改进LuGre模型的挖掘机器人摩擦补偿控制

非线性摩擦会降低挖掘机器人电液伺服系统的动静态性能,引起轨迹爬行、平峰和稳态误差等现象。经典LuGre摩擦模型仅与速度有关,内部鬃毛状态变量无法准确测量,无法全面描述复杂的挖掘机器人电液伺服系统摩擦特性。本文综合考虑电液伺服系统位置、速度和方向等信息,设计了一种改进的LuGre摩擦模型,同时引入速度阈值解决了弹性鬃毛平均变形状态观测器不稳定问题。其次,为了解决传统优化算法陷入局部最优解、收敛速度慢等问题,通过引入惯性权重、异步变化和精英突变操作改进基本粒子群优化算法,以精准快速辨识出改进LuGre摩擦模型中的6个未知参数。最后,结合辨识出的摩擦模型,基于结构不变性原理设计前馈摩擦补偿控制器,并在23吨挖掘机器人进行了正弦和三角波不同工况下的轨迹跟踪实验。实验结果表明,传统的比例积分微分控制器跟踪误差最大,三角轨迹最大跟踪误差达到了29.68 mm,基于改进LuGre模型设计的前馈摩擦补偿控制器仅为9.70 mm,误差减小了67.31%,基于改进LuGre模型设计的前馈摩擦补偿控制器可以有效提升挖掘机器人的轨迹跟踪精度。

双阀气动伺服系统的LuGre摩擦模型补偿研究

由于摩擦会引起气动位置伺服系统的动态滞后,尤其是气缸活塞在换向过程中容易产生"平顶"现象,因此需要对气动系统进行摩擦补偿。但是由于气动系统本身的参数不确定性和强非线性会影响摩擦补偿的效果,同时气缸两腔耦合与流量饱和会导致控制系统的自由度不高且能量损失较大。针对以上问题,文中采用表征摩擦动态特性良好的LuGre模型来描述气缸摩擦并提出了一种自适应鲁棒控制器进行摩擦补偿,控制器的自适应部分用于控制参数不确定性,鲁棒控制部分用来处理系统的非线性。同时采用两个三位四通比例阀来提高控制自由度并降低能量耗散。仿真结果表明:该补偿策略有效改善了摩擦带来的动态滞后,提高了系统的响应速度与跟踪精度。

基于LuGre摩擦模型的两轮自平衡车系统动力学

准确描述轮式机器人系统的运动状态是对其进行轨迹控制的关键,而当驱动轮与地面存在相对滑移或侧滑时,添加非完整约束的动力学描述方法通常会失效。为了得到适用于非结构化环境的轮式机器人动力学模型,本研究以两轮自平衡车为例,为LuGre模型添加摩擦力,以描述驱动轮与地面之间的粘滞-滑移效应;基于虚功率原理,建立包含摩擦力的轮式机器人系统动力学方程,并针对不同驱动力及不同工况条件对系统进行了动力学仿真及分析。仿真结果表明:相比于传统的添加非完整约束,基于LuGre摩擦模型的动力学建模方法可以有效侦测到驱动轮与地面的相对滑移及侧滑状态,在真实工况下反映系统动力学行为方面表现出有效性和优越性,为轮式机器人后续的优化设计及轨迹控制提供理论依据。

基于LuGre摩擦模型与自抗扰技术的调速伺服系统复合控制策略

为了提高调速伺服系统的跟踪性能,提出了一种基于LuGre模型的调速伺服系统自抗扰控制策略。利用LuGre摩擦模型对摩擦扰动进行辨识,并对其进行前馈补偿,在速度环和电流环分别加入一阶自抗扰控制器,对剩余扰动进行实时估计并补偿。ADRC弥补了摩擦模型的非绝对完美的问题,LuGre模型也缓解了ADRC的计算压力,互为补充,提高了性能。仿真结果表明:所提控制策略响应速度快、调节时间短、超调低,提高了系统的控制速度和精度。

基于Lugre摩擦模型转向系统建模及精度验证

在当前的车辆开发中,转向力的目标主要靠后期实车调校来实现,究其原因是仿真模型对转向力矩的表达不够准确。本文介绍了转向系统摩擦特性的测试方法,并采用Lugre摩擦模型进行参数辨识,利用Simulink搭建转向系统及摩擦模型,通过仿真与试验对比,验证了转向系统对于力矩表达的精确性,为未来虚拟标定、虚拟调校等提供支撑。

基于LuGre模型实现精密伺服转台摩擦参数辨识及补偿

为降低摩擦对光学精密伺服转台速度跟踪精度的影响,提出了基于LuGre模型的转台摩擦参数辨识和补偿方法。首先,分析转台在自由减速过程中的速度过零现象,采用遗传算法拟合减速曲线从而获得转台摩擦参数和转动惯量;然后,通过仿真实验验证辨识方法;最后,利用辨识得到的参数计算摩擦补偿并叠加到转台速度伺服系统。实际实验系统的数据更新率达1kHz,已实现了速度-电流双闭环控制。实际拟合实验中,拟合与实测速度曲线的误差均方差为2.9×10-3rad/s;速度跟踪实验中,对于幅值为0.032 4rad/s,频率为0.5Hz的给定正弦信号,摩擦补偿消除了波形失真,系统速度跟踪误差的均方差减少27%。实验表明,用该方法测量转台摩擦参数精确度高,基于辨识参数的摩擦补偿可提高光学伺服转台低速低频段的速度跟踪精度。

基于LuGre模型的自适应摩擦补偿

为提高开放式伺服系统的动态性能,使其具有良好的适应能力,提出一种基于LuGre模型的自适应摩擦补偿方法。建立开放式伺服系统的动力学模型,并通过LuGre模型来描述系统的摩擦特性。考虑到摩擦模型的参数会随系统变化而发生改变,采用Backstepping方法设计自适应摩擦补偿控制器,并采用Lyapunov定理证明系统的全局渐进稳定性。通过可编程多轴控制器(Programmable multi-axis controller,PMAC)编写伺服算法实现该自适应摩擦补偿方案,并通过试验验证该方案的有效性。试验结果表明:与传统的速度加速前馈补偿相比,该自适应摩擦补偿方案在正弦运动作为输入信号时,其跟踪误差由±40μm降低到±7μm。采用该补偿方案能有效地抑制摩擦干扰对伺服系统的不利影响,为提高伺服系统的动态跟踪性能奠定基础。

应用稳态误差分析辨识LuGre模型参数

为精确得到模型的动静态参数,提出了以稳态误差分析为基础的模型参数辨识方法。首先,确立了伺服系统的稳态误差与其输入信号、干扰信号的关系,并以此为基础消除了转矩纹波对摩擦模型参数辨识的干扰;然后,利用稳态误差推导摩擦力矩,采用遗传算法辨识动静态参数;最后,利用辨识后的模型进行摩擦补偿,分析其补偿效果。实验结果表明,补偿后的稳态误差明显减小,匀速运动时由36μm减小到±3μm,匀加速运动时由34μm减小到±3μm,正弦运动时由±35μm减小到±7μm。本文提出的辨识方法能够精确地得到LuGre摩擦模型的动静态参数。基于辨识后的模型可有效地提高伺服系统的跟踪精度。

LuGre摩擦模型对伺服系统的影响与补偿

摩擦是影响伺服系统性能的一个主要因素.为了研究摩擦的影响与补偿,本文首先建立了基于动态LuGre摩擦的机电伺服系统模型.根据LuGre模型,构造了一个非线性观测器来估计摩擦力矩.然后,积分反步自适应控制算法被设计从而实现了摩擦补偿和负载扰动估计,并使用Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明:LuGre摩擦会对伺服系统产生极限环振荡以及低速爬行的影响,并且提出的补偿方法能够降低摩擦对伺服系统性能的影响以及提高了系统的跟踪精度和鲁棒性.

修正黏性摩擦的LuGre模型的摩擦补偿

为提高高速条件下开放式伺服系统的动态性能,对传统LuGre摩擦模型的黏性摩擦进行了修正,并提出一种以修正模型为基础的摩擦前馈补偿方案.根据速度较高时,摩擦力矩随速度增加其增长趋势减缓的现象,建立了LuGre修正模型;分别对传统模型和修正模型进行参数辨识,利用2种辨识后的模型分别进行摩擦前馈补偿,分析其补偿效果.实验结果表明:修正模型对系统摩擦力矩的最大估计误差为0.0017N.m,优于传统模型的0.023N.m;与基于传统模型的摩擦补偿相比,基于修正模型的摩擦补偿时,系统稳态误差得到进一步的控制,加速运动时由±9μm降低到±5μm,正弦运动时由±12.5μm降低到±8μm.采用该补偿方案可有效地抑制摩擦干扰对伺服系统的不利影响,提高伺服系统的跟踪性能.

基于改进型LuGre模型的自适应滑模摩擦补偿方法

为建立具有良好动态性能的开放式伺服系统,针对自适应摩擦补偿对未知建模误差和扰动抑制能力较弱的问题,提出了一种基于修正黏性摩擦Lu Gre模型的自适应滑模摩擦补偿方法.建立开放式伺服系统的动力学方程,并结合修正黏性摩擦Lu Gre模型,提出伺服系统的状态方程.根据反演设计的思想,设计自适应滑模摩擦控制器以及相应的自适应律和切换函数,并分析了其全局渐进稳定性.通过可编程多轴控制器(PMAC)实现了该补偿控制方案在开放式伺服平台的应用,并通过实验验证了其有效性.实验结果表明:与自适应摩擦补偿相比,该自适应滑模摩擦补偿方案在输入信号为正弦信号时,伺服系统的跟踪误差由±6.9,μm降低到±4.1,μm.采用该补偿方案可有效地抑制摩擦及其他不确定干扰对伺服系统的不利影响,进一步提高伺服系统的跟踪性能.

基于LuGre模型的气缸摩擦力特性研究

为满足高精度电-气比例/伺服控制系统设计时基于模型的摩擦力补偿需要,基于LuGre模型建立气缸的动态摩擦模型.搭建了一个新型的气缸摩擦力测试台,通过测量活塞匀速运动时摩擦力与活塞速度的关系辨识了模型中的静态参数;针对在时域估计模型动态参数存在诸多困难,提出将活塞的运动方程在平衡点附近线性化,通过测量活塞位移和驱动力之间的频率响应函数来间接估计动态参数值.测试了气缸在不同腔内压力下的摩擦力特性,结果表明:库伦摩擦力、最大静摩擦力和黏性摩擦系数与压力近似成线性关系,而Stribeck速度和模型动态参数基本不受气缸两腔压力变化影响.正弦变化力激励下的活塞位移计算曲线和实验结果对比表明,参数估计准确,该模型能很好的描述气缸的摩擦力特性.

基于LuGre摩擦模型的叶片碰撞摩擦特性研究

建立了基于LuGre摩擦模型的叶片冠间碰撞摩擦模型,研究了叶片冠间接触碰撞和摩擦的动力学特性和减振机理。并研究了冠间间隙、动静摩擦系数对成组自带冠叶片碰撞摩擦减振效果的影响。通过分析摩擦过程中鬃毛的变形,对LuGre模型进行有条件的简化,研究了带冠叶片接触碰撞运动和摩擦运动的分岔特性。研究结果表明,LuGre摩擦模型可以更加完善的描述预滑动阶段叶片冠间的摩擦特性。

基于LuGre摩擦模型的轮胎多边形磨损机理分析

多边形磨损是汽车轮胎磨损研究中的一个新课题,具有重要的理论价值和研究意义。考虑轮胎接地磨擦的非线性特性,建立了基于LuGre摩擦模型的轮胎多边形磨损的动力学模型。通过仿真给出了能够引起自激振动的车速和轮胎初始前束角范围。这些结果为减小或消除轮胎的自激振动提供了理论依据。

基于LuGre摩擦模型的气缸摩擦力特性实验

为准确测量气缸的实际摩擦力,建立基于伺服电机速度控制的气缸摩擦力测试台,以一无杆气缸为例对其在不同气压、速度下的摩擦力进行测试分析,提出基于LuGre摩擦模型的各个动态和静态参数辨识和建模方法,并进一步研究供气压力和两腔压差对各个参数的影响.研究结果表明,被测气缸的库仑摩擦力、黏性摩擦系数和最大静摩擦力随着供气压力、两腔差压增大而变大;动态参数则与气压关系不大.

基于LuGre模型的转子压缩机滑片-滑槽运动副摩擦力测试

为研究转子压缩机滑片-滑槽运动副的摩擦特性,根据LuGre摩擦模型的建模方法和该运动副的运行特点及工况特点,设计并搭建了滑片-滑槽等效摩擦力测试系统,分析了该系统的摩擦力跃动现象、数据采集区域和摩擦力测量的重复性问题,并进行了摩擦力测试实验。结果表明:该摩擦力测试系统可以根据压缩机的实际工况,对滑片均匀加载相应的正压力F_H,并能实现不同匀速直线运动下的摩擦力测量;可以有效消除低速润滑不均匀导致的摩擦力跃动现象;通过润滑初始化可以较准确地获得基于滑片速度变化的摩擦力表达曲线。实验结果与数值计算结果吻合,从而为正确辨识LuGre摩擦模型的参数提供了实验依据。

航空遥感惯性稳定平台LuGre摩擦参数的分步辨识

由于航空遥感惯性稳定平台框架角运动受限,本文提出了基于LuGre摩擦模型进行参数初步和精确辨识的方法以进一步提高其控制精度。从数字控制系统出发,构建了摩擦参数辨识系统,把摩擦参数辨识问题转化为曲线拟合问题。通过限定输入信号幅值和频率,解决了框架角运动受限导致摩擦参数辨识困难的问题。结合数字控制系统特性,优先辨识摩擦线性项参数;根据摩擦静态和动态特性,提出分步夹逼和分步搜索法依次辨识剩余参数,完成初步辨识。然后代入初步辨识结果,用遗传算法完成摩擦参数的精确辨识。仿真结果表明:摩擦参数初步辨识误差小于5%,精确辨识误差小于0.7%;用辨识出的摩擦参数构建摩擦补偿器,系统对基座低频角运动干扰的抑制能力提高了4倍。最后,基于某原理样机开展了摩擦参数辨识和补偿实验,结果表明控制精度提高了1倍,证实了提出的辨识方法的有效性和工程实用意义。

基于修正黏性摩擦LuGre模型的比例多路阀摩擦补偿

为减小摩擦对比例多路阀性能的影响,提出基于修正黏性摩擦LuGre模型的比例多路阀摩擦特性分析、模型参数辨识以及摩擦补偿方法。通过实验测试间接得出摩擦数据,运用数据拟合方法辨识出修正黏性摩擦LuGre模型的静态和动态参数。基于辨识参数设计出修正黏性摩擦LuGre模型摩擦状态观测器,将观测器摩擦信号输出量反馈到控制模型输入端,减小摩擦对比例多路阀性能的不良影响。仿真结果表明,基于辨识参数的修正黏性摩擦LuGre模型摩擦补偿方法可提高比例多路阀的位置跟踪精度。

基于LuGre摩擦模型的轮胎自振系统数值分析

为用多边形磨损理论研究汽车轮胎磨损,针对最简化的单自由度胎面—路面非线性系统,单独分析胎面侧向自激振动特性与车速的关系.将LuGre摩擦模型引入胎面—路面单自由度振动系统,模拟轮胎与路面的实际摩擦情况.利用Matlab仿真胎面在不同车速条件下的振动情况.结果表明在一定的系统参数设置下,胎面在轮胎宽度方向上能产生硬自激,且车速范围与已知情况基本吻合,从而证明该理论模型正确.

改进型LuGre模型的负载模拟器摩擦补偿

分析了摩擦对电液负载模拟器跟踪性能的影响,针对传统基于LuGre模型固定参数补偿方法,综合大量摩擦实验及叶片式液压马达摩擦特性,提出了最大动静摩擦力矩可变的改进型LuGre摩擦模型,并进行了参数辨识,在此基础上根据结构不变原理,分析设计了前馈补偿器.实验结果表明:基于改进型LuGre摩擦模型的前馈补偿器有效抑制了摩擦对加载性能的影响,提高了力矩跟踪精度及消除多余力水平,也验证了改进型LuGre摩擦模型的有效性.