含有摩擦和间隙的机械系统建模与跟踪控制研究

在高精度机械运动跟踪控制中，由于摩擦和间隙两种硬非线性的影响，大大限制了系统的跟踪性能。摩擦在低速区域表现出非常复杂的非线性现象，间隙在某些场合表现为磁滞特性。本项目拟研究同时含有摩擦和间隙的机械系统建模与跟踪控制问题。拟通过分段建模方法，利用神经网络能够逼近任意非线性的能力，对摩擦进行建模、估计，从而避免采用单一神经网络估计不连续函数所带来的节点维数膨胀问题；通过巧妙设计激励信号将摩擦和间隙参数分步辨识出来，研究摩擦和间隙参数辨识的新理论和新方法；根据间隙相对反馈信号位置的不同，将这类系统分为两类系统进行补偿控制研究。在假设摩擦和间隙参数未知的前提下，提出基于规则切换的神经网络自适应混杂补偿控制策略，并将这种控制策略扩展到更为一般的依赖于方向的切换系统，为这类系统的控制问题提供新思路。

本项目旨在研究同时含有摩擦和间隙的机械系统高精度跟踪控制问题，因此，分别研究摩擦、间隙单独作用下的建模和控制问题是整个项目的研究基础。我们首先研究了摩擦模型建立问题，通过深入剖析摩擦的非线性特点，系统给出了基于LuGre摩擦模型的辨识方法，并通过实验进行了验证；在摩擦补偿控制方面，提出了非线性PI自适应控制策略、近似自适应PI滑模面的滑模自适应控制策略、基于终端切换函数定义滑模面和双观测器的滑模自适应控制、基于神经网络逼近的非线性摩擦补偿控制策略等，对各类控制策略进行了理论证明、暂态性能分析和仿真实验验证。在含有间隙的机械传动中，间隙将传动变得不连续，使得传动过程分为接触和间隙两种模式。在研究跟踪控制时，根据位移传感器的位置不同，间隙表现出的特性也不一样，有时表现为死区，有时表现为磁滞；对于间隙补偿，提出了基于Backstepping设计方法的滑模自适应死区补偿策略；针对系统的间隙磁滞特性，设计了基于神经网络的自适应间隙补偿控制器、基于Prandtl-Ishlinskii模型，构造了鲁棒自适应磁滞补偿控制策略。对于同时含有摩擦和间隙的机械系统，考虑间隙的死区效应，设计了一种鲁棒自适应控制策略。由于含有摩擦和间隙的机械系统属于一类依赖于方向、分段连续的系统，根据系统分类属于基于规则的切换系统，我们对切换系统的控制理论进行了相关研究。