具有摩擦非线性环节的伺服系统控制技术研究
毕业论文关键词：摩擦非线性 伺服系统三环控制结构 Simulink PID 控制 前馈补偿
Title Research on the servo system control withnonlinear friction link
Abstract With the development of science and technology,servo system performance is higherrequired.The nonlinear friction is one of the most important factors that affectthe performance of the servo system,especially it is easily to cause waveformdistortion and stick-slip motion when the speed is low.This paper presentsfriction compensation for the impact of nonlinear friction section.In thispaper，the friction model with the triple-ring structure of the servo system issimulated by a PID controller with feedforward compensation in Simulink env--ironment.The simulation results demonstrate that the PID controller with fee-dforward compensation can effectively restrain the influence of nonlinear frictionon the system.
Keywords：nonlinear friction；triple-ring structure of the servo system；simulink；PID control；feedforward compensation
目录
1引言1
1.1课题背景1
1.2摩擦力现象及描述1
1.3摩擦建模及补偿发展现状2
2伺服系统摩擦分析与建模6
2.1伺服系统6
2.2伺服系统三环结构6
2.3摩擦非线性对伺服系统的影响9
3PID控制和前馈补偿控制12
3.1PID控制设计12
3.2前馈补偿控制14
4仿真分析16
4.1simulink16
4.2仿真参数设置18
4.3仿真结论19
结论22
致谢23
参考文献24
1 引言1.1 课题背景随着科学技术地不断发展，伺服控制系统的研究越来越受到人们的重视，同时人们对伺服系统的控制性能要求也越来越高。伺服系统已广泛应用于在工业制造、机器人、自动驾驶等领域中，伺服系统还在现代工业、国防等高科技领域中具有举足轻重的地位。交流伺服系统的研究已成为近几年来研究位置伺服系统的主流。摩擦存在于人们日常生活、学习、工作中，同时摩擦也存在于伺服系统中。在伺服系统的传动链中，摩擦非线性的存在导致伺服系统一系列低速爬行、振荡、动态滞后等现象，这对系统控制精度产生严重的影响。因此研究如何克服摩擦非线性环节对伺服控制系统的影响-吹冰`文~论^文.网www.chuibin.com，同时提高系统控制性能具有重要的理论意义和实用价值。
1.2 摩擦力现象及其描述在机械伺服系统中，摩擦力产生于两个相互接触的接触面上且两个接触面之间具有相对运动或者具有相对运动的趋势，可以通过接触面上微观变化过程来对摩擦变化定性分析。整个过程可分为 4 个阶段：接触面弹性形变阶段（静摩擦力阶段）、边界润滑阶段、部分液体润滑阶段和完全液体润滑阶段[1]。在系统进入稳态时，摩擦力矩也表现为相对速度的函数，这种关系叫做Stribeck曲线[2]。如图 1所示：图1 摩擦力矩与速度的稳态关系曲线第一阶段：接触面弹性形变阶段（静摩擦力阶段），这个阶段是发生在接触面刚接触时，将外力施加到相互接触的接触面上，但相互接触的接触面之间没有相对滑动（具有相对滑动趋势）而是产生了微小的弹性形变，此类摩擦力称为静摩擦力，静摩擦力大小与所施加的外力大小在数值相等但方向恰好相反。第二阶段：边界润滑阶段，这个阶段发生在开始运动的时候。如果外界所施加的外力达到系统某一临界值后，物体就会开始运动。经过大量研究表明，伺服系统在低速阶段容易产生爬行现象，这种现象的原因主要是由于这个阶段的存在而引起的。第三阶段：部分液体润滑阶段，这个阶段发生在物体运动一定时间后，但速度还没达到稳定状态。这个阶段部分接触面处于液体润滑，而另外一部分处于固体接触。这个阶段是摩擦记忆现象和摩擦力矩出现负斜率特性的阶段。第四阶段：完全液体润滑阶段，在这个阶段中，随着速度不断增加，相互接触的接触面之间完全处于液体润滑阶段，这使得接触面之间的摩擦力减小，此时摩擦力矩称之为粘滞摩擦力矩。Stribeck曲线用来描述摩擦力的静态特性，这种静态特性主要体现在摩擦力矩与转速之间的对应关系。