基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略制造技术

本发明专利技术公开基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略，具体：步骤1：在P/PI级联控制器的基础上增加预滤波摩擦补偿器来提高驱动系统的抗摩擦干扰能力；步骤2：确定驱动系统的输出电压与跟踪误差的传递函数；步骤3：获取预滤波摩擦补偿器中LuGre模型的具体参数；步骤4：设计重复控制器；步骤5：将步骤4确定的重复控制器的作用时间段设置在运动换向处得到分段式重复控制；步骤6：将步骤5得到的分段式重复控制与设计好的预滤波摩擦补偿器结合形成改进重复控制框架。本发明专利技术方法将预滤波摩擦补偿控制与分段重复控制相结合，大幅改进了各个周期的运动换向处误差和收敛速率，降低了因摩擦干扰对产品加工质量的影响。低了因摩擦干扰对产品加工质量的影响。低了因摩擦干扰对产品加工质量的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略


[0001]本专利技术属于机械设计与制造
，具体涉及一种基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略。

技术介绍

[0002]驱动系统在运动过程中会受到摩擦扰动的影响，若不能有效抑制摩擦干扰，则会降低驱动系统的运动精度，进而影响产品的加工质量。针对上述问题，学者们提出了多种控制策略，例如模糊PID控制、滑模控制和自抗扰控制等，旨在克服摩擦扰动因素的影响。然而，上述方法存在一定的局限性，如模糊PID控制的自调节能力有限，滑模控制会产生颤振，而自抗扰控制结构复杂且参数较多。因此，控制策略的选择必须依据实际工况进行权衡，从而大幅度提升驱动控制系统的跟踪精度及抗干扰能力。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略，将预滤波摩擦补偿控制与分段重复控制相结合，大幅改进了各个周期的运动换向处误差和收敛速率，降低了因摩擦干扰对产品加工质量的影响。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略，具体按照以下步骤实施：
[0005]步骤1：在P/PI级联控制器的基础上增加预滤波摩擦补偿器来提高驱动系统的抗摩擦干扰能力；
[0006]步骤2：确定驱动系统的输出电压与跟踪误差的传递函数；
[0007]步骤3：利用最小二乘法，获取预滤波摩擦补偿器中LuGre模型的具体参数；使用果蝇优化算法获得最优的动态参数预估；
[0008]步骤4：设计低通滤波器和线性相位超前补偿器，将设计后的低通滤波器及动态补偿器引入到传统的P/PI级联控制器中就得到了重复控制器；
[0009]步骤5：将步骤4确定的重复控制器的作用时间段设置在运动换向处得到分段式重复控制；
[0010]步骤6：将步骤5得到的分段式重复控制与设计好的预滤波摩擦补偿器结合形成改进重复控制框架。
[0011]本专利技术的特点还在于，
[0012]步骤1具体按照以下步骤实施：
[0013]步骤1.1：首先，确定参考位移与实际位移的闭环传递函数G
YX
表示为：
[0014][0015]式中：X
R
为参考位移；X
F
为实际位移；G
m
为机械系统；F
CF
为预滤波摩擦补偿器；C为P/PI级联控制器；
[0016]确定系统干扰力f
F
与实际轨迹的传递函数G
Yd
的关系表示为：
[0017][0018]由式(2)可知干扰抑制仅与F
CF
有关，通过F
CF
可获得最优的抑制特性；
[0019]步骤1.2：以式(1)及(2)为基础，在P/PI级联控制策略的基础上，设计预滤波摩擦补偿器对控制系统进行优化；所述预滤波摩擦补偿器利用驱动系统的真实数据来预测控制模型的逆解，结合LuGre摩擦模型，形成对参考轨迹的预滤波处理，将摩擦引起的跟踪误差e
F
表示为：
[0020][0021]其中：f
F
为摩擦力；X
RF
为预滤波摩擦补偿器F
CF
产生的预补偿信号；P/PI级联控制器C的逆模型采用系统辨识方法获得，f
F
使用摩擦模型来精准地预估。
[0022]步骤2具体按照以下步骤实施：
[0023]使用往复轨迹进行闭环跟踪测试辨识控制系统模型的逆解H
F
＝C
‑1，确定驱动系统的输出电压与跟踪误差的传递函数表示为：
[0024][0025]其中：e
L
为跟踪误差；Y
p
为控制系统输出电压。使用式(4)表示线性伺服控制器动态，大多线性伺服控制器都可以通过将其参数映射到PID的增益K
p
、K
d
和K
i
来实现，因此所提出的方法可以捕获大多数工业伺服系统线性控制器的动态特性。
[0026]步骤3中，LuGre模型的具体参数由σ0、σ1、σ2、F
c
、F
s
和v
s
六个参数组成，其数学表达为：
[0027][0028]其中：σ0为刚度系数；σ1为阻尼系数；σ2为粘滞摩擦系数；F、F
c
、F
s
分别代表总摩擦力、库伦摩擦力和最大静摩擦力；v
s
为Stribeck速度。
[0029]步骤4具体按照以下步骤实施：
[0030]步骤4.1：低通滤波器Q(z)的设计方法如下：
[0031]低通滤波器Q(z)的截止频率依据稳定条件||Q
F
||
∞
＝||Q(z)(1
‑
A(z)H(z))||
∞
<1进行设计，在低频段时，此时|(1
‑
A(z)H(z))|<1，将|Q(z)|设置为接近1；在高频段时，此时|(1
‑
A(z)H(z))|>1，将|Q(z)|设置为远离1，进而满足||Q
F
||
∞
<1的稳定性条件；
[0032]步骤4.2：线性相位超前补偿器A(z)的设计方法：
[0033]设计线性相位超前补偿器A(z)，具体表达式如下：
[0034]A(z)＝K
a
Z
m (7)
[0035]式(7)由两部分组成：K
a
是相位为0的增益部分；Z
m
是增益为1的相位部分，其中m是正整数。
[0036]步骤4.3：根据下述条件设计出线性相位超前补偿器的参数：
①
设计稳定的反馈控制G
c
(z)令被控对象G
m
(z)稳定；
②
根据控制器及被控对象的特性选择出一个的K
a
，从而给定驱动系统足够的稳定裕度；
[0037]然后，将设计出的线性相位超前补偿器的参数引入到传统的P/PI控制架构中就实现了重复控制，得到重复控制器。
[0038]步骤5具体按照以下步骤实施：
[0039]步骤5.1：根据以下规律特征确定运动换向处误差：
[0040](1)在驱动系统运动换向处，实际轨迹曲线呈现出畸形状态，会逐渐偏离参考曲线；
[0041](2)在驱动系统运动换向处，参考速度曲线会穿过零刻度线，即系统换向时，参考速度会过零；
[0042](3)在驱动系统运动换向处，控制系统积分项输入力与参考速度符号相反，呈陡坡状态逼近；
[0043]步骤5.2：根据步骤5.1确定的规律，找到驱动系统运动换向的开始位置，如式(8)所示：
[0044][0045本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：在P/PI级联控制器的基础上增加预滤波摩擦补偿器来提高驱动系统的抗摩擦干扰能力；步骤2：确定驱动系统的输出电压与跟踪误差的传递函数；步骤3：利用最小二乘法，获取预滤波摩擦补偿器中LuGre模型的具体参数；使用果蝇优化算法获得最优的动态参数预估；步骤4：设计低通滤波器和线性相位超前补偿器，将设计后的低通滤波器及动态补偿器引入到传统的P/PI级联控制器中就得到了重复控制器；步骤5：将步骤4确定的重复控制器的作用时间段设置在运动换向处得到分段式重复控制；步骤6：将步骤5得到的分段式重复控制与设计好的预滤波摩擦补偿器结合形成改进重复控制框架。2.根据权利要求1所述的基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略，其特征在于，步骤1具体按照以下步骤实施：步骤1.1：首先，确定参考位移与实际位移的闭环传递函数G
YX
表示为：式中：X
R
为参考位移；X
F
为实际位移；G
m
为机械系统；F
CF
为预滤波摩擦补偿器；C为P/PI级联控制器；确定系统干扰力f
F
与实际轨迹的传递函数G
Yd
的关系表示为：由式(2)可知干扰抑制仅与F
CF
有关，通过F
CF
可获得最优的抑制特性；步骤1.2：以式(1)及(2)为基础，在P/PI级联控制策略的基础上，设计预滤波摩擦补偿器对控制系统进行优化；所述预滤波摩擦补偿器利用驱动系统的真实数据来预测控制模型的逆解，结合LuGre摩擦模型，形成对参考轨迹的预滤波处理，将摩擦引起的跟踪误差e
F
表示为：其中：f
F
为摩擦力；X
RF
为预滤波摩擦补偿器F
CF
产生的预补偿信号；P/PI级联控制器C的逆模型采用系统辨识方法获得，f
F
使用摩擦模型来精准地预估。3.根据权利要求2所述的基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略，其特征在于，步骤2具体按照以下步骤实施：使用往复轨迹进行闭环跟踪测试辨识控制系统模型的逆解H
F
＝C
‑1，确定驱动系统的输出电压与跟踪误差的传递函数表示为：
其中：e
L
为跟踪误差；Y
p
为控制系统输出电压。4.根据权利要求3所述的基于预滤波摩擦补偿器与改进重复控制相结合的控制策略，其特征在于，步骤3中，LuGre模型的具体参数由σ0、σ1、σ2、F
c
、F
s
和v
s
六个参数组成，其数学表达为：其中：σ0为刚度系数；σ1为阻尼系数；σ2为粘滞摩擦系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令飞，张朝辉，李仲男，
申请(专利权)人：西安精擘华科技有限公司，
类型：发明
国别省市：