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)代科學技術的飛速發(fā)展，機電伺服系統(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特性的傳動方式在其中得到了越來越廣泛的應用。對于上述這些傳動方式的動力學特性和伺服控制方法進行研究有助于機電系統(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、結構緊湊、嚙合空回小、傳動精度高等許多優(yōu)點，廣泛應用于航空、航天、機器人、武器系統(tǒng)等領域中的伺服系統(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行進一步的研究。
　　本文針對精密諧波齒輪傳動系統(tǒng)非線性動力學特性的建模問題和伺服補償問題開展研究，根據(jù)對精密諧波齒輪傳動系統(tǒng)的工作原理、動力學特性建模、模型參數(shù)辨識方法、非線性特性補償控制、模型仿真方法、系統(tǒng)性能預測等方面的研究，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計了相應的補償

3、控制策略，總結得出了基于模型的諧波齒輪傳動系統(tǒng)設計方法，對如何提高諧波齒輪傳動系統(tǒng)伺服性能有了進一步的認識，較好解決了諧波齒輪傳動的設計和伺服控制問題，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)中的應用提供技術支持。
　　論文的研究內容主要包含以下幾個部分：
　　1.針對諧波齒輪傳動系統(tǒng)伺服特性與其結構參數(shù)之間的關系問題，通過分析諧波齒輪工作原理、運動學和動力學特性，推導出了常用雙波諧波齒輪摩擦、剛度和遲滯

4、三種特性的經典模型參數(shù)與其自身主要結構參數(shù)的解析關系。針對三種非線性特性的經典模型，采用描述函數(shù)方法對其進行線性化，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.為了準確建立諧波齒輪傳動系統(tǒng)的動力學模型，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兩種方法進行建模，并對模型中參數(shù)進

5、行辨識，提出了一種可在線應用的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構參數(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兩種方法進行建模，并對模型中參數(shù)進行了辨識，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)結構-控制特性相互作用機理，進行系統(tǒng)動力學特性分析、控制方法研究和伺服性能預測。
　　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償和遲滯逆模型補償控制方法；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、適應補償控制方法。利用建立的諧波齒輪傳動系統(tǒng)仿真模型對上述方法進行仿真分析，系統(tǒng)伺服控制精度和響應速度相比經典PID控制方法均有明顯提高，驗證了上述補償控制方法的有效性，并分析得到了各補償控制方法的選用原則。
　　4.針對諧波齒輪傳動系統(tǒng)的設計問題，應用上述建模和補償控制研究成果，提出了基于模型的諧波齒輪傳動系統(tǒng)設計方法?；诒疚慕⒌南到y(tǒng)仿真模型和設計的補償控制方法，根據(jù)某型精密指向穩(wěn)定平臺俯仰伺服驅動機構應用實例，提出了基于模

8、型的系統(tǒng)設計流程。依照該設計流程，得到了俯仰伺服驅動機構的具體設計方案，并對方案伺服性能進行了仿真預測。根據(jù)設計方案制造了原理樣機，并對其進行了性能測試，測試結果滿足設計指標要求。該方法提高了系統(tǒng)的設計效率、降低了設計成本。
　　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。設計了系統(tǒng)系