對非線性摩擦系統(tǒng)前饋控制的教學探討

黃常練

筆者在機電教學部教學過程中，對非線性摩擦系統(tǒng)的前饋控制進行了深入思考，借鑒幾本經(jīng)典教材及機械學科組的教學經(jīng)驗，從而舉出了本文中的例子，意圖在于理論聯(lián)系實際，讓學生能主動利用所學知識來思考如何分析解決動力學系統(tǒng)建模中的問題。

一、系統(tǒng)建模

我們以一個例子說明使用前饋補償來解決因反饋控制器引發(fā)的時間滯延和靈活性等問題的可能性，同時可以知道，前饋控制的另一個很好的應用是補償非線性摩擦。

考慮如圖1中所示的動力系統(tǒng)，一個外加作用力Fapplied移動一個具有庫倫摩擦力Ffriction的塊狀物體MA，而與塊狀物體MA并聯(lián)的是一個柔性附件MB系統(tǒng)，可以看作是質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)。

我們將考慮一個理想的摩擦動力學模型，那么可以知道，前饋補償器是可以用來改進軌跡跟蹤的，就上面圖1的系統(tǒng)模型，可以得到一個控制系統(tǒng)的框架圖，如圖2所示，可以看到前饋補償器包含了被控對象的逆動態(tài)。

二、無前饋補償時的控制系統(tǒng)分析

首先，分析在沒有前饋補償時控制系統(tǒng)的表現(xiàn)，為了分析我們先建立一個基準系統(tǒng)，設置MA為1，MB為0.5，彈簧常量為15，阻尼系數(shù)為0.3，摩擦系數(shù)為0.3。

圖3描述了在不同的反饋控制增益時MA的響應，數(shù)據(jù)曲線可由式（1）得出。

當增益為1時，控制效果太弱抵消不了摩擦力，所以系統(tǒng)并不會移動。當增大增益時可以打破系統(tǒng)的靜止狀態(tài)，但是圖3顯示，軌跡跟蹤還是非常弱。

圖4描述了在同樣范圍的反饋增益下MB的響應，這部分系統(tǒng)的響應加入了柔性動力學系統(tǒng)，相應的控制效果如圖5所示。

三、引入前饋補償時的控制系統(tǒng)分析

當引入前饋補償時，MA與MB的響應曲線改進了很多，如圖6所示，而控制效果也將變得如圖7所示。

控制效果曲線表現(xiàn)出不連續(xù)的突變，并不能完全模擬真實的制動器，所以通過仿真得到的軌跡跟蹤也表現(xiàn)得并不完美。

圖8描述了當考慮到分析建模的誤差時軌跡跟蹤的曲線。引入的前饋控制不單依靠于系統(tǒng)建模，而且還依靠于期望的軌跡。同樣，圖9描述了在考慮相同的分析建模誤差時導致的期望軌跡嚴重延時，從圖8中的8秒變?yōu)閳D9中的10秒。

四、總結(jié)

在非線性摩擦系統(tǒng)的前饋控制的教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學生僅僅依據(jù)課本內(nèi)容及參考資料，并不能很好地理解如何把原理公式應用在建模分析中。筆者根據(jù)學生的實際情況，對非線性摩擦系統(tǒng)的前饋控制課程內(nèi)容進行了適當?shù)臍w納與引導，然后在課堂中進行講授，發(fā)現(xiàn)學生都能很好地理解，并可以根據(jù)講解思路，舉一反三思考如何分析其他非線性摩擦系統(tǒng)的控制過程，起到了很好的“授人以漁”的作用。

責任編輯 陳春陽