【摘 要】
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滚珠丝杠传动系统将电动机的旋转运动转化为螺母带动工件台的平移运动,具有成本相对较低、刚性较高、摩擦力小、对外力和惯性变化的敏感性较低等优点,广泛应用于工业自动化和机器人领域的高精度传动系统。然而其在高速高加速度运动过程中,会激发传动系统的振动模态。系统振动会限制控制系统带宽的提高,导致系统不稳定并降低传动系统在动态运行过程中的运动精度,同时,系统的动力学特性（振动模态）会随着工件台位置和负载质量的
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滚珠丝杠传动系统将电动机的旋转运动转化为螺母带动工件台的平移运动,具有成本相对较低、刚性较高、摩擦力小、对外力和惯性变化的敏感性较低等优点,广泛应用于工业自动化和机器人领域的高精度传动系统。然而其在高速高加速度运动过程中,会激发传动系统的振动模态。系统振动会限制控制系统带宽的提高,导致系统不稳定并降低传动系统在动态运行过程中的运动精度,同时,系统的动力学特性（振动模态）会随着工件台位置和负载质量的改变而改变,传统的LTI建模将这种变动力学特性归属于模型的不确定性,使得系统模型的不确定较大,也会影响系统的运动精度。因此,论文以滚珠丝杠传动系统为对象,以降低模型不确定性、抑制振动模态、提高系统运动精度为目标,从滚珠丝杠传动系统的变动力学特性建模,振动抑制控制算法方面开展了深入研究。论文的主要研究内容与贡献如下:（1）基于理论建模,在传统的刚体、柔性体模态的基础上,进一步分析了滚珠丝杠传动系统的变动力学特性的原因,采用线性变参数（Linear Parameter Varying,LPV）动力学特性建模描述变动力学特性,并探索了线性变参数传递函数（Linear Parameter Varying-Transfer Function,LPV-TF）和线性变参数状态空间（Linear Parameter Varying-Transfer State Space,LPV-SS）的模型结构。（2）基于LPV-TF和LPV-SS模型结构,探索了相应的系统辨识算法（频域辨识与时域辨识）,并针对LPV-SS辨识模型,采用模态坐标转换方法使得刚体模态与柔性模态解耦,以便于后续控制器的设计。通过实验对比,从模型结构上分析了两者的优劣,决定采用时域辨识获得的LPV-SS模型作为控制算法设计的基础。（3）基于已建立的LPV-SS辨识模型,为了抑制系统的柔性模态,采用了全状态反馈控制;为了解决LPV系统状态变量无法在线测量,建立了基于参数调度的状态观测器在线估计系统的状态变量;为了消除系统稳态误差,探索了一种具有积分效应的模态误差状态空间模型;为了解决LPV系统极点变化问题以及实现闭环系统模态控制性能设计,探索了基于参数调度的极点配置控制算法。以滚珠丝杠传动系统作为实验对象,验证了本文针对变动力学运动系统所探索的建模与控制方法的正确性、有效性。
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