含摩擦特性的伺服系统控制策略研究及其应用

摘要

伺服作为delta并联机器人的驱动关机，其控制性能好坏直接影响机器人控制效果。而摩擦普遍存在于伺服系统中，表现出摩擦记忆、变静摩擦等非线性特性，导致伺服系统低速爬行、存在稳态误差、降低控制精度等问题，因此delta并联机器人位置控制效果不佳。本文针对含摩擦伺服系统，选用BackStepping控制算法对摩擦非线性环节进行补偿控制，并提出一种基于BackStepping-积分复合控制方式对摩擦非线性环节进行补偿。
　　首先对所要研究控制系统中的被控对象进行深入了解与分析，对摩擦的产生机理及表现形式进行深入分析，选择合适的摩擦模型作为系统非线性环节。对PMSM的数学模型进行深入讨论，深入理解并清楚矢量控制方式原理及实现，并结合常用控制算法对PMSM数学模型进行适当的简化，为后面的深入研究做好准备工作。
　　其次选用BackStepping控制方法作为含摩擦伺服系统控制策略，在PMSM数学模型与摩擦模型的基础上构建子系统与李雅普诺夫能量函数，推导BackStepping控制律。通过对摩擦参数的改变，发现伺服系统出现稳态误差，通过深入分析，明确了稳态误差的来源。为消除稳态误差，通过借鉴PID控制策略中的积分作用，提出了BackStepping-积分复合控制策略，在能够快速补偿摩擦非线性对系统影响，并获得良好鲁棒性的基础上消除由于系统参数变化而带来的稳态误差，仿真验证本文所提控制策略的有效性。并在文中给出基于动态摩擦模型的自适应摩擦补偿控制器设计方法及伺服控制系统的软硬件设计架构。
　　最后以Delta并联机器人平台作为背景，仿真验证本文所提的控制策略在实际应用中的具体效果，验证了本文所提控制策略的有效性及在Delta机器人中良好的应用效果。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景与目的

1．1．2 研究意义

1．2 摩擦特性及发展现状

1．2．1 摩擦特性研究

1．2．2 含摩擦系统控制策略发展现状

1．2．3 机器人控制发展现状

1．3 主要研究内容

第二章 PMSM矢量控制系统及摩擦模型建立

2．1 伺服系统的结构

2．2 永磁同步电机数学模型

2．2．1 永磁同步电机类型与结构

2．2．2 永磁同步电机物理模型

2．2．3 永磁同步电机数学模型

2．3 摩擦非线性环节数学模型

2．3．1 摩擦产生及对伺服系统影响

2．3．2 摩擦的常见模型及分析

2．3．3 Stribeck和Lugre模型

2．3．4 摩擦非线性环节对系统的影响

2．4 矢量控制系统仿真

2．4．1 空间矢量定义与矢量控制基本原理

2．4．2 SVPWM矢量控制模块

2．4．3 坐标变换

2．4．4 控制器设计

2．4．5 矢量控制系统模型

2．5 本章小结

第三章 含摩擦非线性系统控制策略研究

3．1 含摩擦伺服系统PID控制

3．1．1 控制系统结构

3．1．2 PID控制器设计

3．2 基于反步法摩擦非线性补偿控制

3．2．1 反步控制理论基础与设计方法

3．2．2 控制系统结构

3．2．3 反步控制器设计

3．3 改进的反步法控制方式

3．4 仿真研究分析

3．5 本章小结

第四章 自适应控制器设计与控制系统软硬件设计

4．1 状态重构与状态估计介绍

4．2 动态摩擦模型下的控制器设计

4．3 控制系统软硬件设计

4．3．1 控制系统硬件架构设计

4．3．2 控制系统软件架构设计

4．4 本章小结

第五章 含非线性关节的delta并联机器人仿真分析

5．1 delta机器人运动学分析

5．1．1 delta机器人结构介绍

5．1．2 Delta机器人逆向运动学分析

5．1．3 Delta机器人正向运动学分析

5．2 含非线性关节并联机器人运动学仿真分析

5．3 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况