基于继电反馈的伺服系统辨识与自调谐-论文.pdf

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1、98机械工程学报第5l卷第11期LIZhongqun，LIUQiang．Modelingandsimulationofchatterstabilityforcircularmilling[J]．Journalof作者简介：李尧，男，1987年出生，博士研究生。主要研究方向为高效MechanicalEngineering，2010，46(7)：181-186．绿色数控加工及智能数控加工系统。[29】SHIYH，EBERHARTRC．AmodifiedparticleswarmE—mail．1iyao123～1987@163．corn

2、optimizer[C]／／ProceedingsoftheIEEECongresson刘强(通信作者)，男，1963年出生，教授，博士研究生导师。主要研究EvolutionaryComputation，Piscataway，USA：IEEE方向为高效绿色数控加工技术及装备，支持共享的智能数控加工系统。ServiceCenter。l998：69．73．E—mail：~msmea@buaa．edu．cn第4届上银优秀机械博士论文奖——佳作奖基于继电反馈的伺服系统辨识与自调谐作者：刘佳毕业学校：上海交通大学指导教师：朱向阳、熊振华随着

3、现代工业的发展，对于伺服系统控制性能的要求也越来越高。伺服系统的控制器例如P1D控制器若要达到令人满意的控制效果，需要对于控制器参数进行调谐。传统的调谐方法主要依靠手工调谐，即试凑法，比较依赖工程师的经验，调谐过程可能变得冗长且无法得到良好效果。因此，针对伺服系统特点，研究伺服系统辨识与自调谐技术，自动、快速的计算出优化控制参数，对于提高生产效率，改善控制性能都具有非常重要的现实意义。目前针对伺服系统辨识与调谐的研究中尚存在以下问题：伺服系统包含有较多的非线性扰动，如何快速辨识出伺服系统中如摩擦力、机械臂的重力等非线性扰动的问题尚

4、未得到充分的解决；伺服系统模型辨识传统方法引入了近似，辨识精度有待进一步改善；伺服系统闭环模型通常为高阶模型，目前尚缺少快速有效的辨识出闭环系统的高阶模型的方法。．针对上述问题，本文以高档数控机床及电子封装制造设备为应用背景，研究了伺服系统的辨识与自调谐方法。该方法可以使伺服系统根据不同的工况，自动获得最优的控制参数，并补偿系统的非线性扰动。本文对伺服系统辨识与自调谐方法的研究主要针对以下两个方面：第一，针对不同伺服系统工况，辨识其伺服系统的负载和非线性扰动，并调谐速度环控制器参数；第二，针对使用商用驱动器的应用，辨识伺服系统速度

5、闭环模型并调谐位置环控制器参数。本文的具体研究工作和创新成果如下。(1)针对伺服系统内环负载和扰动辨识问题，分别研究了基于描述函数法和基于时域特征法的继电反馈辨识方法，实现了伺服系统负载及非线性扰动辨识。本文结合了伺服系统的特殊性，改进了继电反馈辨识法，详细探讨了在伺服系统中继电器参数对系统辨识的影响并给出了参数选择标准和适用范围。文中提出的基于继电反馈法的非线性扰动辨识方法，在辨识了系统模型的同时，可以辨识出伺服系统的库伦摩擦力，粘滞摩擦力和针对机械臂的重力扰动。为改善传统方法的辨识精度，本文提出一种新的基于时域特征的继电反馈辨

6、识法。这种方法摒弃了传统描述函数法的近似性，使用时域方程精确描述系统的特征，使辨识误差从传统方法的10％~20％左右降低到1％以下。同时，传统方法在不同继电器参数下有约10％的辨识差异，时域方法则不受参数影响，体现了更强的参数鲁棒性。(2)在辨识了伺服系统内环负载和扰动的基础上，研究了伺服系统控制器设计和调谐方法。控制结构主要基于PID控制，并结合了前馈控制器、干扰观测器和补偿器以提高系统响应并抑制扰动。速度环控制器调谐采取了基于系统开环截止频率和相角裕度的调谐方法。本文提出的伺服系统速度环控制器调谐方法可以直接给出控制器参数计算

7、公式，设计简便，适合嵌入式系统实现，在多个平台上的试验都表现出了良好的控制效果。(3)针对伺服系统外环辨识问题，研究了基于多次积分法的继电反馈辨识方法，解决了闭环系统的高阶模型辨识问题。本文分析了商用驱动器中常见的速度闭环结构，并对伺服闭环系统进行建模。闭环系统的继电反馈振荡被视为一系列的阶跃响应，针对闭环系统模型的辨识方法采用了基于阶跃响应的多次积分法，可以不使用外部信号源，通过系统自激振荡辨识出系统模型。仿真结果证明了建模的合理性和辨识方法的有效性。。(4)研究了基于模型的伺服系统位置环控制器参数的调谐方法，并通过实验验证了整

8、套辨识与调谐算法。位置环控制器调谐同样采用了基于系统开环截止频率和相角裕度的调谐方法。引线键合平台的验证试验通过将使用本文方法的辨识结果与正弦扫频试验结果进行对比，证明了辨识的准确性。调谐后的系统可以在高加速度下可达到较高的控制性能。三轴运动平台上