一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器技术方案

本发明专利技术涉及一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，包括PID控制器的三环控制系统，三环控制系统由内向外依次包括电流环、位置环以及速度环；还包括在三环控制系统中增加的前馈控制环节和反馈控制环节，所述前馈控制环节包括速度前馈、加速度前馈以及通过LuGre摩擦模型得到的摩擦补偿，所述速度前馈为对位置环输入的一节微分环节，所述加速度反馈为对速度环输入的二阶微分环节；所述反馈控制环节包括微分负反馈；通过粒子群优化算法整定所述前馈控制环节中的三个参数：速度前馈增益K

【技术实现步骤摘要】
一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器


[0001]本专利技术涉及电机控制
，尤其涉及一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器。

技术介绍

[0002]永磁同步电机及其伺服系统是现代化工业的重要组成部分，广泛应用于数控机床、军工生产、工业机器人等众多领域。随着科学技术的进步，对伺服控制技术的要求也日益提高，不仅要求响应速度块，还要求运动控制做到高精度、无超调、无误差，以提高整体效率。
[0003]传统的伺服系统主要采用PID控制策略，其优势在于方法可靠好用、结构简单、容易实现。但是，PID控制也存在一些弊端，例如响应速度慢、超调量大以及动态跟踪滞后等。所以，针对高性能的伺服控制，对传统的PID控制进行优化是非常必要的。
[0004]由于在实际工程中，电机运行中的摩擦是不可避免的，因此实现摩擦补偿是优化的重点之一。为了解决摩擦给系统带来的影响，实现更好的控制效果，大量的文献提出了多种摩擦模型，用于优化摩擦补偿的效果。但是现有方法多为在采用摩擦补偿前馈时，将摩擦模型的输出直接补偿到系统中，无法解决传统PID控制的跟踪滞后问题，以及由摩擦带来的速度过零时的位置“平顶现象”和速度“死区现象”，故而无法达到最优的控制性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，以解决上述技术问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，包括PID控制器的三环控制系统，所述三环控制系统由内向外依次包括电流环、位置环以及速度环；
[0007]还包括在所述三环控制系统中增加的前馈控制环节和反馈控制环节，所述前馈控制环节包括速度前馈、加速度前馈以及通过LuGre摩擦模型得到的摩擦补偿，所述速度前馈为对位置环输入的一节微分环节，所述加速度反馈为对速度环输入的二阶微分环节；所述反馈控制环节包括微分负反馈；
[0008]通过粒子群优化算法整定所述前馈控制环节中的三个参数：速度前馈增益K
a
，加速度前馈增益K
b
，以及摩擦补偿增益K
f
。
[0009]较佳地，所述速度前馈和加速度前馈的传递函数分别为：
[0010][0011]其中，K
t
为转矩系数，J为转动惯量。
[0012]较佳地，通过调节所述微分负反馈中的微分负反馈系数τ
D
调节所述伺服系统的阻
尼比ξ。
[0013]较佳地，所述伺服系统的阻尼比ξ为：0.8＜ξ＜0.9。
[0014]较佳地，所述LuGre摩擦模型的数学模型为：
[0015][0016]其中，z为鬃毛的平均变形量，ω为转速，σ0为刚度系数，g(ω)为非线性函数，用于体现不同条件下的摩擦效应，F
f
为总摩擦力矩，σ1为阻尼系数，σ2为粘滞系数，F
c
为库仑摩擦力矩，ω
s
为Stribeck速度。
[0017]较佳地，所述粒子群优化算法中，每个可行解为一个粒子，每一个粒子包括两个参数：位置x和速度v，在解空间中根据以下迭代公式不断逼近全局最优解：
[0018]v＝ω
·
v+c1r1(p
Best
‑
x)+c2r2(g
Best
‑
x)
[0019]x＝x+v
[0020]其中，ω为惯性权重，用于表示过去的速度对现在速度的影响程度；c1和c2为加速度系数；r1和r2为在[0,1]上均匀分布的随机数；p
Best
为当前最优位置；g
Best
为全局最优位置。
[0021]较佳地，在每次迭代中，通过适应度函数来判断一个粒子是否为最优解。
[0022]较佳地，所述适应度函数为：
[0023][0024]采样时间ts＝0.001s，输入信号为正弦信号R(k)＝0.1*sin(0.2π
·
k
·
ts)，k＝1,2,3,
…
,2500，输出信号为Y(k)。
[0025]与现有技术相比，本专利技术提供的用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器具有如下优点：
[0026]1、本专利技术在PID控制器的三环控制系统的基础上，增加了前馈控制环节和反馈控制环节，不仅能让前馈控制提高系统的响应速度，还能让微分负反馈起到减小超调量的作用；
[0027]2、本专利技术采用粒子群优化算法对速度前馈增益K
a
，加速度前馈增益K
b
，以及摩擦补偿增益K
f
进行参数优化，进一步使伺服系统获得更优良的性能；
[0028]3、本专利技术通过LuGre摩擦模型获得摩擦补偿，解决了由摩擦带来的速度过零时的位置“平顶现象”和速度“死区现象”。
附图说明
[0029]图1为本专利技术一具体实施方式中的前馈控制环节原理结构框图；
[0030]图2为本专利技术一具体实施方式中的微分负反馈原理结构框图；
[0031]图3为位置平顶现象局部放大图；
[0032]图4为速度死区现象局部放大图；
[0033]图5为本专利技术一具体实施方式中LuGre摩擦模型的原理图；
[0034]图6为本专利技术一具体实施方式中的Stribeck(斯特里贝克)曲线；
[0035]图7为本专利技术一具体实施方式中LuGre摩擦模型的仿真模块图；
[0036]图8为本专利技术一具体实施方式中摩擦补偿的结构图；
[0037]图9为本专利技术一具体实施方式中速度前馈增益K
a
优化曲线；
[0038]图10为本专利技术一具体实施方式中加速度前馈增益K
b
优化曲线；
[0039]图11为本专利技术一具体实施方式中摩擦补偿增益K
f
优化曲线；
[0040]图12为本专利技术一具体实施方式中适应度函数优化曲线；
[0041]图13为本专利技术一具体实施方式中的摩擦补偿前馈控制器的整体结构原理图；
[0042]图14为本专利技术一具体实施方式中的摩擦补偿前馈控制器的Simulink仿真结构图；
[0043]图15为经典PID控制的Simulink仿真曲线图；
[0044]图16为本专利技术一具体实施方式中的摩擦补偿前馈控制器的Simulink仿真曲线图；
[0045]图17为本专利技术提供的摩擦补偿前馈控制器与对比例的曲线顶部局部放大对比图；
[0046]图18为本专利技术一具体实施方式中的摩擦补偿前馈控制器的速度响应曲线图。
具体实施方式
[0047]为了更详尽的表述上述专利技术的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本专利技术而不限于限制本专利技术的范围。
[0048]本专利技术提供的用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，如图13所示，包括PID控制器的三环控制系统，所述三环控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，其特征在于，包括PID控制器的三环控制系统，所述三环控制系统由内向外依次包括电流环、位置环以及速度环；还包括在所述三环控制系统中增加的前馈控制环节和反馈控制环节，所述前馈控制环节包括速度前馈、加速度前馈以及通过LuGre摩擦模型得到的摩擦补偿，所述速度前馈为对位置环输入的一节微分环节，所述加速度反馈为对速度环输入的二阶微分环节；所述反馈控制环节包括微分负反馈；通过粒子群优化算法整定所述前馈控制环节中的三个参数：速度前馈增益K
a
，加速度前馈增益K
b
，以及摩擦补偿增益K
f
。2.如权利要求1所述的用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，其特征在于，所述速度前馈和加速度前馈的传递函数分别为：其中，K
t
为转矩系数，J为转动惯量。3.如权利要求1所述的用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，其特征在于，通过调节所述微分负反馈中的微分负反馈系数τ
D
调节所述伺服系统的阻尼比ξ。4.如权利要求3所述的用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，其特征在于，所述伺服系统的阻尼比ξ为：0.8＜ξ＜0.9。5.如权利要求1所述的用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，其特征在于，所述LuGre摩擦模型的数学模型为：其中，Z为鬃毛的平均变形量，ω为转速，σ0为刚度系数，g(ω)为非线性函数，用于体现不同条件下的摩擦效应，F...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱其新，王嘉祺，金建锋，谢鸥，
申请(专利权)人：苏州杰森电器有限公司，
类型：发明
国别省市：