有摩擦补偿的驱动组件高精度位置控制研究

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1、第19卷第3期航天器工程V01．19No．32010年5月SPACECRAFTENGlNEERING45有摩擦补偿的驱动组件高精度位置控制研究张晓东张东华(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要针对柔性、摩擦影响下的谐波驱动组件高精度位置控制问题，提出了一种自适应摩擦补偿的递阶控制策略。建立了考虑谐波驱动组件柔性、摩擦的级联动力学方程，采用LuGre摩擦模型描述摩擦特性，设计双状态观测器估计LuGre模型内部不可测状态，并引入自适应律辨识未知模型参数和惯量变化，实现了谐波驱动组件的高精度位置控制，并基于Lyapunov定理证明闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛性，通过在空间机构

2、驱动组件测试平台上的试验结果表明，该方法有效提高了驱动组件位置控制精度和鲁棒性。关键词空间机构；谐波减速器；驱动组件；摩擦补偿；自适应中图分类号：V414文献标志码：A文章编号：1673-8748(2010)03—0045—07HighPrecisionPositionControlforSpaceMechanicalActuatorwithFrictionCompensationZHANGXiaoDongZHANGDonghua(BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering，Beijing，100094)Abstract：Anadaptive

3、highprecisionpositioncontrolwithfrictioncompensationschemeforSpacemechanicalactuatorispresented．Amechanicalactuatorismodeledasacascadesystem，andLuGredynamicfrictionmodelwithnonuniformfrictionvariationsiSusedtocharacterizethefric-tionforce．Dualstateobserversareproposedtoestimatetheinternalimmeasura

4、blestateofLuGremodel，andnonlinearadaptivecontrollawsaredesignedtoidentifytheunknownmodelparame—ters，inertiaandtheexternaldisturbances．Thesystemstabilityandasymptotictrajectorytrack—ingperformanceareprovedbasedonLyapunovtheoremanddemonstratedbytheexperimentalre。suits．Keywords：spacemechanism；harmoni

5、creductor；mechanicalactuator；frictioncompensation；parameteradaptive引言基于谐波减速器的驱动组件具有结构紧凑、减速比高、效率高等优点，在空间机构中的应用十分广泛。但谐波减速器依靠柔轮变形产生驱动力，具有明显的柔性特性，并且谐波减速器中存在的摩擦非线性在低速情况下会导致较大的稳态误差和极限环振荡等不良后果，是影响空间机构驱动组件控制精度的重要因素[1。2]。试验表明：在驱动负载运动时，如果忽略柔性变形、摩擦等非线性因素的影响，驱动组件执行高精度控制任务的能力和稳定性将受到很收稿日期：2010-03—04；修回日期：2010—0

6、4—15基金项目：中国空间技术研究院自主研发项目作者简介：张晓东(1980一)，男，博士，研究方向为空间机械臂动力学与控制。46航天器工程19卷大的限制u。60。当前，基于摩擦模型的补偿方法是消除摩擦的最为有效的方法，但经典摩擦模型没有考虑摩擦动态特性，作用有限。近年来，LuGre摩擦模型全面、简洁地描述了摩擦力的动、静态特性，受到了很大的重视[6_8]。但该模型参数较多且存在无法测量状态，实现复杂，尤其在实际的空间环境中，模型参数会随着外界条件诸如温度变化、润滑条件、机械磨损和惯量变化等因素而变化，参数离线辨识的方法难以取得较高精度。本文首先建立了考虑驱动组件柔性、摩擦特性的级联动力学方

7、程，设计了双位置闭环伺服控制系统实现级联方程的递阶控制，并采用LuGre摩擦模型描述摩擦特性，提出一种双状态观测器估计模型内部不可测状态，设计了参数自适应律估计LuGre摩擦模型参数和不确定性，分析了自适应控制的稳定性和渐进收敛性，并通过空间机构驱动组件测试平台上试验，验证了控制策略的有效性。2考虑柔性、摩擦的驱动组件动力学模型降一缸一Fr+盖c驽“，㈩阵一盎(丙Om一6IL)+rm(2)其中，几为驱动组件输出轴转动惯量