高性能机械伺服系统运动控制技术综述

1、406电机与控制学报第12卷第12卷第5期2008年9月电机与控制学报ELECTRIC MACHINES AND CONTROL刘强（华侨大学机电及自动化学院，福建泉州362021）:高性能机械伺服系统广泛应用于民用及军事工业领域其性能的改善可以提高设备的生 产能力和产品质量。回顾了高性能运动控制技术的发展历程归纳出高性能运动控制器的基本设 计思想:总结了近年来在前馈跟踪控制、闭环控制以及摩擦补偿技术方面的主要研究成果;最后讨 论了该领域尚待解决的问题。:运动控制；摩擦；前馈；伺服系统：高性能:TP273: A: 1007 - 449X（2008 ）05- 0603- 07Survey m m

2、otion ccmtrol technologfes of h虽h perfomiancem echan ica 1 servo systonsL IU Q iang(College ofMechanical Electronic and Autoinatbn. Huaqiao University, Quanzhou 362011. China)Abstract:High pcrfomancc mechanical servo systems are widely used in civil and military industries, and for these systems, th

3、e perfbiniance inpiovement of the sero controller can increase productivity and product quality The development of high perfbnance motbn control theory is reviewed, and the basic design principles of servo conttollers are summarized; Contributbns finn digital feedfoMaid tracking control scheme, ebse

4、d bop controller design and frictbn canpensation method are suneyed Finally, sever al pioblans which require furtlier investigatbn of high pertbinance motion contiol are discussed Key words: motbn contiol; frictbn: fecdfoMaol: servo system; high p crib nuance研究领域其发展直接影响并带动其他一些工业应 用领域山：0导体加工领域.如显微镜XY

5、校正、© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 406电机与控制学报第12卷I；性能机械伺服系统运动控制理论是一个重要电机通常采用脉冲调宽（RD1）型驱动器，交流永2007 - 09 - 28福逹省自然料学基金项目（EO51OO23）;福重省高等学校新世纪优秀人才计划资助项目刘 强（1972 几男副教授主要研究方向为魯棒控制、自适应按制高性能伺服控制理论及应用随着现代科技的进步和工业的发展人类对于 机械伺服系统性能要求越来越高如静态定位精度 指标，对旋转类伺

6、服系统已经达到角秒数量级，对 于直线运动机械达到纳米数量级此外还有两个重 要的性能指标是跟踪频带和低速性能。文献中对高 性能伺服系统的提法并不统一 有“high pertbnn- ancc”和“high precision个词，虽然有些文献采用 “high precisbn”一词作修饰语.但其实际含义已经 不仅仅是静态性能要求。激光直写技术及晶片探測技术等；（光）存储介质加工领域.如磁头加工、光盘定位控制及精密磨削 切分技术等；（眦学仪器加工领域.如光学镜头金刚 石磨削机、光学磨床、码盘和光栅刻线机及钻石快速 切削机等；武器仿真领域如飞行仿真转台、加速 度实验台及负载模拟器等；其他如绘图机、坐

7、标 測量机及视觉光学校正系统等。高性能伺服系统驱动部件包括各类电机如直 流电机，无刷电机永磁同步电机直线电机等:直流 磁同步电机采用基干磁场定向控制技术的驱动器： 位置反馈元件一般具有很高的精度主要有光（栅） 码盘,光栅尺感应同步器等:速率測量元件主要采 用测速发电机由于其精度低且存在纹波，使用日益 减少;运动控制器硬件一般采用DSP、工业PC及各 类微处理器控制算法以软件形式实现。尽管伺服系统具有不同的配置但都可以采用 微分方程表示为（以旋转机械伺服系统为例）J9 +於二“7 叫。 （1丿 其中2为等效转动惯量.为等效阻尼系数为控 制器输出；石为等效非线性摩擦扰动力矩；几为除 摩擦扰动外其他

8、所有外部扰动之和.以及未建模动 态和建模误差。从近年来该领域的发展趋势来看采用鲁棒双环 结构的运动控制器已成为研究热点.并形成了 3个主 要研究领域，即前馈跟踪控制、闭环控制策略和摩擦 补偿技术。这种 模块化'酌发展趋势有利于将控制 问题分解到不同领域分别加以解决。基于鲁棒双环 结构的运动控制器如图1所示。闭环控制器由内环 控制器和外环控制器组成其作用是保证系统的稳定 性和对外干扰及参数变化的鲁棒性使闭环系统响应 和参考模型接近前馈环节用来实现跟踪性能。采用 复合控制结构的优点是可以将跟踪性能与系统稳定 性分开来考虑，对于直接驱动机械伺服系统摩擦环 节是最主要的力矩干扰源之一.摩擦补偿

9、环节用来提 高低速平稳性和小信号跟踪能力。1F|s 1 The cmi positihi of motkHi coil trollcr2若考虑伺服系统动态方程本质上的非线性同 时各种外部扰动量又无法直接测量要使系统达到 很高的性能指标并不容易。随着控制理论的发展. LQG/L1K控制控制.M综合等鲁棒控制方法先 后提出但这些方法在高性能伺服控制系统的应用 并不具有优势除非对象的动态特性很差。原因 是上述方法对不确定性的描述过于保守导致对象 的集合过大其中包含了一部分在应用中不可能发 生的对象。尽管鲁棒最优控制在数学上很完美，但 应用中更需要简单有效、易于执行的控制方法。近年来.鲁棒双环控制框架

10、成为高性能运动控制 器设计的主要发展趋势。其共同特点是控制器有两 个闭环构成内环控制的主要目的是抑制外部扰动. 増强鲁棒性。外环设计目的在于达到一定的性能要 求。通常内环控制器将产生一定的校正信号抑制外 部扰动，使校正后的内环特性尽可能与给定的名义模 型相同。经过内环校正后可以将名义模型视为实际 的控制对象.然后进行外环控制器设计。主要的鲁棒 内环控制方法有:干扰观测器方法（dob）|3 ,4,;自适 应鲁棒控制（ARC）""：基干模型的扰动抑制控制 （MBDA）au増强的内模控制（EMC严）；时延鲁 棒控制（TDC）,24-27|o鲁棒双环控制器的原理如图2 所示.图2（

11、a）中&和为测量噪声，C（$丿为外环控 制器图2（b）至（e）给出了几种内环控制的框图。B. K心】对上述方法的等效性进行了研究冋.给出了 鲁棒内环控制的统一框架。(e)ElMCFig 2 The dhgrain of robust two-rhg controllerDOB方法在高性能伺服系统中应用最为广泛. 原因在于其结构简单、鲁棒性好。通过采用名义模 型的逆模型和i殳计低通滤波器Q.扰动观测器能够 对外部扰动进行实时估计然后在控制中引入补偿. 进而对消外部扰动的影响。干扰观测器方法对外部 扰动和参数变化均具有较强的鲁棒性。在DOB基 础上，S丄Kwon等人提出了多摄动观测器方法&

12、quot;I © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 606电机与控制学报第12卷在内环中采用多个扰动估计回路，进一步増强模型 跟踪能力。ARC方法的提出.是利用自适应控制和滑模控 制的优点，进一步提高DOB方法的性能。和DOB 方法相比，ARC控制能够更好的适应对象参数的大 范围变化同时具有满意的暂态性能其缺点是存在 静态误差。1DC控制在原理上适用于非线性系统,若系统 的状态变量已知该方法利用时间延迟对系统中的 不确定性给出了一种简单的估计方法。应用1

13、DC 方法的一个前提假设是:相对于系统采样周期系统 中的未知动态和外部扰动应是慢时变的。由于通常 需要对估计扰动进行低通滤波处理.这使得该方法 与DOB方法有一定的等效性（纫。EMC方法对内模控制器进行了改进，在名义 模型和对象的并行结构上増加一条新的通道.产生 额外的控制信号,以补偿建模误差和外部扰动。在鲁棒双环结构框架之外，其他非线性控制及 智能控制方法也被应用于高性能机械伺服系统，如: 重复控制a321,自适应控制叫糾滑模控制, 模糊控制I如,神经网络控制“。3数字前馈跟踪控制方面需要解决的问题包括： 对于给定的固定参数闭环名义对象如何设计具有 韬精确性”的前馈控制器：当闭环参数变化时，

14、如 何増强前馈跟踪控制器的鲁棒性能。尽管近年来出 现了智能学习型前馈控制器的研究方向但由于算 法复杂实时性差难以实际应用。为此采用迭代 滤波器形式的数字前馈控制器仍然是研究的热点。设计数字前馈控制器的基本原理有：i）零相差 跟踪控制（ZPE1C）原理；ii）多采样率完全跟踪控制 （MPT）原理。产生两种不同原理的根源在于闭环 伺服系统具有一个有趣的特性小:当对闭环对象进 行离散化时由干存在相对阶,随着采样频率的逐渐 提高离散闭环对象会由最小相位系统变成非最小 相位系统，即出现不稳定零点（单位圆上或单位圆 外）,和小阻尼零点（接近单位圆圆周）。对于离散非最小相位对象，采用复合控制思想 设计前馈控

15、制器是不可行的会导致前馈环节不稳 定 或者存在剧烈的振荡过程。为此，M. Tom iziika 提出了零相差跟踪控制（ZPE1C）原理W .对无法稳 定对消的不稳定零点或小阻尼零点在前馈环节中 引入相应的零点进行 飯似对消”从而得到闭环对 象的一个近似逆模型。若输入信号的超前值存在， 采用ZPEW校正后的伺服系统在低频段的増益近 似为1 在全频域内相差为0o自ZPE1C提出以来. 很多学者对ZPETC的改进和完善进行了研究.主要 集中在两个方面：提高ZPE1T精确性和ZPETC鲁 棒性。如何提高ZPETC的精确性？有两种思路。 第一种思路是寻找新的构造机理如：B. Haack等人在基本ZPET

16、C控制器中加入额外的零 点.来减小系统对中高频或不连续信号的跟踪误差； D. Ibifs等人通过在基本ZPE1E控制器中并联附加 的前馈项来改善前馈环节的増益特性从而减小跟 踪误差。C H Mcnq等人将前馈环节与预测滤波 器相结合预测滤波器用于补偿不稳定零点引起的 増益误差.通过提髙其阶数可以提高系统的跟踪精 度。第二种思路是ZEPTC的最优化设计,47'491.即 将基本ZPE1T与前置滤波环节串联.然后对滤波器 参数进行优化以改善前馈控制器性能如：Y. Fir nahashi等人提出在一定频率范围内增益特性为厶 意义下最优的设计方法；T C Tsao等人将跟踪问 题转化为模型匹配

17、问题给出了当输入信号的高阶 导数有界情况下跟踪误差为4意义下最优的 ZPETC控制器设计方法：L Guo等人提出一种基于 偏移算子和6算子的混合前馈控制器.并将其转化 为H00问题.用凸优化方法求解。对比上述两种思 路的研究后者的效果更好，但缺点是运算量大，且 控制器阶数较高。伺服系统参数变化（如更换负载）将使闭环对 象偏离名义模型若前馈环节参数固定必然导致跟 踪性能下降尤其对于较高频率的输入佰号。如何 提高ZPE7C的鲁棒性？研究思路是采用自适应技 术"。如：T C Tsao等采用自校正方法.对闭环 部分参数进行辨识后调整ZPETC系数从而提高系 统的鲁棒性；S S Yeh等人采用

18、间接自适应设计方 法完成前馈环节的在线自动设计。将自适应方法 引入ZPETC控制，是一个自然的思想，其难点在于 对非最小相位系统中不稳定零点的处理。近年来多采样率控制理论取得了较大的进 展皿为数字前馈跟踪控制的研究提供了新途 径。H. Fujinoto154-551对高性能伺服系统提出了多速 率完全跟踪控制方法（MPT）.前馈控制器具有慢采 样率，闭环控制具有快采样率,系统在慢采样时刻能 实现完全跟踪。由于在采样点具有理想跟踪性能. 该方法成为目前的研究热点15657,0同时在慢采样 率下离散闭环对象具有最小相位特性MPT控制 方法易于实现参数的自适应调整，以适应闭环参数 的变化。多采样率前馈

19、控制的缺点是在采样点间隔系统动态响应品质差因为前馈环节采样周期长.在 采样点间隔若闭环控制器输出符号发生改变会导 致系统的响应品质变差出现纹波及振荡现象。H Fujinot）等提出了改善采样点间隔响应fii质的方 法但由于需要提供输入信号的各阶微分信号应用 上有较大局限性。摩撩是一种复杂的、非线性的、具有不确定性的 自然现象摩擦学的研究结果表明人类目前还无法 在数学上对摩擦过程给出准确描述。近年随着人们 对机械伺服系统性能要求的不断提高摩擦补偿的 重要性更加突出有关摩擦建模及补偿方面的研究 非常活跃。摩撩环节对伺服系统的不良影响主要体现 在讥隐态时存在静差或极限环振荡；I氐速爬 行现象；Q速度

20、过零时发生跟踪畸变产生位置波形 呼顶'现象。事实上各种闭环控制方法对摩擦扰 动均具有一定的抑制作用。但从作用机理上看是 '间接补偿”即摩擦扰动力矩先引起跟踪误差，跟 踪误差再使闭环控制器发生作用。尽管这种补偿具 有与摩撩模型无关的优点但其实际效果往往受闭 环带宽及机械谐振等诸多因素的影响。由于前面已经对伺服系统的闭环控制器进行综 述本部分重点讨论基于摩擦模型的补偿方法该类 方法采用顺馈补偿原理，是对摩擦扰动的'宜接补 偿”。理论上可以彻底消除摩擦环节的不良影响。采用基于摩撩模型的补偿方法首先要对摩擦 环节建立数学模型。到目前为止已提出的摩擦模 型有30余种.具有代表性的

21、是：库仑+粘性摩撩模 型1591 :指数模型；7参数集成模型呦；Kiimopp模 型）；复位积分器模型1621 ； Dahl模型,63,;LuGie模 型心“。其中前3种模型属于静态模型，是对Stri- bcck曲线的近似：LuGiv模型是动态摩撩模型不仅 符合静态的Stribeck曲线.而且可以描述静摩擦可 变性和摩撩滞后特性。果受到限制:于静摩擦+库仑摩擦模型的补偿基于模型的摩撩补偿方法可进一步划分为固定 模型补偿和自适应补偿。对于前者摩撩模型的参 数是通过离线辩识来获得的在控制过程中保持不 变:对于后者.参数通过线（性）迭代估计来确定在 控制过程中是可变的。常见的补偿方法有：基于 库仑摩

22、擦模型的补偿方法I67' 70,o该方法的优点在 于模型简单.易于实现.但由于摩撩模型是静态模 型无法描述零速时摩擦的非线性特性使其控制效 方法"I。由干在摩擦模型中加入静摩擦项可以预 測速度过零时出现的多值非线性能更好地改善系 统在零速附近的动态响应缺点是对速度倍号的品 质要求很高；基于指数摩撩模型的补偿方 法切。指数模型考虑了 Stribeck曲线前段的负斜 率特性对低速摩擦的描述更为精确基于指数模型 的补偿对提高系统的超低速性能和抑制稳态极限环 振荡心效果明显。但由于其参数空间的非线性参 数在线辩识较为困难；基于Kamopp摩撩模型的 补偿方法,7<75,o其突出

23、优点在于对速度信号的测 量精度要求不高，能较好地改善系统在零速时的动 态响应易于工程实践；G基于LuGre摩撩模型的补 偿方法l76'79lo是目前摩擦补偿控制研究的热点，其 优点在于对摩擦环节的动态特性的补偿效果好难 点是参数辯识很困难。除了基于模型的摩擦补偿外.还有一些特殊方 法.如：抖动信号及脉冲控制技术，8°-蹈抖动信号 具有较高频率叠加在输入倍号上能在一定程度上 平滑摩擦在低速时的不连续性在液压伺服系统应 用较多。脉冲信号是具有大幅值、短周期的信号可 以克服静摩擦的束缚产生微小的位移：物矩反馈 方法J通过对输出净力矩进行测量形成有足够 的带宽的反馈回路能很好地抑制摩

24、擦和其他干扰 力矩的影响。力矩反馈不同与伺服回路中的电流闭 环.后者实质上是对电机输出力矩（非净力矩）构成 回路。力反馈控制具有不依赖于模型、控制效果好 的优点.但由于需额外安装力矩传感器增加系统的 柔性和成本。；模糊摩擦补偿技术（小呦。文献 84通过观察摩擦环节对系统输出的影响.采用模 糊规则调整控制器的部分参数。文献彷采用聚 类分析技术直接建立模糊摩撩模型在建模时没有 考虑摩擦过程的已知物理特性。文献逹6采用模 糊推理产生窄的力矩控制脉冲补偿摩撩进行精确 定位；W经网络摩擦补偿技术，87'89,o R S Rasr ko等人提出一种新的神经网络结构I具有额外 的'跳变

25、9;神经元以提高神经网络对分段函数的逼 近能力用于静摩撩补偿。Y. H. Kin等阿采用神 经网络来辯识系统中的摩撩和干扰力矩提出了基 于增强学习的摩擦补偿方法。H. L Du等即采用 RBF网络作为摩擦辩识器.采用补偿算法使将跟踪 误差限制在某一界限内。在闭环控制器设计方面存在的主要问题是： 各种鲁棒内环控制方法对测量噪声均较为敏感，因 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期高性能机械伺服系统运动控制技术综述706而限制了低分辨率位置传感器在高性

26、能运动控制系 统中的应用；何将DOB方法中参数不确定性和 外部扰动分离开来以提高Q滤波器的带宽并增 强系统对大范囿参数变化的鲁棒性；鲁棒内环控 制方法的直接数字域设计如Q滤波器的直接数字 域设计及优化。对于数字前馈跟踪控制亟待解决的问题是: 对非最小相位对象的数字前馈控制设计出发点被 局限在ZPE1V原理框架内.提出的各种设计方法在 其控制器中都包含了基本ZPE1C控制器.结果导致 控制效果不理想,或者控制器阶数过高；饭指令超 前值情况下数字前馈控制器的设计问题。在摩擦补偿方面存在的问题是目前基于模型 的摩擦补偿技术补偿效果过分依赖于摩擦模型、速 率信号精度和补偿时刻的准确性。1 1 KDNG

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