[发明专利]一种能克服传动间隙非线性的双环自抗扰控制器

说明书

技术领域

本发明涉及高精度位置跟踪控制系统，属于伺服控制技术领域，具体涉及一种能够克服传动间隙非线性的双环自抗扰控制器。

背景技术

传动间隙非线性指机械传动系统中运动部件之间存在的间隙，存在于齿轮-齿轮、齿轮-齿带或蜗轮-蜗杆等传动环节，常导致位置(角度)控制误差。传动间隙既是机械运动传递过程中不可缺少的一种非线性，有利于运动部件之间的油膜生成，减少摩擦，防止卡滞，同时该间隙又是影响控制系统动态性能和稳态精度的重要因素。如果不能消除传动间隙的影响，系统性能会因之导致极限环等幅振荡而降低，严重时甚至使得系统变得不稳定；同时，间隙两侧的传动部件之间的刚性碰撞会产生严重的噪音，随着时间的推移，传动部件表面逐渐磨损，导致间隙变大，系统性能下降更为显著。由于间隙的不可微非线性特性，对其补偿非常困难，增加了存在传动间隙系统的控制难度。因而，在系统运行精度要求很高的领域，比如精密机械、高精度武器系统、机器人等领域，传动间隙非线性一直是研究的重要内容。

起初人们尝试通过机械的方法试图消除齿轮与齿轮之间的间隙，但是齿隙啮合必须满足一定的齿隙最小间距才能保证不发生滞塞现象，机械的方式不可能将齿轮间的传动间隙完全消除。另一种处理传动间隙的方法是从控制方法上下功夫。近十几年来，随着对间隙研究的深入和非线性理论的发展，建立的间隙非线性的数学模型变得更为复杂，这些模型覆盖了间隙在系统端部到间隙在系统中间，以及包含摩擦、饱和等其它非线性。建立在现代控制理论基础上的新方法不断出现，自适应控制理论、变结构控制理论、智能控制理论、非线性几何理论等成为研究传动间隙的有力工具；控制方法也更为复杂，研究人员陆续提出了逆模型方法、碰撞分析法、线性控制基础上的补偿方法以及分阶段控制法等方法。

现有的间隙补偿方法主要有逆模型补偿、可微齿隙逆模型补偿、基于线性控制的补偿方式、基于切换控制的补偿方式以及基于驱动冗余的补偿方式。

间隙的逆模型补偿方式是在系统控制信号输入端补偿一个间隙非线性的逆，用以抵消系统中间隙非线性的影响。一般来说间隙的逆模型补偿一般用迟滞模型作为逆模型对象，经过逆模型补偿后成为伪线性系统的广义对象可以施加任何形式的线性控制策略。但是应用间隙逆模型补偿方式的控制呈现不可微的“硬”特性，是不连续的，在控制过程中易出现“抖动”现象。可微齿隙逆模型法是用可微函数近似表示的传动间隙逆模型，虽然引入了有界误差，相比于传统的逆模型补偿方法，改善了系统的控制性能。基于线性控制的补偿方式是在线性控制的基础上对间隙等非线性实施不同的补偿策略，具体包括观测器方式、智能方式、描述函数法等补偿策略，其控制策略多数是根据确定的未知参数而设计的，未知参数的变化可能会影响其控制效果。切换控制策略是针对系统的间隙阶段和接触阶段分别设计不同的控制策略，根据电机和负载的位置反馈可以得知当前间隙是在打开状态还是啮合状态，在接触啮合期间，间隙非线性消失，控制目标为系统期望指标；在间隙期间，系统驱动部分与从动部分成为两个相互独立的子系统，从动子系统处于自由衰减状态，控制目标为减小间隙非线性对系统的影响。切换控制策略是比较理想的选择，理论上可以在保证驱动部分快速通过间隙的同时，保证间隙终了时实现无碰撞接触，但若间隙期间的控制策略太复杂则会延长计算周期，使得控制不易实现，间隙较小时尤为如此，同时，间隙的大小在运行过程中的浮动也会影响这种控制方法的性能。驱动冗余补偿方式是通过对驱动同一从动轴的两组驱动电机施加大小相等、方向相反的偏置力矩，使得间隙非线性系统成为分段线性系统，显著地改善了系统的非线性特征。但该方法大幅增加了系统结构的复杂和设计成本，另外还引发了多电机同步协调等新的问题。

在位置伺服控制中，传动间隙的存在主要会引起两种问题。其一是稳定性问题。间隙的存在会引发高频极限环，其二是性能问题，负载在间隙期间不受控制，因此必然导致与期望值之间的误差。现有研究在面临这种问题时，控制策略主要分为两种，一种是“强控制策略”，主张在间隙期间采取强作用，使负载在间隙中的时间尽可能短；另一种是“弱控制策略”，这种控制策略包含两个控制器，一个着重于稳定性，在间隙期间发挥作用，另一个着重于性能指标，在间隙闭合时发挥作用，根据电机转矩对这两种控制器进行切换。具体的控制方式包括线性控制和自适应、非线性控制。线性控制根据反馈信号的不同又包括电机侧反馈、负载侧反馈和电机负载侧同时反馈。自适应和非线性控制包括负载反馈、电机负载侧同时反馈。