式力矩伺服鲁棒控制系统设计[D]. 张博文.哈尔滨工业大学 2016
[4]基于神经网络的电动负载模拟器控制策略研究[D]. 罗雄飞.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3567747
【文章来源】：兵工学报. 2019,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
耦合系统简化结构图Fig．1Simplifiedstructureofcouplingsystem
??Vi为控制输入电压;L为舵机位移扰动;Tf为折算后的摩擦转矩;Kt为转矩系数;KA为刚度系数;Kv为放大系数;Lm与Rm分别为电机等效电感与等效电阻;Jm为系统转动惯量;Ke为反电动势系数;p为滚珠丝杠导程。根据(1)式～(4)式，可得出系统的开环控制框图如图2所示，图2中iq为q轴输入电流，Te为电磁转矩，Tl为负载转矩，ωm为电机输出转速，θm为电机输出角位移，θl为实际角位移，F为输出力。图2ELLS开环控制框图Fig．2BlockdiagramofELLSopen-loopcontrol1.2摩擦模型表述LuGre摩擦模型于20世纪90年代提出，与传统的摩擦模型相比，LuGre摩擦模型不仅考虑了摩擦的静态特性(静摩擦、Coulomb摩擦、黏滞摩擦等)，还体现了摩擦的动态特性，例如摩擦的突变、停止－滑动等摩擦现象［17］。LuGre摩擦模型假设两物体通过弹性鬃毛相接触，并引入鬃毛变形量z来确定物体的摩擦状态。本文将采用LuGre摩擦模型对ELLS系统中的摩擦进行建模，其一般表达式［18－19］为dzdt=v－|v|g(v)z，(5)σ0g(v)=Fc+(Fs－Fc)exp［－(v/vs)2］，(6)Tf=p2(πσ0z+σ1dzdt+σ2)v，(7)式中:Fs为静摩擦力;Fc为库仑摩擦力;vs为Stri-beck特征速度;σ2为黏性摩擦系数;σ0为鬃毛刚度;σ1为鬃毛阻尼系数;v为相对运行速度，在本系统中即为舵机运行速度;g(v)由能表征Stribeck效应的等式决定。?
的等式决定。当系统稳定运行在恒定速度时，可认为z为常数，结合(5)式可得z=sgn(v)g(v)．(8)综合(6)式～(8)式，可得稳态的LuGre摩擦模型，其表述［7－8］与传统的Stribeck模型相同:Tf(v)=p2π(σ0g(v)sgn(v)+σ2v)=p2π(Fcsgn(v)+(Fs－Fc)sgn(v)·exp［－(v/vs)2］+σ2v)．(9)2摩擦对ELLS影响分析在润滑良好的条件下，如图3所示为典型的摩擦效应曲线，其纵轴Ff为随速度变化的摩擦力。由图3中曲线可以看出:由于Stribeck效应，在低速运行时的摩擦力会反向增大;且当系统低速换向时，系统中的摩擦力会突然产生逆转，其值在某一瞬间会达到最大静摩擦力，进而使系统中产生较大力矩的波动。图3摩擦效应曲线Fig．3Frictioneffectcurve2.1仿真分析参考文献［7］，选取一定的摩擦模型参数代入(9)式并将摩擦模型引入数学仿真软件MATLAB/Simulink仿真模型中，对含有摩擦模型的ELLS模型进行Simulink仿真。仿真时，令舵机作幅值为1mm、频率为1Hz(简写为1mm/1Hz)的正弦运动，ELLS同步跟踪幅值为2000N、频率为1Hz(简写为2000N/1Hz)的正弦加载信号，仿真时引入舵机位置扰动补偿，得到仿真结果如图4所示。从图4(a)中可看出，由于静摩擦力的存在(见图3中Fs)，当舵机速度减速至0mm/s并反向启动的瞬间，系统反向摩擦力突然增大，舵机在换向时的速度产生了波动。另外，从图4(a)中可见，在t=0.25s时(舵机换向时)，由于摩
【参考文献】：
期刊论文
[1]影响电动直线负载模拟器性能的因素分析[J]. 雷建杰,范元勋,徐志伟,陈士云. 组合机床与自动化加工技术. 2018(09)
[2]基于迭代学习的电动负载模拟器复合控制[J]. 牛国臣,王巍,宗光华. 控制理论与应用. 2014(12)
[3]火箭发动机喷管伺服机构负载模拟系统设计与实验[J]. 张朋,付永领,郭彦青. 兵工学报. 2014(09)
[4]电液负载模拟器摩擦参数辨识及补偿[J]. 郭彦青,付永领,张朋,陈娟. 北京航空航天大学学报. 2014(09)
[5]应用稳态误差分析辨识LuGre模型参数[J]. 谭文斌,李醒飞,向红标,朱嘉,张晨阳. 光学精密工程. 2011(03)
[6]改进型LuGre模型的负载模拟器摩擦补偿[J]. 姚建勇,焦宗夏. 北京航空航天大学学报. 2010(07)
[7]LuGre摩擦模型对伺服系统的影响与补偿[J]. 周金柱,段宝岩,黄进. 控制理论与应用. 2008(06)
[8]基于LuGre模型的电液加载系统摩擦补偿[J]. 王晓东,焦宗夏,谢劭辰. 北京航空航天大学学报. 2008(11)
[9]基于LuGre模型的火炮伺服系统摩擦力矩自适应补偿[J]. 张文静,台宪青. 清华大学学报(自然科学版). 2007(S2)
[10]基于状态观测的自适应摩擦力补偿的高精度控制[J]. 王英,熊振华,丁汉. 自然科学进展. 2005(09)
硕士论文
[1]电动直线加载测试系统优化设计及其控制方法研究[D]. 徐志伟.南京理工大学 2018
[2]电动舵机伺服系统的间隙与摩擦补偿控制[D]. 兰远锋.北京交通大学 2016
[3]被动式力矩伺服鲁棒控制系统设计[D]. 张博文.哈尔滨工业大学 2016
[4]基于神经网络的电动负载模拟器控制策略研究[D]. 罗雄飞.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3567747
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