高精度機械軸承轉(zhuǎn)臺摩擦補償研究.pdf

1、高精度測試轉(zhuǎn)臺是用來對慣導(dǎo)系統(tǒng)和慣性儀表進行誤差模型標定的一種重要的測試設(shè)備。測試轉(zhuǎn)臺的優(yōu)劣直接關(guān)系到測試試驗的可靠性和精度，是保證航空、航天型號產(chǎn)品和武器系統(tǒng)的精度和性能的基礎(chǔ)。航空、航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，對導(dǎo)航和制導(dǎo)設(shè)備的性能和精度的要求不斷提高，相應(yīng)地要求提高測試轉(zhuǎn)臺的精度。然而，轉(zhuǎn)臺精度的提高卻受到以摩擦力矩為主的擾動力矩的影響，而摩擦力矩的減小又受到工藝水平及實驗經(jīng)費等條件的限制。因此，從控制上設(shè)計能夠消除摩擦影響的控制律，通過

2、適當?shù)目刂扑惴ㄑa償摩擦從而達到高精度控制，對研制結(jié)構(gòu)簡單且性能優(yōu)良的精密轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。
　　作者作為主要技術(shù)人員參與完成了哈爾濱工業(yè)大學(xué)211學(xué)科建設(shè)項目“SWST-1型雙軸位置速率轉(zhuǎn)臺”的研制工作，并在此基礎(chǔ)上，研究了幾種補償機械軸承轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)中存在的非線性摩擦的控制方法，旨在消除摩擦對轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的影響，從而提高轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的位置跟蹤性能。
　　首先介紹了SWST-1型雙軸轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；根據(jù)要

3、求的性能指標選定了系統(tǒng)中除控制器外的其它各環(huán)節(jié)的模型參數(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的位置PID控制器，并采用基于CPLD的數(shù)字集成技術(shù)對系統(tǒng)中的數(shù)字邏輯電路部分進行了集成設(shè)計；通過一系列實驗對實現(xiàn)后的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進行了測試，并測得了系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性和階躍響應(yīng)曲線，測試結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計正確有效。
　　在上述實現(xiàn)后的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，考慮到轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)中實際的摩擦模型及摩擦參數(shù)較難獲取，提出了一種基于加速度反饋控制的摩擦補償方法。

4、首先，結(jié)合轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)詳細分析了加速度反饋控制抑制擾動的原理?；诖?，將摩擦視為一種擾動信號，在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，通過引入加速度反饋內(nèi)環(huán)來抑制轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)中存在的非線性摩擦。根據(jù)系統(tǒng)的性能指標，結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計準則，設(shè)計了加速度環(huán)控制器和位置環(huán)控制器。對該摩擦補償方案做了仿真，并進行了實驗驗證。仿真和實驗結(jié)果均表明，加速度反饋控制能夠有效地抑制摩擦對系統(tǒng)跟蹤性能造成的影響。
　　針對轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)中存在的非線性動態(tài)摩擦和可能的對象模

5、型參數(shù)不確定性，研究了三種情況下的自適應(yīng)摩擦補償問題。首先，考慮動態(tài)摩擦隨溫度等發(fā)生一致性變化而系統(tǒng)參數(shù)已知，采用一種基于觀測器/濾波器結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制方法對系統(tǒng)中的摩擦參數(shù)不確定性進行補償；其次，考慮動態(tài)摩擦參數(shù)隨溫度等發(fā)生非一致性變化而系統(tǒng)參數(shù)已知，提出了一種引入可調(diào)濾波器增益的觀測器/濾波器結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制方法來補償轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)中的動態(tài)摩擦，通過調(diào)節(jié)濾波器增益，從而進一步提高系統(tǒng)的位置跟蹤性能；最后，同時考慮對象模型的參數(shù)不確定性和非一

6、致性變化的動態(tài)摩擦，采用基于觀測器/濾波器結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制方法對上述兩種參數(shù)不確定性一并給以補償。三種情況下，均通過基于Lyapunov的方法證明了參數(shù)估計的收斂性和閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。
　　轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)中不僅存在著對象模型及動態(tài)摩擦的參數(shù)不確定性，還存在著另外兩種不確定性：系統(tǒng)的建模誤差和外部擾動。后者的存在嚴重影響了自適應(yīng)摩擦補償方案的效果，從而導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤性能的下降，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定。針對上述問題，研究了兩種情況下的

7、魯棒自適應(yīng)摩擦補償問題。首先，考慮包含系統(tǒng)建模誤差和外部擾動在內(nèi)的不確定非線性項的上界為已知而系統(tǒng)參數(shù)和動態(tài)摩擦參數(shù)均未知的情況，采用一種基于自適應(yīng)滑?？刂破鞯聂敯糇赃m應(yīng)摩擦補償方案對系統(tǒng)中的對象模型參數(shù)不確定性、摩擦參數(shù)不確定性以及不確定非線性項同時進行補償，并提出引入一種平滑預(yù)測算法對未知參數(shù)的自適應(yīng)律及摩擦狀態(tài)觀測器進行改進，從而提高系統(tǒng)的魯棒性能。在此基礎(chǔ)上，進一步考慮不確定非線性項的上界為未知的情況，提出了一種基于平滑魯棒自適