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系統識別號 U0026-3107201419150500
論文名稱(中文) 移動具乾摩擦力微小物件之系統鑑定與控制
論文名稱(英文) System Identification and Control for Moving Small Objects with Dry Friction
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 機械工程學系
系所名稱(英) Department of Mechanical Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生(中文) 陳哲葦
研究生(英文) Che-Wei Chen
學號 N16011794
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 166頁
口試委員 指導教授-張仁宗
口試委員-田思齊
口試委員-劉彥辰
中文關鍵字 庫倫摩擦  Karnopp模型  遲滯  摩擦參數  基因演算法  系統鑑定 
英文關鍵字 Karnopp model  inverse Preisach  friction coefficient  genetic algorithm  system identification 
學科別分類
中文摘要 本研究之目標為建立一微小物件之摩擦係數量測設備以鑑定動態摩擦力模型,並於一維推移定位控制系統進行模型測試。應用庫倫與Karnopp摩擦模型描述一維運動之微小物件的摩擦效應;使用類神經Inverse Preisach模型補償壓電致動器本身的遲滯效應以驅動量測平台;實驗量測係針對長方柱與圓柱等不同材質的微小物件相對於玻璃震動平台的摩擦係數,考慮不同表面粗糙度不同接觸模式對於摩擦參數的影響;由實驗與模型模擬位移響應,並利用基因演算法以估測出最佳化的摩擦參數。最後由量測建立之摩擦模型應用於一維動態控制系統,設計並實現閉迴路控制器以推移定位微小物件,並分析控制系統穩定性。
英文摘要 The objective of this thesis is to establish an equipment that can measure friction coefficients between moving small objects and experimental platform for identifying a dynamic friction model and examine the friction model in a one-dimensional pushing control and positioning system. Coulomb and Karnopp model are applied in modeling the friction of moving small objects in one-dimensional motion. The inverse Preisach compensation of piezoelectric actuator is implemented by utilizing neural network method for driving test platform. The experimental tests are analyzed for friction coefficients of rectangular and cylindrical small objects with different materials relative to glass vibration platform. In addition, the influence of surface roughness on friction coefficient is considered. With the actual and simulated response of displacement, a genetic evolutionary algorithm is employed for estimating friction parameters in system identification. Finally, the estimated friction model is applied to a one-dimensional dynamic control system. A closed-loop controller is designed and implemented to achieve pushing and positioning of small objects and the system stability is analyzed.
論文目次 中文摘要 I
Abstract II
致謝 VIII
目錄 IX
表目錄 XIII
圖目錄 XVV
符號表 XXIII

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 2
1-3 文獻回顧 2
1-3.1 大尺度摩擦係數量測儀器 2
1-3.2 中尺度摩擦係數量測儀器 5
1-3.3 小尺度摩擦係數量測儀器 8
1-4 研究目標 13
1-5 研究方法 13
1-6 本文架構 15

第二章 摩擦理論 16
2-1 前言 16
2-2 庫倫摩擦模型 16
2-3 近代摩擦模型 22
2-3.1 Karnopp摩擦模型 23
2-3.2 Dahl模型 24
2-3.3 LuGre模型 26
2-3.4 Leuven模型 29
2-4 本章總結 31

第三章 系統設計 32
3-1 前言 32
3-2 系統模型分析 32
3-3 公設設計 36
3-4 實驗系統架構 45
3-4.1 微物件與置物平台製造 46
3-4.2 壓電震動平台系統 52
3-4.3 雷射量測系統 53
3-4.4 實驗操作 57
3-5 本章總結 58

第四章 壓電致動器補償實測與訊號擷取 59
4-1 前言 59
4-2 Preisach模型原理 59
4-3 類神經網路法建立Inverse Preisach模型 64
4-3.1 補償實測 71
4-4 擷取訊號 73
4-4.1 系統頻寬量測 74
4-4.2 靜態訊號擷取雜訊量測 78
4-5 本章總結 85

第五章 摩擦參數之鑑別與估測 86
5-1 前言 86
5-2 模型與數據配湊 86
5-2.1 基因演算法理論 88
5-2.2 逐步匹配式-基因演算法應用實現 91
5-3 實驗結果 100
5-3.1 庫倫摩擦模型結合黏滯阻尼效應摩擦係數估測 102
5-3.2 Karnopp摩擦模型摩擦係數估測 106
5-3.3 不同接觸模式對於摩擦係數的影響 110
5-3.4 表面粗糙度對於摩擦係數的影響 114
5-3.5 誤差分析 118
5-4 本章總結 126

第六章 系統整合控制測試 127
6-1 前言 127
6-2 實驗設計 127
6-2.1 置物平台與推件設計 128
6-2.2 系統模型分析 130
6-3 閉迴路控制器設計 132
6-3.1 PD控制器設計 133
6-3.2 模糊控制器設計 138
6-4 系統分析 149
6-4.1 非線性摩擦效應之描述函數分析 149
6-4.2 頻域穩定性分析 153
6-5 本章總結 156

第七章 結論與未來展望 157
7-1 前言 157
7-2 結論 157
7-3 未來展望 158
參考文獻 159
附錄A 163
附錄B 164
附錄C 165
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