基于繼電反饋的伺服系統(tǒng)辨識(shí)與自調(diào)諧.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對于伺服系統(tǒng)控制性能的要求也越來越高。伺服系統(tǒng)的控制器例如PID控制器若要達(dá)到令人滿意的控制效果，需要對于控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)諧。傳統(tǒng)的調(diào)諧方法主要依靠手工調(diào)諧，即試湊法，比較依賴工程師的經(jīng)驗(yàn)，調(diào)諧過程可能變得冗長且無法得到良好效果。因此，針對伺服系統(tǒng)特點(diǎn)，研究伺服系統(tǒng)辨識(shí)與自調(diào)諧技術(shù)，自動(dòng)、快速的計(jì)算出優(yōu)化的控制參數(shù)，對于提高生產(chǎn)效率，改善控制性能都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前針對伺服系統(tǒng)辨識(shí)與調(diào)諧的研究中尚存在以下問

2、題：伺服系統(tǒng)包含有較多的非線性擾動(dòng)，如何快速辨識(shí)出伺服系統(tǒng)中如摩擦力、機(jī)械臂的重力等非線性擾動(dòng)的問題尚未得到充分的解決；伺服系統(tǒng)模型辨識(shí)傳統(tǒng)方法引入了近似，辨識(shí)精度有待進(jìn)一步改善；伺服系統(tǒng)閉環(huán)模型通常為高階模型，目前尚缺少快速有效的辨識(shí)出閉環(huán)系統(tǒng)的高階模型的方法。
　　針對上述問題，本文以高檔數(shù)控機(jī)床及電子封裝制造設(shè)備為應(yīng)用背景，研究了伺服系統(tǒng)的辨識(shí)與自調(diào)諧方法。該方法可以使伺服系統(tǒng)根據(jù)不同的工況，自動(dòng)獲得最優(yōu)的控制參數(shù)，并補(bǔ)償系

3、統(tǒng)的非線性擾動(dòng)。本文對伺服系統(tǒng)辨識(shí)與自調(diào)諧方法的研究主要針對以下兩個(gè)方面：第一，針對不同伺服系統(tǒng)工況，辨識(shí)其伺服系統(tǒng)的負(fù)載和非線性擾動(dòng)，并調(diào)諧速度環(huán)控制器參數(shù)；第二，針對使用商用驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，辨識(shí)伺服系統(tǒng)速度閉環(huán)模型并調(diào)諧位置環(huán)控制器參數(shù)。本文的具體研究工作和創(chuàng)新成果如下：
　　一、針對伺服系統(tǒng)內(nèi)環(huán)負(fù)載和擾動(dòng)辨識(shí)問題，分別研究了基于描述函數(shù)法和基于時(shí)域特征法的繼電反饋辨識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)負(fù)載及非線性擾動(dòng)辨識(shí)。本文結(jié)合了伺服系統(tǒng)

4、的特殊性，改進(jìn)了繼電反饋辨識(shí)法，詳細(xì)探討了在伺服系統(tǒng)中繼電器參數(shù)對系統(tǒng)辨識(shí)的影響并給出了參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)和適用范圍。文中提出的基于繼電反饋法的非線性擾動(dòng)辨識(shí)方法，在辨識(shí)了系統(tǒng)模型的同時(shí)，可以辨識(shí)出伺服系統(tǒng)的庫倫摩擦力，粘滯摩擦力和針對機(jī)械臂的重力擾動(dòng)。為改善傳統(tǒng)方法的辨識(shí)精度，本文提出一種新的基于時(shí)域特征的繼電反饋辨識(shí)法。這種方法摒棄了傳統(tǒng)描述函數(shù)法的近似性，使用時(shí)域方程精確描述系統(tǒng)的特征。仿真表明，該方法使辨識(shí)誤差從傳統(tǒng)方法的10％-20

5、%左右降低到1%以下，實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了該方法可使辨識(shí)精度顯著提高。同時(shí)，傳統(tǒng)方法在不同繼電器參數(shù)下有約10%的辨識(shí)差異，時(shí)域方法則不受參數(shù)影響，體現(xiàn)了更強(qiáng)的參數(shù)魯棒性。
　　二、在辨識(shí)了伺服系統(tǒng)內(nèi)環(huán)負(fù)載和擾動(dòng)的基礎(chǔ)上，研究了伺服系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)和調(diào)諧方法?？刂平Y(jié)構(gòu)主要基于PID控制，并結(jié)合了前饋控制器、干擾觀測器和補(bǔ)償器以提高系統(tǒng)響應(yīng)并抑制擾動(dòng)。速度環(huán)控制器調(diào)諧采取了基于系統(tǒng)開環(huán)截止頻率和相角裕度的調(diào)諧方法。本文提出的伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制

6、器調(diào)諧方法可以直接給出控制器參數(shù)計(jì)算公式，設(shè)計(jì)簡便，適合嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在多個(gè)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)都表現(xiàn)出了良好的控制效果。
　　三、針對伺服系統(tǒng)外環(huán)辨識(shí)問題，研究了基于多次積分法的繼電反饋辨識(shí)方法，解決了閉環(huán)系統(tǒng)的高階模型辨識(shí)問題。本文分析了商用驅(qū)動(dòng)器中常見的速度閉環(huán)結(jié)構(gòu)，并對伺服閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模。閉環(huán)系統(tǒng)的繼電反饋振蕩被視為一系列的階躍響應(yīng)，針對閉環(huán)系統(tǒng)模型的辨識(shí)方法采用了基于階躍響應(yīng)的多次積分法，可以不使用外部信號(hào)源，通過系統(tǒng)自激振

7、蕩辨識(shí)出系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果證明了建模的合理性和辨識(shí)方法的有效性。
　　四、研究了基于模型的伺服系統(tǒng)位置環(huán)控制器參數(shù)的調(diào)諧方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了整套辨識(shí)與調(diào)諧算法。位置環(huán)控制器調(diào)諧同樣采用了基于系統(tǒng)開環(huán)截止頻率和相角裕度的調(diào)諧方法。引線鍵合平臺(tái)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)通過將使用本文方法的辨識(shí)結(jié)果與正弦掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，證明了辨識(shí)的準(zhǔn)確性。調(diào)諧后的系統(tǒng)可以在高加速度下可達(dá)到較高的控制性能。三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)，針對商用伺服驅(qū)動(dòng)器控制回路的灰箱系