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双直线电机数控平台精密轮廓跟踪控制补偿方法研究

作　者: 林淑
导　师: 王丽梅
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 永磁直线同步电机 XY平台 滑模控制 鲁棒控制 轮廓精度
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


本文针对永磁直线同步电机(PMLSM)驱动XY平台易受非线性摩擦力、系统参数摄动、系统的不确定性因素及双轴间的动态不匹配等问题进行研究,利用积分滑模控制器和滑模观测器并在X、Y轴间引入交叉耦合控制器对XY平台进行控制,利用全局快速Terminal滑模位置控制、H $速度反馈控制和切向-轮廓控制相结合的控制策略,进而从整体上提高XY平台的轮廓控制精度,实现精密轮廓跟踪控制。首先,本文在对国内外关于双直线电机直接驱动XY平台研究文献的广泛阅读和分析的基础上,阐述了PMLSM的工作原理,建立了直接驱动XY平台的数学模型并加以分析。根据XY平台系统工作的特点,分析出其运行过程中必然产生轮廓误差,对轮廓误差进行了定义,并阐述了影响XY平台轮廓精度的因素,建立了XY平台常见的轮廓误差模型。对于高速度、高精度加工的数控机床,如何消除系统的轮廓误差,提高系统的轮廓跟踪控制精度,实现直接驱动XY平台的协调控制,这样就很有必要通过设计伺服控制器来实现XY平台精密轮廓跟踪控制。其次,单轴采用积分滑模控制器与滑模状态观测器相结合的控制策略,主要用来实现非线性摩擦力对XY平台的动态补偿,获得更小的位置误差。交叉耦合控制器作用于双轴之间,以消除增益参数及动态参数不匹配的影响,大幅度地减小轮廓误差。仿真结果表明即使在摩擦力存在的情况下,所提出的控制方法也能够有效补偿摩擦力对XY平台性能的影响,实现了XY平台的高精度轮廓跟踪控制。最后,采用全局快速Terminal滑模位置控制与H $速度反馈控制相结合的方法并在X、Y轴间引入切向-轮廓控制器来设计直接驱动XY平台系统。所提出的控制策略能够有效地解决负载扰动、系统参数摄动、系统的不确定性以及双轴动态不匹配等问题,且系统能够在有限时间快速收敛至平衡状态,双轴间实现解耦控制,算法简单易实现,以提高整个平台的响应速度和轮廓控制精度。本文以双直线电机直接驱动的XY平台作为被控对象进行研究,在MATLAB软件的应用下,对以上控制策略进行仿真和分析。仿真结果表明,与基于摩擦力补偿的XY平台轮廓跟踪控制相比,双直线电机驱动XY平台鲁棒跟踪控制能够更好的解决系统的非线性摩擦力、系统参数摄动、系统的不确定性因素及双轴间的动态不匹配等问题的影响,实现了XY平台的快速跟踪控制,大大提高了XY平台伺服系统的鲁棒性和轮廓控制精度。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章 绪论  11-19
  1.1 课题的背景及研究意义  11
  1.2 直线电机发展概况及应用  11-14
    1.2.1 直线电机简介  11-13
    1.2.2 直线电机的应用  13-14
  1.3 直线电机控制方法概述  14-16
  1.4 双直线电机驱动XY 平台发展概况及控制方法  16-17
  1.5 本文的主要研究内容  17-19
第二章 XY 平台的数学模型与轮廓误差模型分析  19-30
  2.1 XY 平台数学模型  19-24
    2.1.1 PMLSM 的工作原理分析  19-22
    2.1.2 XY 平台的数学模型分析  22-24
  2.2 XY 平台的轮廓误差分析  24-29
    2.2.1 轮廓误差定义  24-25
    2.2.2 影响XY 平台轮廓精度的因素  25-28
    2.2.3 XY 平台轮廓误差模型  28-29
  2.3 本章小结  29-30
第三章 基于摩擦力补偿的XY 平台轮廓跟踪控制  30-46
  3.1 积分滑模变结构控制器设计  30-34
    3.1.1 积分滑模变结构控制  30-32
    3.1.2 积分滑模切换面定义  32
    3.1.3 系数的计算  32-34
    3.1.4 李雅普诺夫稳定性证明定理  34
  3.2 XY 平台摩擦力补偿控制器设计  34-40
    3.2.1 单轴滑模控制器设计  34-35
    3.2.2 滑模状态观测器设计  35-38
    3.2.3 交叉耦合控制器设计  38-40
  3.3 仿真结果及分析  40-45
  3.4 本章小结  45-46
第四章 XY 平台鲁棒跟踪控制器设计  46-68
  4.1 H_∞控制理论的基本思想  46-51
    4.1.1 H_∞_∞理论简介  46-47
    4.1.2 H_∞标准设计问题与求解  47-51
  4.2 位置控制器设计的基本思想  51-55
    4.2.1 全局快速Terminal 滑模  51-52
    4.2.2 全局快速Terminal 滑模控制器设计  52-53
    4.2.3 到达时间及稳定性分析  53-55
  4.3 XY 平台系统控制器设计  55-62
    4.3.1 H_∞速度反馈控制器设计  55-57
    4.3.2 单轴全局快速Terminal 滑模位置控制器设计  57-59
    4.3.3 TCC 设计  59-62
  4.4 仿真结果及分析  62-67
  4.5 本章小结  67-68
第五章 结论  68-69
参考文献  69-72
在学研究成果  72-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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