[發明專利]一種基于摩擦補償的伺服系統控制方法

有效

• 申請號: 201410384731.0
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN104166346A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 王良勇;楊梟;柴天佑;遲瑛
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 朱光林

1.一種基于摩擦補償的伺服系統控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：伺服系統的控制機構發出電流信號，驅動伺服電機，伺服電機輸出轉矩信號控制伺服系統所帶負載從初始位置轉向目標位置；

步驟2：伺服系統的編碼器實時檢測伺服系統所帶負載的轉動角度；

步驟3：判斷伺服系統所帶負載是否偏離目標位置，如偏離，則執行步驟4，否則返回步驟2；

步驟4：對伺服系統進行基于摩擦補償的控制；

步驟4.1：根據伺服系統的動力學機理，以伺服電機的電流信號為輸入信號，以伺服系統所帶負載的轉動角度為輸出信號，建立伺服系統的離散線性模型：

A(z^-1)y(k+1)＝B(z^-1)u(k)

其中，伺服系統的離散線性模型參數A(z^-1)＝1+a₁z^-1+a₂z^-2，B(z^-1)＝b₀+b₁z^-1，a₁,a₂,b₀,b₁是未知參數；

步驟4.2：根據建立的伺服系統的離散線性模型確定伺服系統所帶負載的理想轉動角度；

y^*(k+1)＝-a₁y(k)-a₂y(k-1)+b₀u(k)+b₁u(k-1)

其中：y^*(k+1)離散線性模型在第k+1時刻的輸出信號，即在第k+1時刻伺服系統所帶負載的理想轉動角度；y(k)是第k時刻伺服系統所帶負載的實際轉動角度；u(k)為第k時刻伺服電機的電流信號；

步驟4.3：確定第k+1時刻伺服系統所帶負載的實際轉動角度y(k+1)與第k+1時刻伺服系統所帶負載的理想轉動角度y^*(k+1)之間的偏差信號v(k+1)，即表征伺服系統摩擦的未建模動態；

v(k+1)＝y(k+1)-y^*(k+1)

步驟4.4：根據表征伺服系統摩擦的未建模動態v(k+1)和伺服系統的離散線性模型，建立包含伺服系統摩擦的伺服系統離散非線性模型：

A(z^-1)y(k+1)＝B(z^-1)u(k)+v(k+1)

其中，v(k+1)＝v(k)+Δv(k)，v(k)為第k時刻表征伺服系統摩擦的未建模動態；Δv(k)為未建模動態在第k+1時刻的增量；

步驟4.5：確定未建模動態在第k時刻的增量，該增量與未建模動態在第k+1時刻的增量近似相等；

Δv(k-1)＝v(k)-v(k-1)

其中，v(k)為第k時刻表征伺服系統摩擦的未建模動態，v(k-1)為第k+1時刻表征伺服系統摩擦的未建模動態；

步驟4.6：利用PD控制模型和表征伺服系統摩擦的未建模動態，建立基于摩擦補償的伺服系統控制模型：

H(z^-1)u(k)＝R(z^-1)w(k)-G(z^-1)y(k)-K(z^-1)[v(k)+Δv(k-1)]

式中，H(z^-1)，R(z^-1)，G(z^-1)為PD控制模型參數：H(z^-1)＝(1+h₁z^-1)，h₁是待定系數；R(z^-1)＝G(z^-1)＝g₀+g₁z^-1，g₀＝K_p+K_d，g₁＝-K_i，K_p和K_d是比例和微分系數；K(z^-1)是未建模動態補償增益多項式，K(z^-1)＝1+k₁z^-1，k₁為未建模動態補償增益多項式系數，z^-1為時間后移算子；

步驟4.7：將基于摩擦補償的伺服系統控制模型代入包含伺服系統摩擦的伺服系統離散非線性模型，得到伺服系統的閉環方程：

[A(z^-1)H(z^-1)+z^-1B(z^-1)G(z^-1)]y(k+1)＝B(z^-1)G(z^-1)w(k)+[H(z^-1)-B(z^-1)K(z^-1)][v(k)+Δv(k-1)]+H(z^-1)[Δv(k)-Δv(k-1)]

式中：Δv(k)-Δv(k-1)是未建模動態在第k+1時刻的增量與未建模動態在第k時刻的增量的偏差；

步驟4.8：采用極點配置方法確定h₁、K_p和K_d；

步驟4.9：在穩態時對表征伺服系統摩擦的未建模動態進行全補償：令H(z^-1)-B(z^-1)K(z^-1)＝0，令K(1)＝H(1)B(1)，確定未建模動態補償增益多項式系數k₁；

步驟4.10：將確定的h₁、K_p、K_d、k₁代入基于摩擦補償的伺服系統控制模型，得到基于摩擦補償的伺服系統控制模型的控制輸出，即得到u(k)，即第k時刻的伺服系統的電流信號；

步驟5：根據得到的伺服電機的電流信號驅動伺服電機，伺服電機輸出轉矩信號，從而控制伺服系統所帶負載回到目標位置，并保持在目標位置。