具有摩擦非线性环节的伺服系统控制技术研究(2)
1.3 摩擦建模及补偿发展现状文献[1]同时指出，经过大量的研究，从研究中总结出一些行之有效的方法来减少伺服系统中的摩擦非线性环节对系统带来的不良影响，这些方法可概括为：1）对于机械伺服系统，可以减少系统的传动环节以及改变机械伺服系统的结构，传动环节的减少和结构的改变在一定程度上可以减少摩擦对系统的影响。2）润滑剂在作用上可以减小摩擦对系统的影响，可以选择更好的润滑剂来减小系统动摩擦与静摩擦力之间的差值。3）伺服系统控制需要一些控制方法，在摩擦非线性环节可以采用一些比较合适的控制补偿方法，以达到更好的控制效果。由上可知，采用更好润滑剂和改变系统机械结构等这些手段可以减少摩擦对伺服系统的不良影响，但由于目前工艺水平是有限的，使得这些手段在采用上也会受到限制。在研究系统的控制策略中，还可以采用摩擦补偿来减小摩擦对系统的影响[3]。经过大量的研究发现，这是一种可行方法。从控制策略层面上分，摩擦补偿主要分为两种，一种是没有模型的摩擦补偿，另外一种是基于模型的摩擦补偿[4]。基于模型的摩擦补偿是建立在摩擦模型的基础上的，通过系统辨识等手段获得模型的所有参数值，然后再利用获得的模型参数估算出摩擦力，从而可以在控制器增加一个摩擦补偿量来消除摩擦对系统的影响[4]。在无模型摩擦补偿中，摩擦力可近似的被看作非线性的外部干扰，采用高增益的 PID控制、滑模控制、鲁棒控制等先进的控制策略，能抑制摩擦对系统性能的干扰[4]。近百年来，解决摩擦给系统造成的不良影响是人们对摩擦建模和摩擦动态补偿技术的研究的主要目， 在人们很长时间研究中， 出现了很多种摩擦模型， 包括库伦摩擦+粘性摩擦模型、Dahl 模型、Karnop 模型、LuGre 模型、Leuven 模型、Maxwell—slip 模型等等[5]。其中，LuGre模型能准确描述摩擦过程中爬行、极限环振荡、滑前变形、摩擦记忆、变静摩擦及 Stribeck曲线等复杂的动静态特性[5]。 LuGre 模型考虑了两个接触表面之间弹性刚毛的平均偏移来表征摩擦的动态行为，较精确地描述了摩擦过程复杂的静态和动态特性[6]。在摩擦补偿方法上，人们还采用固定摩擦补偿方法，这是因为 LuGre 参数多并且结构复杂，很难再实际中得以应用。采用自适应摩擦补偿方法来消除由于温度、润滑状态和磨损等条件的变化使得摩擦力矩发生的变化，这种摩擦补偿方法一方面可以用单观测器估计 LuGre 模型的鬃毛变形量，同时摩擦力矩和负载不确定性的自适应补偿可以用积分反步控制算法来实现[7]。另一方面，自适应补偿摩擦的方法的实现还需要采用双观测器。在伺服系统的摩擦补偿研究中，目前广泛应用的摩擦模型存在不足，对其问题产生原因进行了分析和探讨，结合伺服系统的实际运动特性，通过在模型中引入 Stribeck 函数和整体的摩擦力项[8]。根据其是否需要具体的摩擦模型，摩擦补偿方法可分为非模型的和基于模型的补偿方法[9]。这是一种线性补偿方法，对摩擦非线性的补偿程度取决于 Q 滤波器的带宽，而该带宽的提高又受到实际系统中机械谐振等因素的限制[2]。采用模糊 PID控制算法时，阶跃响应无超调、响应快、稳态精度高；速度跟踪虽有抖动，但其过死区时间短、精度高，其输出曲线更加逼近给定输入信号曲线[10]。可以采用模糊 PID与传统 PID控制串联的方法，这种比常规 PID优秀控制的设计方法能够有效地对带有摩擦环节的伺服系统进行控制。
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