精密諧波齒輪傳動系統(tǒng)建模與控制方法研究.pdf

1、伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)電伺服系統(tǒng)呈現(xiàn)了小型化、輕量化、高精度和高動態(tài)特性的發(fā)展趨勢，諧波傳動、擺線傳動、柔索傳動、活齒傳動等具有較高傳動精度和良好動力學(xué)特性的傳動方式在其中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。對于上述這些傳動方式的動力學(xué)特性和伺服控制方法進(jìn)行研究有助于機(jī)電系統(tǒng)伺服性能的提升，具有一定理論和工程意義。諧波齒輪具有輸出力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、嚙合空回小、傳動精度高等許多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)器人、武器系統(tǒng)等領(lǐng)域中的伺服系統(tǒng)中

2、，取得了良好的效果。隨著系統(tǒng)伺服性能需求的提升，對諧波齒輪傳動精度提出了更高的要求，需要對如何提高其伺服性能這一問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
　　本文針對精密諧波齒輪傳動系統(tǒng)非線性動力學(xué)特性的建模問題和伺服補(bǔ)償問題開展研究，根據(jù)對精密諧波齒輪傳動系統(tǒng)的工作原理、動力學(xué)特性建模、模型參數(shù)辨識方法、非線性特性補(bǔ)償控制、模型仿真方法、系統(tǒng)性能預(yù)測等方面的研究，建立了含摩擦、剛度和遲滯非線性特性的系統(tǒng)仿真模型，針對各種非線性特性設(shè)計了相應(yīng)的補(bǔ)償

3、控制策略，總結(jié)得出了基于模型的諧波齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計方法，對如何提高諧波齒輪傳動系統(tǒng)伺服性能有了進(jìn)一步的認(rèn)識，較好解決了諧波齒輪傳動的設(shè)計和伺服控制問題，可為諧波齒輪傳動系統(tǒng)在高速、高精、輕量化和小型化精密伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。
　　論文的研究內(nèi)容主要包含以下幾個部分：
　　1.針對諧波齒輪傳動系統(tǒng)伺服特性與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系問題，通過分析諧波齒輪工作原理、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，推導(dǎo)出了常用雙波諧波齒輪摩擦、剛度和遲滯

4、三種特性的經(jīng)典模型參數(shù)與其自身主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的解析關(guān)系。針對三種非線性特性的經(jīng)典模型，采用描述函數(shù)方法對其進(jìn)行線性化，建立了含摩擦、剛度和遲滯的諧波齒輪傳動系統(tǒng)線性模型，得到了摩擦、剛度和遲滯對諧波齒輪傳動系統(tǒng)伺服性能的影響規(guī)律。
　　2.為了準(zhǔn)確建立諧波齒輪傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，針對諧波齒輪傳動系統(tǒng)摩擦、剛度和遲滯三種非線性特性進(jìn)行了建模。針對系統(tǒng)摩擦特性建模問題，采用Stribeck和LuGre兩種方法進(jìn)行建模，并對模型中參數(shù)進(jìn)

5、行辨識，提出了一種可在線應(yīng)用的Stribeck摩擦模型參數(shù)快速辨識方法。針對系統(tǒng)剛度特性建模問題，采用泰勒級數(shù)和有限元兩種方法進(jìn)行建模，并辨識了泰勒級數(shù)剛度模型的參數(shù)，得到了影響諧波齒輪低階諧振頻率的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和其影響規(guī)律。針對系統(tǒng)遲滯特性建模問題，采用Maxwell和Preisach兩種方法進(jìn)行建模，并對模型中參數(shù)進(jìn)行了辨識，研究了Preisach遲滯模型在線仿真離散遞歸算法，提高了模型仿真計算效率，總結(jié)得到了Maxwell和Pre

6、isach遲滯模型的選用原則。將以上三種非線性特性模型進(jìn)行集成，得到了諧波齒輪傳動系統(tǒng)的仿真模型，該模型可用于研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-控制特性相互作用機(jī)理，進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)特性分析、控制方法研究和伺服性能預(yù)測。
　　3.針對諧波齒輪傳動系統(tǒng)的伺服控制問題，研究了系統(tǒng)非線性特性的補(bǔ)償控制方法。針對系統(tǒng)摩擦和遲滯特性，采用基于模型的摩擦前饋補(bǔ)償和遲滯逆模型補(bǔ)償控制方法；針對系統(tǒng)的參數(shù)存在變化不確定量問題，采用不基于模型的Backstepping自

7、適應(yīng)補(bǔ)償控制方法。利用建立的諧波齒輪傳動系統(tǒng)仿真模型對上述方法進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)伺服控制精度和響應(yīng)速度相比經(jīng)典PID控制方法均有明顯提高，驗證了上述補(bǔ)償控制方法的有效性，并分析得到了各補(bǔ)償控制方法的選用原則。
　　4.針對諧波齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計問題，應(yīng)用上述建模和補(bǔ)償控制研究成果，提出了基于模型的諧波齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計方法?；诒疚慕⒌南到y(tǒng)仿真模型和設(shè)計的補(bǔ)償控制方法，根據(jù)某型精密指向穩(wěn)定平臺俯仰伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)應(yīng)用實例，提出了基于模

8、型的系統(tǒng)設(shè)計流程。依照該設(shè)計流程，得到了俯仰伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計方案，并對方案伺服性能進(jìn)行了仿真預(yù)測。根據(jù)設(shè)計方案制造了原理樣機(jī)，并對其進(jìn)行了性能測試，測試結(jié)果滿足設(shè)計指標(biāo)要求。該方法提高了系統(tǒng)的設(shè)計效率、降低了設(shè)計成本。
　　5.針對諧波齒輪傳動系統(tǒng)的非線性特性、低階諧振頻率、開環(huán)特性和閉環(huán)特性測量問題，研究了諧波齒輪傳動系統(tǒng)性能測試方法。設(shè)計了系統(tǒng)非線性特性測試實驗臺，實現(xiàn)了對摩擦、剛度和遲滯等非線性特性的測量。設(shè)計了系統(tǒng)系