高性能机械伺服系统运动控制技术综述(摩擦补偿).pdf

第12卷 第5期2008年9月电 机 与 控 制 学 报ELECTR ICMACH INESANDCONTROLVol112 No15Sep.2008高性能机械伺服系统运动控制技术综述刘强(华侨大学 机电及自动化学院,福建 泉州362021)摘 要:高性能机械伺服系统广泛应用于民用及军事工业领域,其性能的改善可以提高设备的生产能力和产品质量。回顾了高性能运动控制技术的发展历程,归纳出高性能运动控制器的基本设计思想;总结了近年来在前馈跟踪控制、闭环控制以及摩擦补偿技术方面的主要研究成果;最后讨论了该领域尚待解决的问题。关键词:运动控制;摩擦;前馈;伺服系统;高性能中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1007-449X(2008)05-0603-07Survey on motion control technologies of high performancemechanical servo systemsL IU Qiang(College ofMechanical Electronic and Automation,Huaqiao University,Quanzhou 362011,China)Abstract:High perfor mance mechanical servo systems are widely used in civil and military industries,and for these systems,the performance improvement of the servo controller can increase productivity andproduct quality.The development of high perfor mance motion control theory is reviewed,and the basicdesign principlesof servo controllers are summarized;Contributions from digital feedfor ward tracking con2trol scheme,closed loop controller design and friction compensation method are surveyed.Finally,sever2al problemswhich require further investigation of high perfor mance motion control are discussed.Key words:motion control;friction;feedforward;servo system;high performance收稿日期:2007-09-28基金项目:福建省自然科学基金项目(E0510023);福建省高等学校新世纪优秀人才计划资助项目作者简介:刘 强(1972-),男,副教授,主要研究方向为鲁棒控制、自适应控制、高性能伺服控制理论及应用。1 引 言随着现代科技的进步和工业的发展,人类对于机械伺服系统性能要求越来越高,如静态定位精度指标,对旋转类伺服系统,已经达到角秒数量级,对于直线运动机械,达到纳米数量级,此外还有两个重要的性能指标是跟踪频带和低速性能。文献中对高性能伺服系统的提法并不统一,有“high perform2ance”和“high precision”两个词,虽然有些文献采用“high precision”一词作修饰语,但其实际含义已经不仅仅是静态性能要求。高性能机械伺服系统运动控制理论是一个重要研究领域,其发展直接影响并带动其他一些工业应用领域1:半导体加工领域,如显微镜XY校正、激光直写技术及晶片探测技术等;磁(光)存储介质加工领域,如磁头加工、光盘定位控制及精密磨削切分技术等;光学仪器加工领域,如光学镜头金刚石磨削机、光学磨床、码盘和光栅刻线机及钻石快速切削机等;武器仿真领域,如飞行仿真转台、加速度实验台及负载模拟器等;其他,如绘图机、坐标测量机及视觉光学校正系统等。高性能伺服系统驱动部件包括各类电机,如直流电机,无刷电机,永磁同步电机,直线电机等;直流电机通常采用脉冲调宽(PWM)型驱动器,交流永磁同步电机采用基于磁场定向控制技术的驱动器;位置反馈元件一般具有很高的精度,主要有光(栅)码盘,光栅尺,感应同步器等;速率测量元件主要采用测速发电机,由于其精度低且存在纹波,使用日益减少;运动控制器硬件一般采用DSP、工业PC及各类微处理器,控制算法以软件形式实现。尽管伺服系统具有不同的配置,但都可以采用微分方程表示为(以旋转机械伺服系统为例)J+B?=u-Tf-Td。(1)其中,J为等效转动惯量;B为等效阻尼系数;u为控制器输出;Tf为等效非线性摩擦扰动力矩;Td为除摩擦扰动外其他所有外部扰动之和,以及未建模动态和建模误差。从近年来该领域的发展趋势来看,采用鲁棒双环结构的运动控制器已成为研究热点,并形成了3个主要研究领域,即前馈跟踪控制、闭环控制策略和摩擦补偿技术。这种“模块化”的发展趋势,有利于将控制问题分解到不同领域,分别加以解决。基于鲁棒双环结构的运动控制器如图1所示。闭环控制器由内环控制器和外环控制器组成,其作用是保证系统的稳定性和对外干扰及参数变化的鲁棒性,使闭环系统响应和参考模型接近;前馈环节用来实现跟踪性能。采用复合控制结构的优点是可以将跟踪性能与系统稳定性分开来考虑。对于直接驱动机械伺服系统,摩擦环节是最主要的力矩干扰源之一,摩擦补偿环节用来提高低速平稳性和小信号跟踪能力。图1 运动控制器组成Fig.1The composition of motion controller2 鲁棒双环控制若考虑伺服系统动态方程本质上的非线性,同时各种外部扰动量又无法直接测量,要使系统达到很高的性能指标并不容易。随着控制理论的发展,LQG/LTR控制,H控制,综合等鲁棒控制方法先后提出,但这些方法在高性能伺服控制系统的应用并不具有优势,除非对象的动态特性很差2。原因是上述方法对不确定性的描述过于保守,导致对象的集合过大,其中包含了一部分在应用中不可能发生的对象。尽管鲁棒最优控制在数学上很完美,但应用中更需要简单有效、易于执行的控制方法。近年来,鲁棒双环控制框架成为高性能运动控制器设计的主要发展趋势。其共同特点是控制器有两个闭环构成,内环控制的主要目的是抑制外部扰动,增强鲁棒性。外环设计目的在于达到一定的性能要求。通常内环控制器将产生一定的校正信号,抑制外部扰动,使校正后的内环特性尽可能与给定的名义模型相同。经过内环校正后,可以将名义模型视为实际的控制对象,然后进行外环控制器设计。主要的鲁棒内环控制方法有:干扰观测器方法(DOB)3-14;自适应鲁棒控制(ARC)15-19;基于模型的扰动抑制控制(MBDA)20-22;增强的内模控制(EI MC)23;时延鲁棒控制(TDC)24-27。鲁棒双环控制器的原理如图2所示,图2(a)中1和2为测量噪声,C(s)为外环控制器,图2(b)至(e)给出了几种内环控制的框图。B.K.Kim对上述方法的等效性进行了研究28,给出了鲁棒内环控制的统一框架。图2 基于鲁棒双环控制的运动控制器框图Fig.2The diagram of robust two2ring controllerDOB方法在高性能伺服系统中应用最为广泛,原因在于其结构简单、鲁棒性好。通过采用名义模型的逆模型和设计低通滤波器Q,扰动观测器能够对外部扰动进行实时估计,然后在控制中引入补偿,进而对消外部扰动的影响。干扰观测器方法对外部扰动和参数变化均具有较强的鲁棒性。在DOB基础上,S.J.Kwon等人提出了多摄动观测器方法29,406电 机 与 控 制 学 报 第12卷 在内环中采用多个扰动估计回路,进一步增强模型跟踪能力。ARC方法的提出,是利用自适应控制和滑模控制的优点,进一步提高DOB方法的性能。和DOB方法相比,ARC控制能够更好的适应对象参数的大范围变化,同时具有满意的暂态性能,其缺点是存在静态误差。TDC控制在原理上适用于非线性系统,若系统的状态变量已知,该方法利用时间延迟,对系统中的不确定性给出了一种简单的估计方法。应用TDC方法的一个前提假设是:相对于系统采样周期,系统中的未知动态和外部扰动应是慢时变的。由于通常需要对估计扰动进行低通滤波处理,这使得该方法与DOB方法有一定的等效性29。EI MC方法对内模控制器进行了改进,在名义模型和对象的并行结构上增加一条新的通道,产生额外的控制信号,以补偿建模误差和外部扰动。在鲁棒双环结构框架之外,其他非线性控制及智能控制方法也被应用于高性能机械伺服系统,如:重复控制30-32,自适应控制33,34,滑模控制35-37,模糊控制38,神经网络控制39,40。3 数字前馈跟踪控制数字前馈跟踪控制方面需要解决的问题包括:对于给定的固定参数闭环名义对象,如何设计具有“高精确性”的前馈控制器;当闭环参数变化时,如何增强前馈跟踪控制器的鲁棒性能。尽管近年来出现了智能学习型前馈控制器的研究方向,但由于算法复杂,实时性差,难以实际应用。为此,采用迭代滤波器形式的数字前馈控制器仍然是研究的热点。设计数字前馈控制器的基本原理有:i)零相差跟踪控制(ZPETC)原理;ii)多采样率完全跟踪控制(MPT)原理。产生两种不同原理的根源在于闭环伺服系统具有一个有趣的特性41:当对闭环对象进行离散化时,由于存在相对阶,随着采样频率的逐渐提高,离散闭环对象会由最小相位系统变成非最小相位系统,即出现不稳定零点(单位圆上或单位圆外),和小阻尼零点(接近单位圆圆周)。对于离散非最小相位对象,采用复合控制思想设计前馈控制器是不可行的,会导致前馈环节不稳定,或者存在剧烈的振荡过程。为此,M.Tomizuka提出了零相差跟踪控制(ZPETC)原理42,对无法稳定对消的不稳定零点或小阻尼零点,在前馈环节中引入相应的零点进行“近似对消”,从而得到闭环对象的一个近似逆模型。若输入信号的超前值存在,采用ZPETC校正后的伺服系统在低频段的增益近似为1,在全频域内相差为0。自ZPETC提出以来,很多学者对ZPETC的改进和完善进行了研究,主要集中在两个方面:提高ZPETC精确性和ZPETC鲁棒性。如何提高ZPETC的精确性?有两种思路。第一种思路是寻找新的构造机理43-46,如:B.Haack等人在基本ZPETC控制器中加入额外的零点,来减小系统对中高频或不连续信号的跟踪误差;D.Torfs等人通过在基本ZPETC控制器中并联附加的前馈项,来改善前馈环节的增益特性,从而减小跟踪误差。C.H.Menq等人将前馈环节与预测滤波器相结合,预测滤波器用于补偿不稳定零点引起的增益误差,通过提高其阶数可以提高系统的跟踪精度。第二种思路是ZEPTC的最优化设计47-49,即将基本ZPETC与前置滤波环节串联,然后对滤波器参数进行优化,以改善前馈控制器性能,如:Y.Fu2nahashi等人提出在一定频率范围内增益特性为L2意义下最优的设计方法;T.C.Tsao等人将跟踪问题转化为模型匹配问题,给出了当输入信号的高阶导数有界情况下,跟踪误差为l1意义下最优的ZPETC控制器设计方法;L.Guo等人提出一种基于偏移算子和 算子的混合前馈控制器,并将其转化为H问题,用凸优化方法求解。对比上述两种思路的研究,后者的效果更好,但缺点是运算量大,且控制器阶数较高。伺服系统参数变化(如更换负载)将使闭环对象偏离名义模型,若前馈环节参数固定,必然导致跟踪性能下降,尤其对于较高频率的输入信号。如何提高ZPETC的鲁棒性?研究思路是采用自适应技术50,51。如:T.C.Tsao等采用自校正方法,对闭环部分参数进行辨识后调整ZPETC系数,从而提高系统的鲁棒性;S.S.Yeh等人采用间接自适应设计方法,完成前馈环节的在线自动设计。将自适应方法引入ZPETC控制,是一个自然的思想,其难点在于对非最小相位系统中不稳定零点的处理。近年来,多采样率控制理论取得了较大的进展52,53,为数字前馈跟踪控制的研究提供了新途径。H.Fuji moto54,55对高性能伺服系统提出了多速率完全跟踪控制方法(MPT),前馈控制器具有慢采样率,闭环控制具有快采样率,系统在慢采样时刻能实现完全跟踪。由于在采样点具有理想跟踪性能,该方法成为目前的研究热点56,57。同时在慢采样率下,离散闭环对象具有最小相位特性,MPT控制方法易于实现参数的自适应调整,以适应闭环参数的变化。多采样率前馈控制的缺点是在采样点间隔506第5期高性能机械伺服系统运动控制技术综述系统动态响应品质差,因为前馈环节采样周期长,在采样点间隔,若闭环控制器输出符号发生改变,会导致系统的响应品质变差,出现纹波及振荡现象。H.Fujimoto等提出了改善采样点间隔响应品质的方法,但由于需要提供输入信号的各阶微分信号,应用上有较大局限性。4 摩擦建模及补偿摩擦是一种复杂的、非线性的、具有不确定性的自然现象,摩擦学的研究结果表明,人类目前还无法在数学上对摩擦过程给出准确描述。近年随着人们对机械伺服系统性能要求的不断提高,摩擦补偿的重要性更加突出,有关摩擦建模及补偿方面的研究非常活跃。摩擦环节对伺服系统的不良影响主要体现在58:稳态时存在静差或极限环振荡;低速爬行现象;速度过零时发生跟踪畸变,产生位置波形“平顶”现象。事实上,各种闭环控制方法对摩擦扰动均具有一定的抑制作用。但从作用机理上看,是“间接补偿”,即摩擦扰动力矩先引起跟踪误差,跟踪误差再使闭环控制器发生作用。尽管这种补偿具有与摩擦模型无关的优点,但其实际效果往往受闭环带宽及机械谐振等诸多因素的影响。由于前面已经对伺服系统的闭环控制器进行综述,本部分重点讨论基于摩擦模型的补偿方法,该类方法采用顺馈补偿原理,是对摩擦扰动的“直接补偿”。理论上,可以彻底消除摩擦环节的不良影响。采用基于摩擦模型的补偿方法,首先要对摩擦环节建立数学模型。到目前为止,已提出的摩擦模型有30余种,具有代表性的是:库仑+粘性摩擦模型59;指数模型60;7参数集成模型58;Karnopp模型61;复位积分器模型62;Dahl模型63;LuGre模型64-66。其中前3种模型属于静态模型,是对Stri2beck曲线的近似;LuGre模型是动态摩擦模型,不仅符合静态的Stribeck曲线,而且可以描述静摩擦可变性和摩擦滞后特性。基于模型的摩擦补偿方法可进一步划分为固定模型补偿和自适应补偿。对于前者,摩擦模型的参数是通过离线辩识来获得的,在控制过程中保持不变;对于后者,参数通过线(性)迭代估计来确定,在控制过程中是可变的。常见的补偿方法有:基于库仑摩擦模型的补偿方法67-70。该方法的优点在于模型简单,易于实现,但由于摩擦模型是静态模型,无法描述零速时摩擦的非线性特性,使其控制效果受到限制;基于静摩擦+库仑摩擦模型的补偿方法71。由于在摩擦模型中加入静摩擦项,可以预测速度过零时出现的多值非线性,能更好地改善系统在零速附近的动态响应,缺点是对速度信号的品质要 求 很 高;基 于 指 数 摩擦 模 型 的 补 偿 方法72,73。指数模型考虑了Stribeck曲线前段的负斜率特性,对低速摩擦的描述更为精确,基于指数模型的补偿对提高系统的超低速性能和抑制稳态极限环振荡27 效果明显。但由于其参数空间的非线性,参数在线辩识较为困难;基于Karnopp摩擦模型的补偿方法74,75。其突出优点在于对速度信号的测量精度要求不高,能较好地改善系统在零速时的动态响应,易于工程实践;基于LuGre摩擦模型的补偿方法76-79。是目前摩擦补偿控制研究的热点,其优点在于对摩擦环节的动态特性的补偿效果好,难点是参数辩识很困难。除了基于模型的摩擦补偿外,还有一些特殊方法,如:抖动信号及脉冲控制技术80-82。抖动信号具有较高频率,叠加在输入信号上,能在一定程度上平滑摩擦在低速时的不连续性,在液压伺服系统应用较多。脉冲信号是具有大幅值、短周期的信号,可以克服静摩擦的束缚,产生微小的位移;力矩反馈方法83。通过对输出净力矩进行测量,形成有足够的带宽的反馈回路,能很好地抑制摩擦和其他干扰力矩的影响。力矩反馈不同与伺服回路中的电流闭环,后者实质上是对电机输出力矩(非净力矩)构成回路。力反馈控制具有不依赖于模型、控制效果好的优点,但由于需额外安装力矩传感器,增加系统的柔性和成本。;模糊摩擦补偿技术84-86。文献84 通过观察摩擦环节对系统输出的影响,采用模糊规则调整控制器的部分参数。文献85 采用聚类分析技术,直接建立模糊摩擦模型,在建模时没有考虑摩擦过程的已知物理特性。文献86 采用模糊推理产生窄的力矩控制脉冲,补偿摩擦进行精确定位;神经网络摩擦补偿技术87-89。R.S.Rast2ko等人提出一种新的神经网络结构87,具有额外的“跳变”神经元,以提高神经网络对分段函数的逼近能力,用于静摩擦补偿。Y.H.Ki m等88 采用神经网络来辩识系统中的摩擦和干扰力矩,提出了基于增强学习的摩擦补偿方法。H.L.Du等89 采用RBF网络作为摩擦辩识器,采用补偿算法使将跟踪误差限制在某一界限内。5 尚待解决的问题在闭环控制器设计方面,存在的主要问题是:各种鲁棒内环控制方法,对测量噪声均较为敏感,因606电 机 与 控 制 学 报 第12卷 而限制了低分辨率位置传感器在高性能运动控制系统中的应用;如何将DOB方法中参数不确定性和外部扰动分离开来,以提高Q滤波器的带宽,并增强系统对大范围参数变化的鲁棒性;鲁棒内环控制方法的直接数字域设计,如Q滤波器的直接数字域设计及优化。对于数字前馈跟踪控制,亟待解决的问题是:对非最小相位对象的数字前馈控制,设计出发点被局限在ZPETC原理框架内,提出的各种设计方法在其控制器中都包含了基本ZPETC控制器,结果导致控制效果不理想,或者控制器阶数过高;无指令超前值情况下,数字前馈控制器的设计问题。在摩擦补偿方面,存在的问题是目前基于模型的摩擦补偿技术,补偿效果过分依赖于摩擦模型、速率信号精度和补偿时刻的准确性。参 考 文 献:1KI ONG T K,HENG L T,HUIFANG D,et al.Precision M otionControl Design andImplementation M.Berlin Heidelberg:Springer,2001.2L I U Z Z,LUO FL,RAHMANM A.Robust and precision motioncontrol system of linear2motor direct drive for high2speedX2Ytablepositioning mechanis m J.IEEE Trans Industrial Electronics,2005,52(5):1357-1363.3OHN ISHI K.A new servo method in mechatronicsJ.Trans JpnSoc Elect Eng,1987,1:83-86.4 LEE H S.Robustmotion controller design for high2accuracy posi2tioning systems J.IEEE Transactions on Industrial Electronics,1996,43:48-55.5KEMPF C J,KOBAYASHI S.Disturbance observer and feedfor2ward design for a high2speed direct2drive positioning table J.IEEE Transactions on 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