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1、本科毕业论文（设计）题 目 直流力矩电机低速抖动分析与控制学生姓名 专业名称自动化 指导教师2015 年 4 月 21 日目录一、论文（设计）正文5二、附录1. 开题报告342. 结题报告353. 答辩报告36直流力矩电机低速抖动分析与控制摘要：直流力矩电动机因为具有低转速、大转矩、过载能力强、可靠性高以及 较好的起、制动及调速特性, 所以它至今仍是生产上的的主要执行机构, 但是 因为电机在低速运行时可能会因为工作环境的某些干扰或者因为直流电动机内 部某些构件的影响，电机内部会产生很小的摩擦力，造成直流力矩电机在转速 很低时产生抖动，使其运转速度发生变化，产生波动，从而使电机发生抖动而 使其不
2、能很平稳的运行, 使其在工作过程中精度降低从而使经济效益发生降 低。本文针对电机内部构件产生的非线性动态摩擦，提高电机在低速运转过程 中速度的精度，采用自适用摩擦补偿的方法，电机的摩擦模型采用目前比较完 善的LuGre动态摩擦模型，并运用参数自适应率和等效PD控制率来估计未知 LuGre 模型参数和负载力矩参数并给与补偿，进行摩擦力矩补偿仿真，给出仿 真结果，提高直流力矩电机运转速度的精度，证明本文方法可行。关键词： 摩擦补偿； LuGre 模型； 自适应补偿 ； 低速DC Torque Motor in Low Speed Jitter Analysis and ControlAbstrac
3、ts: De torque motor has low speed、High torque、Overload ability、High reliability , startability, braking and speed adjustment characteristics, So it is still on production of the main executive body, But the motor at low speed runtime may be influenced by environment because of current motor internal
4、 certain artifacts , small friction will be produced by motor internal , Dc torque motor is generated with the very low speed, Make the change its speed, To fluctuate, So that it cant run smoothly, That will Reduce its precision in the process of work ,so that the economic benefits will be reduced 。
5、Based on the motor internal components produced by nonlinear dynamic friction, Adaptive compensation method is used to improve the accuracy of motor speed in the process of low speed, comparative perfect LuGre model is adopted by Friction model of the motor at present, And the parameter adaptive rat
6、e and equivalent PD control are used to estimate the unknown LuGre model parameters and load torque will give compensation and have Friction torque compensation simulation, simulation results are given to improve the accuracy of the running speed of the dc torque motor。the method can be proved feasi
7、ble。Key words: Friction compensation ； LuGre model ； Low speed ；The adaptive compensation目录1.1 选题的意义51.2直流力矩电机低速抖动的原因与分析 51.3 设计思路62 方案的论证与选择 73 摩擦模型的研究概况 103.1 静态摩擦模型103.3 摩擦模型的选择163.4 摩擦力矩补偿的研究164 直流力矩电机低速抖动控制设计 184.1 考虑摩擦的直流力矩电机系统模型184.2 自适应非线性控制器的设计205 仿真研究 255.1 仿真语言的选择255.3 仿真结果.263132335.2 仿真
8、参数的选择26参考文献 致 谢 .1.1 选题的意义随着我们社会科技的飞速发展，电动机也得到了飞速的发展，电动机作 为一种执行机构，已经广泛的运用于生活、工业等各个行业领域。而其中的直 流力矩电机因为转速很低、转矩很大、过载能力非常强、响应速度快以及较好 的起、制动及调速特性等特点在机械制造业、纺织业、金属线材、电线电缆等 需要高精度的工业中都得到了广泛的应用。然而，在直流力矩电动机低速运转的过程中，会因为外部环境或电机内 部构件的问题，致使直流力矩电机在低速运转过程中运转速度产生抖动的现 象，从而导致电动机无法进行匀速运转。这种抖动的现象会使电机无法正常工 作而使工业生产中的精度不能提高，而
9、降低生产效率。因此有必要对直流力矩 电机在低速运行时产生的抖动进行分析。1.2 直流力矩电机低速抖动的原因与分析直流力矩电动机在低速运行的过程中，会出现运行速度不稳定的现象，这 种现象发生的原因有很多。一方面可能是直流力矩电机本身出现问题，属于机 械方面的问题，例如定子方面出现问题或者转子方面出现问题，都可能导致电 机低速运行时产生抖动。另一方面则可能是电机内部在运行的过程中产生摩擦 力矩，从而导致电机在低速运行时，运行速度出现波动，从而导致电机的抖 动。针对上述的两种可能性，本设计针对电机低速运行时产生摩擦力矩从而导 致电动机波动这方面问题进行控制研究。在直流力矩电机低速运转过程中，摩擦力矩
10、可能会随着机械磨损、惯量变 化、润滑等因素而产生波动，导致直流力矩电机低速运转过程中发生抖动，使 速度无法平稳，甚至摩擦力矩和负载力矩两者之间也会产生相应的干扰。并且当直流力矩电机在低速运行的过程中，摩擦力矩会对电机系统静态性能和动态 性能产生影响，对静态性能的影响影响表现为较大的静差或者为稳态极限环震 荡，对动态性能的影响表现为电机低速运行时出现爬行现象和速度穿越零点时 的波形畸变。因此有必要对电机在低速运转过程中的摩擦力矩进行抑制，提高 电机在低速运转过程中速度平稳的精度。在对直流力矩电机低速运行时产生摩擦力矩导致电机抖动进行抑制的研究 过程中，针对摩擦力矩对电机的影响，目前采用的主流方法
11、就是对摩擦力矩进 行补偿，尽可能的使摩擦力矩对电机的影响达到最小。1.3 设计思路首先本文比较了 PD 或 PID 控制方案、前馈控制方案与自适应控制方案三 种控制方案它们各自的优缺点，最终我们通过对这三种控制方案的论述与选择 采用了自适应控制进行摩擦补偿。然后，本文针对摩擦力的各种摩擦模型进行研究，针对各种动态摩擦模型 和静态摩擦模型做了比较，最后我们选择采用 LuGre 动态摩擦模型作为本次设 计的模型。第三本文针对电机在低速运行过程摩擦力矩的补偿进行设计，不仅对考虑 摩擦的直流力矩电机系统模型进行了研究，而且对自适应非线性控制器进行了 设计。本设计最后用 MATLAB 语言对带有摩擦的直
12、流力矩电机系统进行摩擦力矩补偿仿真。2 方案的论证与选择在第一章第二节的内容之中之中，我们讲到需要对电机在低速运行过程中 产生的摩擦力矩进行抑制，而抑制摩擦力矩的方法就是对摩擦力矩进行补偿， 用来消除摩擦擦力矩对电机的影响。然而针对摩擦力矩的补偿，选择一种良好 的方案则是很必要的。以下我们针对其中的三种控制方法进行论述与比较，然 后选择其中一种较好的控制方法。方案一 PD或PID控制PD 控制器是为了抑制非线性的摩擦对系统产生影响而最早使用的一个高增益的控制器。PD控制项中的微分项可以增大被控系统中的阻尼，PD控制器可 以使系统达到稳定运行，但是系统在低速运行过程中也会出现爬行现象和静 差，虽
13、然爬行现象可以通过加大阻尼系数或着增加系统的刚性来加以克服，但 是对于静差来说却是无论如何也无法避免的。对于实际中的运行系统，增益过 高出现系统运行的不稳定，从而是该方法的应用范畴受到一定的限制。根据 PD 控制器的发展，人们在其基础之上又提出了 PID控制器，人们在通过研究了非 线性PID控制器的控制策略，其控制策略为根据系统运行的状态，通过调节 PID控制器中的各项的系数，以便更好的对系统在运行过程中产生的摩擦进行 了抑制。PID控制相对于PD控制来说，由于积分作用环节，在理论上，可以消 除系统在运行的过程中产生的静态误差，但是由于系统在低速运行过程之中产 生的摩擦的非线性控制的特性，PI
14、D控制器之中的积分环节的记忆性会导致极 限环的出现，使PID控制器在跟踪系统控制当中，当速度出现转变方向的瞬 间，PID控制器中积分环节的记忆特性作用会导致系统积分环节所输出的力矩 与静摩擦的方向产生一致，从而导致了摩擦对系统的影响更加的大。方案二 前馈控制系统前馈控制一般运用在在实际的工作之前，属于未来导向，它属于开环控 制系统，可以直接利用扰动信号或输入信号直接进行控制。但是前馈控制对于 会产生较大滞后的被控制对象，它的控制作用并不能及时的对系统的输出做出 调节，导致控制不能及时发生，从而导致系统的输出量产生过大的波动，导致 控制品质会发生降低。而且前馈控制只能针对特定的干扰做出控制，也就
15、是一 种前馈控制只能控制与其对应的一种干扰，不经济。方案三 自适应控制系统自适应控制是以具有一定程度的不确定性的系统，而这里我们所研究的 “不确定性”其实指的是用来描述被控制的对象及其工作环境的数学模型是不 完全确定的。自适应控制和我们平时所说的常规的控制以及最优控制是一样的，它也 是一种基于数学模型的控制方法。他们之间的不同之处只是他们所依据的模型 和对于扰动的先验知识的不同，自适应控制相对于常规控制和最优控制来说， 它所依据的关于模型和扰动的先验知识比较小。自适应控制系统就是在常规的反馈控制系统为基础上又加入了一个自适 应闭环回路，这个回路的作用就是根据系统运行的情况，自动调节控制器，用 来适应被控对象特征的变化。而且自适应控制系统会持续的预计和辨别摩擦模 型，可以进一步的补偿所有的位置的参数。在系统工作过程当中，自适应控制 会不断地辨识系统模型和系统的性能，即自适应控制会不断的修正自己的特 性，从而用来不断的适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应控制会在系统 运行时的同时不间断的提取有关模型的信息，会使模型不断地逐步完善，具体 而言，就是自适应控制可以根据被控对象在运行过程之中所输入输出的数据， 不断地进行辨识模型的各个参数，这个过程我们称之为系数的在线辨识。所以 随着生产过程的不断进行，通过自适应控制的在线辨识，模
