直线一级倒立摆中的非线性摩擦补偿控制研究

摘要

几乎所有的机电伺服系统中都存在摩擦，摩擦环节的存在是导致系统性能恶化的主要因素之一，因此如何合理解决系统中存在的摩擦环节，尤其是非线性摩擦环节的制约问题成为当前的研究热点。本文针对直线一级倒立摆伺服系统中的非线性摩擦补偿进行研究，提出采用位置环PD控制器结合非线性摩擦补偿控制器来消除非线性摩擦的干扰，以提高倒立摆系统的抗干扰性和位置跟踪精度。 综合考虑实际系统中的非线性摩擦，提出采用改进的Southward算法对系统中的摩擦干扰进行抑制。论文首先建立了倒立摆伺服系统的数学模型，对系统速度环参数和摩擦模型进行了参数辨识。其次介绍了改进的Southward算法的基本思想和设计原则，根据Lyapunov稳定性判据分析了系统的稳定性，得出了系统稳定的条件。最后设计了位置环PD控制器和非线性摩擦补偿控制器。通过MATLAB/Simulink/xPC对系统进行了半物理仿真，在倒立摆实验平台上进行了实验验证。 仿真和实验结果表明，本文提出的方法能有效抑制非线性摩擦的干扰，且实现简单，在跟踪周期性交变信号上，优于传统PD控制器，易于在高速高精度系统中应用。

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英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的背景、目的和意义

1.1.1课题的工程背景

1.1.2课题研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1摩擦模型分类

1.2.2摩擦补偿方法

1.3课题的主要内容

第二章倒立摆小车动力学建模与参数辨识

2.1引言

2.2小车动力学模型

2.3倒立摆动力学模型

2.4速度环模型

2.5速度环参数辨识

2.6小结

第三章非线性摩擦补偿方法

3.1引言

3.2摩擦模型推导

3.2.1理想摩擦模型

3.2.2摩擦模型参数辨识

3.3广义非线性摩擦补偿方法

3.4广义非线性摩擦补偿方法在离散时间域中的改进

3.5小结

第四章实验平台设计

4.1引言

4.2硬件平台

4.3软件平台

4.3.1RTW环境介绍

4.3.2xPC Target环境介绍

4.3.3xPC应用过程介绍

4.4小结

第五章仿真与实验

5.1引言

5.2仿真

5.2.1位置环控制器设计

5.2.2跟踪S曲线仿真

5.2.3跟踪正弦曲线仿真

5.3实验

5.3.1跟踪S曲线实验

5.3.2跟踪正弦曲线实验

5.4小结

第六章结论与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的项目和发表论文