柔性机电伺服系统振动抑制的新策略和带宽参数估计研究

Suppressing vibration and increasing the tracking accuracy are the seeking objectives of mechanical and eletronic servo systems, but there are controdictions between these two objectives. How to suppress the vibration on the premise of ensuring the good tracking performance of the flexible servo system is always a difficult question for many years. At the same time, how to estimate the allowable controller bandwidth and the parameters of resonance mode is an another difficult question in servo system. And these questions are still open now. Firstly, the approaches of mechanism modelling and identification modelling will be used together to get the model of open loop process of flexible servo systems. Secondly,the motion profile algorithms that can simultaneously give consideration to signal bandwidth and vibration suppression will be studied. Thirdly, the novel two degree of freedom adaptive controllers that can observe the load online and compensate the time delay will be investigated to expand the bandwidth of servo systems ,to increase the stability margin of servo systems and to suppress the vibration of servo system. Finally, when the motion profile algorithms and the type of the controller are selected, the allowable bandwidth of the controller and minimum resonance frequency and the maximum resonance amplitude can be estimated based on the tracking accuracy of servo systems. These values can be a preliminary estimate of the flexibility allowed by the mechanical part before the mechanical systems are designed.

抑制振动和提高跟踪精度是柔性机电伺服系统追求的目标，但这两者之间存在着矛盾,在保持系统具有好的跟踪精度的前提下，如何抑制系统的振动是柔性伺服控制中一直面临的一个难题；另外，在系统设计之前如何估计系统所需要的控制器带宽和所允许的共振模态参数是柔性伺服系统设计中另一难题。这些问题至今没有很好地解决。首先，拟采用机理建模和辨识建模相结合的方法建立柔性伺服系统开环对象的数学模型；其次，研究同时兼顾信号带宽和振动抑制的柔性伺服系统优化的轨迹规划算法；再次，研究伺服系统具有负载在线观测和时延补偿功能的新型两自由度自适应控制器，期望在扩展系统带宽的同时，提高系统的稳定裕度并抑制系统的振动；最后，在确定了伺服系统的控制器类型和轨迹规划算法的前提下，根据系统的跟踪精度要求估计柔性伺服系统所需要的控制器带宽和所允许的最低共振频率和最大共振幅值，在机械设计之前，对机械部分所允许的柔性提供一个初步的估计。

在机电伺服系统中柔性普遍存在。在本项目的支持下，我们主要得到以下研究结果：（1）提出了基于三角函数正交性的永磁伺服系统机械参数的辨识方法；（2）提出了伺服系统中包含时延的被控对象的多个参数的自适应估计方法；（3）建立了包含了共振模态模型的机电伺服系统的位置环对象的模型；（4）设计了一种具有更高效率和柔性的伺服系统的加加速度为正弦信号的Motion Profile的优化算法；（5）提出了一种Jerk平滑的非对称正弦轨迹规划设计方法；（6）设计了一种基于自抗扰控制的表贴式永磁同步电机的模型预测控制器；（7）提出了一种基于反步控制和前馈控制的柔性伺服系统的自适应LuGre摩擦补偿方法；（8）提出了一种基于鲁棒两自由度的伺服系统的H无穷控制方法；（9）提出了一种基于新型趋近律的永磁同步电机非奇异终端滑模控制方法；（10）设计了一种伺服系统两自由度复合控制器；（11）提出了一种基于新型趋近律的柔性机械臂滑模最优组合控制方法；（12）提出了一种基于 LESO 的永磁伺服系统无模型无差拍电流预测控制方法；（13）提出了一种基于改进超螺旋算法的永磁同步电机快速积分终端滑模速度控制方法；（14）提出了一种基于扩展观测器的永磁同步电机快速积分终端滑模控制方法；（15）提出了一种基于参考轨迹强跟踪的伺服系统的双振动抑制方法；（16）提出了一种估计伺服系统带宽和共振模态参数的新方法；（17）提出了一种基于新的滑动模态和趋近律的伺服系统的自适应反步非奇异终端滑模控制器的设计方法；（18）提出了一种基于改进ESO的柔性机械臂自抗扰-滑模组合控制器的设计方法。共发表和被录用学术论文46篇，其中被SCI收录15篇，被EI收录13篇；申请发明专利15件，其中已授权发明专利8件，登记软件著作权3件；培养并已毕业硕士研究生8名；研究成果获得江中国商业联合会科技进步奖一等奖和三等奖各1项、江苏机械工业科技进步奖二等奖1项。本项目的成果将为高性能柔性伺服系统的设计提供理论支持和技术支撑。