This paper describes the estimation of the solid friction in mechanical systems by using the extended Kalman filtering techniques. We proposed two stochastic model for the estimation. The one is the 'parametric model' which represents the friction characteristics by an exponential function with unknown parameters. The other is the 'blind model' which does not assume an explicit model but regard the effect of the friction as an unknown input to a known dynamic system. For both models, we give estimation algorithms to generate the filtered estimate and the smoothed estimate with a fixed lag. The filtered estimate can be generated on-line for compensating the solid friction in mechanical systems. Although on-line applications are impossible, the smoothed estimate is more accurate and can be used to grasp precise friction characteristics. Simulation and experimental results arc presented to show the effectiveness of the proposed techniques.
Transactions on Control, Automation and Systems Engineering
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제4권4호
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pp.311-318
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2002
Two adaptive nonlinear friction compensation schemes are proposed for second-order nonlinear mechanical systems with a partially known nonlinear dynamic friction model to achieve asymptotic position and velocity tracking. The first scheme has auxiliary filtered states so that a simple open-loop observer can be used. The second one has a dual-observer structure to estimate two different nonlinear aspects of the friction state. Conditions for the parameter estimates to converge to the true parameter values are presented. Simulation results are utilized to show control performance and to demonstrate the convergence of the parameter estimates to their true values.
Friction is an important factor for precise position tracking control of servo systems. Servo systems with highly nonlinear friction are sensitive to the variation of operating condition. To overcome this problem, we use the LuGre friction model which can consider dynamic characteristics of friction. The LuGre friction model is used as a feed-forward compensator to improve tracking performance of servo systems. The parameters of the LuGre friction model are identified through experiments. The experimental result shows that the tracking performance of servo systems with higherly nonlinear friction can be improved by using feed-forward friction compensation.
In the present paper the dynamics of the structure varying multibody systems caused by stick-slip motion with two-dimensional dry friction are analyzed. The methods to determine friction force both in stick and slip states are described. The direct method of considering the wagon bogie system as a structure varying system was used to consider two dimensional friction at the wheelset-side frame connection. The concept of friction direction angle used to determine the friction force components of two-dimensional dry friction both in the stick and slip motion states was used. A speed depended friction coefficient was used and described approximately by hyperbolic secant function. All switch conditions were derived and friction forces both for stick and slip states. Some simulation results are provided.
Transactions on Control, Automation and Systems Engineering
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제4권4호
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pp.296-304
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2002
A position tracking control schemes on the precise mechanical system in presence of nonlinear dynamic friction is proposed. A nonlinear dynamic friction is regarded as the bristle friction model to compensate effects of friction. The conventional sliding mode controller often has been used as a non-model-based friction controller, but it has a poor tracking performance in high-precision position tracking application since it completely cannot compensate the friction effect below a certain precision level. Thus to improve the precise position tracking performance, we propose the sliding mode control method combined with the friction-model-based observer having tunable structure of the transient response. Then this control scheme has a good transient response as well as the high precise tracking performance compared with the conventional sliding mode control without observer and the control system with similar type of observer. The experiments on the bali-screw drive table with the nonlinear dynamic friction show the feasibility of the proposed control scheme.
The friction force of patterned needle in elastomer have been investigated to verify the application for bio and plastic industry. The micro pattern on the needle surface were prepared by 266 nm, 20 ns laser and 800 nm, 220 fs laser, which were able to generate the different surface roughness. The friction force was measured by the load cell of 10 N capacity. As the results, the friction force of no patterned needle is almost constant during the needle penetrates the silicone rubber sample. However, the needle having asperities shows the variation of the friction force. The higher the surface roughness is, the smaller the friction force is until the surface roughness is very high. In our experiment conditions, the reduction of the friction force by 20 % compared to no pattern needle was achieved with straight and $50{\mu}m$ discrete line generated by 266 nm, 20 ns laser.
This research paper proposes a novel methodology for predicting the optimal location of friction supports to effectively mitigate vibrational energy in piping systems. The incorporation of friction forces in the dynamic characteristics of the system introduces inherent nonlinearity, making its analysis challenging. Typically, numerical solutions in the time domain are employed to circumvent the complexities associated with finding analytic solutions for nonlinear systems. However, time domain analysis (TDA) can be computationally intensive and demand significant computational resources due to the intricate calculations stemming from nonlinearity. To address this computational burden, this study presents an efficient approach based on linear analysis to predict the ideal position for installing friction supports as a replacement for fixed supports. Furthermore, we investigate the relationship between the installation positions of friction supports and their effectiveness in absorbing vibrations using the harmonic balanced method (HBM). Both methodologies are validated by comparing the obtained results with those obtained through time domain analysis (TDA) using the finite element method (FEM).
This paper proposes a method for measuring friction forces and creating a friction model for a rotary motion control system as well as an autonomous vehicle testbed. The friction forces versus the velocity were measured, and the viscous friction, Coulomb friction, and stiction were identified. With a nominal PID (proportional-integral-derivative) controller, we observed the adverse effects due to friction, such as excessive steady-state errors, oscillations, and limit-cycles. By adding an adequate friction model as part of the augmented nonlinear dynamics of a plant, we were able to conduct a simulation study of a motion control system that well matched experimental results. We have observed that the implementation of a model-based friction compensator improves the overall performance of both motion control systems, i.e., the rotary motion control system and the Altino testbed for autonomous vehicle development. By utilizing a better simulation tool with an embedded friction model, we expect that the overall development time and cost can be reduced.
Coulomb friction is an important factor for precise position tracking control systems. The control systems with friction causes the steady state error because of being sensitive to the change of system condition and highly nonlinear characteristics. To overcome these problems, we use an estimation scheme of Coulomb friction to experiment for it's compensating. The estimated factor for Coulomb friction is used as a feed-forward compensator to improve the tracking performance of ball-screw systems. The tracking performance was improved by compensating the estimated friction torque in the feed-forward term. And, the sliding mode control which is derived from the Lyapunov stability theorem is applied for robust stability and reducing chattering. The experimental results show that the sliding mode controller with adaptive friction compensator has a good tracking performance compared with the friction uncompensated controller.
Like many other mechanical dynamic systems, flexible manipulator systems experience stiction or sticking friction, which may cause input-dependent instabilities. Manipulator performance can be enha nced by identifying friction but it is hard and expensive to measure friction by direct and precise sensing of contact displacements and forces. This study addresses the problem of identifying flexible manipulator joint friction. A dynamic model of a two-link flexible manipulator based upon finite element and Lagrange's method is constructed. The dynamic model includes the effects of joint compliances and actuator dynamics. Friction is also incorporated in the dynamic model to account for stick-slip at the joints. Next, the friction parameters are to be determined. The identification problem is posed as an optimization problem to be solved using nonlinear programming methods. A genetic algorithm is used to increase the convergence rate and the chances of finding the global optimum. The identified friction parameters are experimentally verified and it is expected that the identification technique is applicable to a system parameter identification problem associated with a wide class of nonlinear systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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