多电机驱动伺服系统的输出反馈自适应控制研究
时代在不断进步而小惯量和小功率的单电机伺服系统已经不再适应时代的脚步。多电机伺服系统是指多个电机在控制器调节下同步运转达到增强转动惯量和功率的目的。但是，多电机驱动中各电机之间很难做到快速同步。而且多电机运行会出现摩擦和齿隙等非线性因素，传统的控制器很难保证多电机系统的跟踪状态，结果会影响到伺服系统的控制效果。本课题建立了多电机驱动伺服机械系统的动力学模型，考虑了摩擦非线性特征，充分利用神经网络逼近器的作用，设计了自适应控制器，进行了稳定性分析，并利用MATLAB进行仿真实验分析且实验结果验证了所提自适应控制器的有效性。关键词 多电机驱动伺服系统,自适应控制,摩擦补偿,跟踪控制目录
1. 绪论 1
1.1. 论文的意义 1
1.2. 多电机伺服系统的研究问题 1
1.3. 多电机伺服系统的研究现状 2
1.3.1. 国外研究现状 2
1.3.2. 国内研究现状 3
1.4. 本文内容与组织结构 4
2. 多电机伺服驱动模型 5
2.1. 引言 5
2.2. 多电机驱动伺服机构 5
2.3. 连续可微摩擦模型 6
2.4. CNN逼近 6
2.5. 多电机伺服驱动系统状态空间模型 7
2.6. 仿真实验 7
3. 基于自适应控制的双电机伺服系统 9
3.1. 引言 9
3.2. 跟踪微分器 9
3.3. 扩张状态观测器（ESO）设计 9
3.4. 自适应控制器的设计 12
3.5. 小结 15
4. 仿真试验分析 16
4.1. 控制器稳定性分析 17
4.2. 扩张状态观测器的性能分析 18
4.3. 双电机伺服系统的同步性能控制 18
总结 20
致谢 21
参考文献 22
绪论
论文的意义
“中国制造2025”要求制造业在技术含量高的重大装备等先进制造领域勇于争先。高档数控机床和机器人作为“中国制造2025”的十大领域之一，其稳定性和可靠性的提高
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. 扩张状态观测器的性能分析 18
4.3. 双电机伺服系统的同步性能控制 18
总结 20
致谢 21
参考文献 22
绪论
论文的意义
“中国制造2025”要求制造业在技术含量高的重大装备等先进制造领域勇于争先。高档数控机床和机器人作为“中国制造2025”的十大领域之一，其稳定性和可靠性的提高很大一部分依托于伺服电机技术的发展。
江苏省响应国务院的号召公布了《中国制造2025江苏行动纲要》，其中提出智能制造装备作为制造业的重要组成部分是“中国制造2025江苏行动”的重点领域。突破高档伺服系统等具有国内一流、世界先进水平的关键共性技术成为发展智能制造的必由之路。
时代的进步使得人们的生活方式不多变化，科技水平不断提高，机械电子工程和微电子技术的不断进步使得停滞发展的伺服控制系统得到新的生机。伺服控制系统的发展也在促进了其他科学技术的发展。因此，伺服控制技术成为当今世界炙手可热的项目。多电机伺服系统已经成为伺服系统领域中的主要研究和发展方向。多电机伺服系统控制以其独特的结构能够极大的提高系统的精度 [1-3]，例如美国的深空雷达，远望号上的大口径火炮以及需要高精度的驱动系统的数控机床等[4]。使用多电机伺服驱动控制可以有效的避免惯性带来的干扰并且其相较于单电机伺服驱动系统来说更加的稳定[5]。它能够有效的提高控制的精度和系统的运行速度达到快速同步的标准。其运行的过程中能够缓解齿隙和摩擦非线性对于多电机伺服系统的影响。
多电机伺服系统的研究问题
在伺服系统中，存在着很多的问题如齿轮的齿间隙和齿轮转动时的齿轮死区的问题以及摩擦非线性的问题。因为这些干扰因素都是非线性，传统的模型和位置跟踪方式无法达到预期的目标。在电机伺服系统中摩擦非线性因素对整个系统的稳定性和位置追踪有着巨大的影响[6-7]，如果不对摩擦非线性因素做出正确的补偿，可能导致系统出现运行误差系统甚至导致整个多电机伺服控制系统的振荡，所以摩擦非线性的问题是所有伺服控制系统的研究者绕不过去的障碍。
结合上述情况，本课题主要研究的是如何建立双电机伺服驱动系统在摩擦非线性因素影响下的自适应控制器。该研究是采用机理建模的方式构建单电机伺服驱动的模型并在单电机驱动模型的基础上拓展出双电机伺服驱动系统的动力模 型并考虑摩擦非线性因素，设计双电机伺服驱动系统基于特征模型的输出反馈自适应控制器并验证其可行性。研究自适应技术和对多电机伺服驱动系统具有重要的理论意义与应用价值。
多电机伺服系统的研究现状
国外研究现状
在齿隙消除方面，文献[8]讲述了通过双电机联动的方式给两个电机各自添加一个等大且方向性相反的力矩，从而就整个双电机伺服系统而言两个力矩相互之间抵消保证了整个系统处于合力矩为0的状态下，这样可以保证两个电机中至少有一个电机是与负载齿轮完全重合的，以这样的方式完成相对于整个双电机系统而言的无齿隙运行。文献[9-10]采用和上文所描述的相近似的方法，论述了四电机系统中消除间隙的方案。文献[11]在前人的基础上对于偏置力矩进行详细的分析，首先其对偏置力矩消隙原理进行了详细的描述，然后通过对于偏执力矩消隙原理理解设计出能够在不同的工作环境下使用的如定向驱动法、固定偏置力矩法、动态偏置力矩法、能量优化动态偏置力矩法等消除齿隙非线性的方法。文献[12]侧重分析了偏置电压在消除齿间隙过程中的影响，其通过建立仿真模型对整个系统进行模拟实验并且得到了仿真结果，验证前人所提出的偏置电压能够消除齿隙非线性的假设。文献[13-15]设计出了双电机驱动的水泥窖结构模型，对实际的工业设计以及应用领域中所出现的齿隙非线性的现象进行分析并对模型进行仿真验证从而证明了双电机驱动可以很好的减少齿轮间隙。
图1 美国深空探测雷达 图2 卫星通讯雷达
在系统中由于摩擦非线性环节处理起来很困难，而且不是一成不变的控制器无法通过固定值补偿的方式对摩擦非线性进行补偿。文献[16-17]提出一种摩擦补偿的算法对LuGre模型进行摩擦补偿算法，并在文中提出了一种两步辨识法能够快速的辨识出LuGre模型的参数。文献[18]在蚁群算法的基础上发展出了一种能够辨识LuGre 模型的静态参数和动态参数的方法，还将这种方法应用于飞行伺服系统中，验证了这一方法的真实性和有效性。文献[19]通过参考文献[20]的研究方法，提出利用微位移来估算摩擦动态参数并且得到了错的效果。
国内研究现状
传统的多电机建模方法是通过分析非线性环节的动力学模型和物理定理，列举出多电机伺服系统中的各个运行环节所表示的方程式，通过消除中间变量达到简化的目的，所得到的简化后的方程就是多电机伺服系统的数学模型，现在大多数的高校和研究所建立多电机伺服系统模型的方式就是这一种
陈庆伟教授等使用机理分析的方法[21]通过对于多电机伺服系统运行的的动力学原理，设计了双电机无齿隙的理想模型。并且根据这一模型构建了含齿隙的双电机动力学模型最后拓展出多电机动力学的一般化模型。杨文清[22]设计了一个双电机模型在这个模型中电流环有着消隙的作用，然后在模型中通过加速度反馈的方式达到抑制低速爬行的目的。祁麟[23]在系统辨识方法的基础上建立线性的系统模型，再通过机理分析的方法来获得齿隙非线性的模型，将两个模型整合就得到了完整的系统模型。忽麦玲[24]等人以现代化火炮伺服系统为原型，对火炮系统中的齿隙非线性进行合理的剖析建立双电机炮塔的动态数学模型和结构框图，最后通过仿真结果与实际结果对比，验证模型的正确性。文献[25]对多电机的特征建
1. 绪论 1
1.1. 论文的意义 1
1.2. 多电机伺服系统的研究问题 1
1.3. 多电机伺服系统的研究现状 2
1.3.1. 国外研究现状 2
1.3.2. 国内研究现状 3
1.4. 本文内容与组织结构 4
2. 多电机伺服驱动模型 5
2.1. 引言 5
2.2. 多电机驱动伺服机构 5
2.3. 连续可微摩擦模型 6
2.4. CNN逼近 6
2.5. 多电机伺服驱动系统状态空间模型 7
2.6. 仿真实验 7
3. 基于自适应控制的双电机伺服系统 9
3.1. 引言 9
3.2. 跟踪微分器 9
3.3. 扩张状态观测器（ESO）设计 9
3.4. 自适应控制器的设计 12
3.5. 小结 15
4. 仿真试验分析 16
4.1. 控制器稳定性分析 17
4.2. 扩张状态观测器的性能分析 18
4.3. 双电机伺服系统的同步性能控制 18
总结 20
致谢 21
参考文献 22
绪论
论文的意义
“中国制造2025”要求制造业在技术含量高的重大装备等先进制造领域勇于争先。高档数控机床和机器人作为“中国制造2025”的十大领域之一，其稳定性和可靠性的提高
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. 扩张状态观测器的性能分析 18
4.3. 双电机伺服系统的同步性能控制 18
总结 20
致谢 21
参考文献 22
绪论
论文的意义
“中国制造2025”要求制造业在技术含量高的重大装备等先进制造领域勇于争先。高档数控机床和机器人作为“中国制造2025”的十大领域之一，其稳定性和可靠性的提高很大一部分依托于伺服电机技术的发展。
江苏省响应国务院的号召公布了《中国制造2025江苏行动纲要》，其中提出智能制造装备作为制造业的重要组成部分是“中国制造2025江苏行动”的重点领域。突破高档伺服系统等具有国内一流、世界先进水平的关键共性技术成为发展智能制造的必由之路。
时代的进步使得人们的生活方式不多变化，科技水平不断提高，机械电子工程和微电子技术的不断进步使得停滞发展的伺服控制系统得到新的生机。伺服控制系统的发展也在促进了其他科学技术的发展。因此，伺服控制技术成为当今世界炙手可热的项目。多电机伺服系统已经成为伺服系统领域中的主要研究和发展方向。多电机伺服系统控制以其独特的结构能够极大的提高系统的精度 [1-3]，例如美国的深空雷达，远望号上的大口径火炮以及需要高精度的驱动系统的数控机床等[4]。使用多电机伺服驱动控制可以有效的避免惯性带来的干扰并且其相较于单电机伺服驱动系统来说更加的稳定[5]。它能够有效的提高控制的精度和系统的运行速度达到快速同步的标准。其运行的过程中能够缓解齿隙和摩擦非线性对于多电机伺服系统的影响。
多电机伺服系统的研究问题
在伺服系统中，存在着很多的问题如齿轮的齿间隙和齿轮转动时的齿轮死区的问题以及摩擦非线性的问题。因为这些干扰因素都是非线性，传统的模型和位置跟踪方式无法达到预期的目标。在电机伺服系统中摩擦非线性因素对整个系统的稳定性和位置追踪有着巨大的影响[6-7]，如果不对摩擦非线性因素做出正确的补偿，可能导致系统出现运行误差系统甚至导致整个多电机伺服控制系统的振荡，所以摩擦非线性的问题是所有伺服控制系统的研究者绕不过去的障碍。
结合上述情况，本课题主要研究的是如何建立双电机伺服驱动系统在摩擦非线性因素影响下的自适应控制器。该研究是采用机理建模的方式构建单电机伺服驱动的模型并在单电机驱动模型的基础上拓展出双电机伺服驱动系统的动力模 型并考虑摩擦非线性因素，设计双电机伺服驱动系统基于特征模型的输出反馈自适应控制器并验证其可行性。研究自适应技术和对多电机伺服驱动系统具有重要的理论意义与应用价值。
多电机伺服系统的研究现状
国外研究现状
在齿隙消除方面，文献[8]讲述了通过双电机联动的方式给两个电机各自添加一个等大且方向性相反的力矩，从而就整个双电机伺服系统而言两个力矩相互之间抵消保证了整个系统处于合力矩为0的状态下，这样可以保证两个电机中至少有一个电机是与负载齿轮完全重合的，以这样的方式完成相对于整个双电机系统而言的无齿隙运行。文献[9-10]采用和上文所描述的相近似的方法，论述了四电机系统中消除间隙的方案。文献[11]在前人的基础上对于偏置力矩进行详细的分析，首先其对偏置力矩消隙原理进行了详细的描述，然后通过对于偏执力矩消隙原理理解设计出能够在不同的工作环境下使用的如定向驱动法、固定偏置力矩法、动态偏置力矩法、能量优化动态偏置力矩法等消除齿隙非线性的方法。文献[12]侧重分析了偏置电压在消除齿间隙过程中的影响，其通过建立仿真模型对整个系统进行模拟实验并且得到了仿真结果，验证前人所提出的偏置电压能够消除齿隙非线性的假设。文献[13-15]设计出了双电机驱动的水泥窖结构模型，对实际的工业设计以及应用领域中所出现的齿隙非线性的现象进行分析并对模型进行仿真验证从而证明了双电机驱动可以很好的减少齿轮间隙。
图1 美国深空探测雷达 图2 卫星通讯雷达
在系统中由于摩擦非线性环节处理起来很困难，而且不是一成不变的控制器无法通过固定值补偿的方式对摩擦非线性进行补偿。文献[16-17]提出一种摩擦补偿的算法对LuGre模型进行摩擦补偿算法，并在文中提出了一种两步辨识法能够快速的辨识出LuGre模型的参数。文献[18]在蚁群算法的基础上发展出了一种能够辨识LuGre 模型的静态参数和动态参数的方法，还将这种方法应用于飞行伺服系统中，验证了这一方法的真实性和有效性。文献[19]通过参考文献[20]的研究方法，提出利用微位移来估算摩擦动态参数并且得到了错的效果。
国内研究现状
传统的多电机建模方法是通过分析非线性环节的动力学模型和物理定理，列举出多电机伺服系统中的各个运行环节所表示的方程式，通过消除中间变量达到简化的目的，所得到的简化后的方程就是多电机伺服系统的数学模型，现在大多数的高校和研究所建立多电机伺服系统模型的方式就是这一种
陈庆伟教授等使用机理分析的方法[21]通过对于多电机伺服系统运行的的动力学原理，设计了双电机无齿隙的理想模型。并且根据这一模型构建了含齿隙的双电机动力学模型最后拓展出多电机动力学的一般化模型。杨文清[22]设计了一个双电机模型在这个模型中电流环有着消隙的作用，然后在模型中通过加速度反馈的方式达到抑制低速爬行的目的。祁麟[23]在系统辨识方法的基础上建立线性的系统模型，再通过机理分析的方法来获得齿隙非线性的模型，将两个模型整合就得到了完整的系统模型。忽麦玲[24]等人以现代化火炮伺服系统为原型，对火炮系统中的齿隙非线性进行合理的剖析建立双电机炮塔的动态数学模型和结构框图，最后通过仿真结果与实际结果对比，验证模型的正确性。文献[25]对多电机的特征建
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