Zur Modellierung und Kompensation dynamischer Reibung in Aktuatorsystemen

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Kompensation dynamischer Reibung in Aktuatorsystemen. Kinetische Reibung in Mechanismen ist eine der signifikantesten Nichtlinearitäten im System, welche einerseits als natürlicher Dämpfungsfaktor fungiert anderseits die maßgeblichen Regelungsfehler sowie Grenzzyklen und Stick-Slip-Effekte verursachen kann. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Modelle dynamischer Reibung aus dem neusten Stand der Technik analysiert und im Kontext einer regelungstechnischen Kompensation der Reibung einander gegenüber gestellt. Ein weiteres, neu entwickeltes Modell dynamischer Reibung wird eingeführt und mit den bereits existierenden Ansätzen verglichen. Ferner liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf der modellgestützten Kompensation dynamischer Reibung. In Ergänzung zu einer eher klassischen Feed-Forward Kompensation werden zwei neuartige, beobachtergestützte Ansätze vorgestellt und auf ihre Tauglichkeit sowohl theoretisch als auch experimentell geprüft. Drei verschiedene Aktuatorsysteme werden zur Evaluierung des vorgestellten Reibungsmodells angewendet, wobei eines von diesen auch der Integration und Evaluierung der entwickelten Kompensationsstrategien dient.

This thesis is concerned with the modeling and compensation of dynamic friction in actuator systems. Kinetic friction is one of the most significant nonlinearities acting in mechanisms. On the one hand, it serves as a natural damping in the system. On the other hand, the friction can lead to significant control errors and can provoke the limit cycles and stick-slip effects. In this work, the state-of-the-art models of dynamic friction are analyzed and considered facing one another in the context of control-oriented friction compensation. A novel developed dynamic friction model is introduced and compared with other well-established modeling approaches. The second focus of this work is on the model-oriented compensation of dynamic friction. Two novel observer-based approaches are proposed in addition to a rather classical feed-forward compensation scheme. The suitability of the proposed control strategies is proved both theoretically and with experiments. Three different actuator systems are used to evaluate the presented friction model. One of them serves also for the integration and evaluation of the developed compensation methods.