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基于改进型ADRC的双轴伺服系统摩擦补偿研究
摘要：
本文提出了一种基于改进型自抗扰控制（ADRC）的双轴伺服系统的摩擦补偿方法。首先，分析了双轴伺服系统的结构和摩擦对系统性能的影响。其次，介绍了改进型ADRC的原理和结构，以及在摩擦补偿方面的应用。最后，通过仿真实验验证了该方法的有效性和优越性。
关键词：双轴伺服系统；摩擦补偿；改进型自抗扰控制；仿真实验
一、引言
在伺服系统中，摩擦力是影响系统性能的重要因素之一，其会导致系统的动态响应速度下降、位置误差增大、稳态误差增大等问题。因此，如何准确地补偿摩擦影响，提高伺服系统性能，一直是伺服系统研究的热点问题之一。
目前，常用的摩擦补偿方法有模型补偿法、自适应控制法、预测控制法等。然而，这些方法在补偿摩擦时，往往存在模型不准确、干扰信号不稳定、收敛速度慢等问题。因此，需要一种具有强鲁棒性、适应性强的控制方法，能够准确、快速地补偿摩擦影响，提高系统性能。
本文提出了一种基于改进型自抗扰控制（ADRC）的双轴伺服系统的摩擦补偿方法。首先，分析了双轴伺服系统的结构和摩擦对系统性能的影响。其次，介绍了改进型ADRC的原理和结构，以及在摩擦补偿方面的应用。最后，通过仿真实验验证了该方法的有效性和优越性。
二、双轴伺服系统结构和摩擦影响分析
双轴伺服系统是指由两个直流电机组成的伺服系统，一般用于控制机械手臂等多自由度运动系统。每个轴都包括电动机、编码器、放大器、控制器等部件。双轴伺服系统的结构如图1所示。
（插图1）
图1双轴伺服系统结构图
在双轴伺服系统中，摩擦力是系统性能的重要因素之一。摩擦力包括静摩擦力和滑动摩擦力。静摩擦力不受速度影响，滑动摩擦力随速度增大而增大。摩擦力会导致系统的动态响应速度下降、位置误差增大、稳态误差增大等问题。
三、改进型ADRC在摩擦补偿中的应用
改进型ADRC是一种非线性控制方法，具有强鲁棒性、适应性强等优点。其主要思想是将系统内部的各种干扰、不确定性等统一视为干扰信号，利用滑模控制的思想，构造一个扰动观测器对系统进行扰动观测，从而实现精确的扰动补偿控制。
在双轴伺服系统的摩擦补偿中，改进型ADRC可以通过构造一个摩擦力扰动观测器对摩擦力进行观测，并通过扰动补偿控制器对摩擦力进行补偿控制。改进型ADRC的控制框图如图2所示。
（插图2）
图2改进型ADRC的控制框图
其中，u是控制输入，y是系统输出，w是外部扰动信号，d是内部扰动信号，x是状态变量，f(d)是摩擦力扰动观测器，e是控制误差，S是滑模控制器，F是补偿控制器。
四、仿真实验与分析
为验证改进型ADRC在双轴伺服系统的摩擦补偿中的有效性和优越性，本文进行了仿真实验。实验采用MATLAB/Simulink平台进行，系统参数如下表所示。
（表1）
表1双轴伺服系统参数
实验中，对双轴伺服系统分别进行了传统PID控制和改进型ADRC控制，同时考虑了摩擦力对系统性能的影响。实验结果如图3所示。
（插图3）
图3控制效果对比图
从图3中可以看出，采用改进型ADRC控制的双轴伺服系统比采用传统PID控制的效果更好，系统响应速度更快、稳态误差更小、抗干扰性更强。这说明，改进型ADRC控制方法能够有效地补偿系统中的摩擦影响，提高系统性能。
五、结论
本文提出了一种基于改进型自抗扰控制的双轴伺服系统摩擦补偿方法。该方法通过构造一个摩擦力扰动观测器对摩擦力进行观测，并通过扰动补偿控制器对摩擦力进行补偿控制，能够有效地提高双轴伺服系统的性能。仿真实验结果表明，该方法具有较好的控制性能和鲁棒性。因此，该方法在双轴伺服系统的实际应用中具有较高的参考价值。