分数阶PID与谐波补偿提升滚珠丝杠驱动系统精度

本文主要探讨了滚珠丝杠副驱动系统中采用分数阶PID控制技术以及谐波力矩干扰的补偿策略。滚珠丝杠作为精密机械中的关键组件，在许多高精度应用如数控机床、精密仪器等中发挥着重要作用。传统PID控制因其易于理解和实施而广泛使用，但在处理非线性系统和高频噪声方面可能存在局限性。 石勇和汤文成两位研究人员针对这个问题，提出了利用分数阶PID控制器来改进系统的性能。分数阶PID控制器是一种创新的控制策略，它在控制理论中引入了分数阶时间常数，能够更好地适应非线性和快速变化的系统动态。他们采用主导极点法，这是一种基于系统稳定性分析的方法，通过调整控制器的参数以优化其响应特性，确保系统具有更快的响应速度和更好的抗干扰能力。 此外，他们利用差分进化算法进行参数优化，这是一种全局优化方法，能够有效地寻找最佳控制器参数组合，从而提升滚珠丝杠驱动系统的轨迹跟踪精度。在实际应用中，滚珠丝杠系统会受到谐波力矩干扰，这些干扰可能导致运动不稳和精度下降。因此，作者对干扰信号进行了频谱分析，以此为基础建立了干扰模型，并采取前馈补偿策略来抵消这些影响。 通过仿真和实验验证，文章展示了分数阶PID控制相对于传统PID控制在减少轨迹跟踪误差方面的显著优势。具体来说，分数阶PID控制的最大跟踪误差从54.01微米降低到了31.22微米，这表明该控制策略在抑制高频噪声和提高系统稳定性方面有明显效果。而在谐波力矩干扰的补偿下，匀速段的最大跟踪误差进一步降至8.45微米，这证实了前馈补偿方法的有效性，能够显著削弱谐波干扰对系统性能的影响。 本研究为滚珠丝杠驱动系统设计了一种更为高效和精确的控制策略，通过分数阶PID控制器和谐波力矩干扰补偿，显著提高了系统的定位精度和动态性能，对于精密机械制造领域的高精度控制具有重要意义。这项工作不仅推动了控制器设计的前沿研究，也为实际工业应用提供了有价值的参考。