高精度直线伺服系统参数辨识及补偿控制研究

论文摘要

现代高档数控机床对数控进给伺服系统精度的要求越来越高。采用永磁同步直线电机直接驱动是实现机床高精度进给的必要途径之一。但在直线伺服系统运行期间,由于内部和外部的各种原因,其参数和外部干扰都有很大的不确定性。由于这些不确定性的存在,使系统的控制品质严重下降。本文针对动子质量变化扰动、负载阻力扰动和低速时摩擦扰动对伺服系统的影响进行了研究,并提出了相应的解决方案。本文首先建立了永磁同步直线伺服系统的数学模型,并在MATLAB环境下搭建了用于仿真的相应结构图。在此基础上,针对动子质量变化扰动,采用了离散模型参考自适应辨识的方法实时估计系统动子质量的变化,然后用辨识得到的动子质量当前值依照规则对速度控制器各参数进行整定,使伺服系统在动子质量发生变化时仍具有良好的动静态性能。仿真结果表明采用该方案辨识参数收敛速度快,使伺服系统具有实时性好,能够无超调的跟踪输入等优点,系统的精度也有了很大的提高;针对负载阻力扰动,提出了负载阻力的辨识方法及补偿环节,将观测到的负载阻力变化成比例的补偿到电机交轴电流的控制端,以此来抑制负载阻力的干扰,提高系统的鲁棒性。仿真结果表明所提出的方案是有效的;针对会降低系统跟踪性能的非线性摩擦扰动,本文提出了采用基于遗传算法的参数整定方法来辨识系统摩擦模型的参数,进而对永磁同步直线伺服系统进行补偿控制。仿真结果表明,该控制方案使系统在保证快速性的同时稳态精度有了大幅度的提高,且能够实现系统的低速平稳运行。研究表明本文所采用的补偿措施对系统参数变化和摩擦扰动等有很强的鲁棒性,且使永磁同步直线伺服系统控制精度高、实时性强,能够更好的满足于机床高精度加工的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 直线电机的发展和应用简介
• 1.2 直线伺服系统的控制策略
• 1.2.1 经典控制策略
• 1.2.2 现代控制策略
• 1.2.3 智能控制策略
• 1.2.4 控制策略展望
• 1.3 影响直线伺服系统性能的多种扰动因素
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第二章 永磁同步直线电机的基础理论及通用仿真模型
• 2.1 永磁同步直线电机的基础理论
• 2.1.1 永磁同步直线电机的结构
• 2.1.2 永磁同步直线电机的工作原理
• 2.1.3 永磁同步直线电机的数学模型
• 2.1.4 永磁同步直线电机的矢量控制
• 2.2 永磁同步直线电机的仿真模型
• 2.2.1 永磁同步直线电机的通用仿真模型
• 2.2.2 永磁同步直线电机的速度还仿真框图
• 第三章 永磁同步直线电机动子质量参数辨识及控制器参数自整定
• 3.1 辨识的基本原理
• 3.2 电机参数常用的辨识方法
• 3.2.1 卡尔曼滤波法
• 3.2.2 最小二乘辨识算法
• 3.2.3 模型参考自适应辨识算法
• 3.2.4 状态观测器法
• 3.3 永磁同步直线电机动子质量的辨识
• 3.3.1 模型参考自适应控制
• 3.3.2 模型参考自适应辨识
• 3.3.3 离散模型参考自适应参数辨识算法
• 3.3.4 辨识算法的计算机仿真研究
• 3.4 速度控制器参数自整定
• 3.4.1 速度控制器整定原理
• 3.4.2 速度控制器整定算法仿真研究
• 第四章 永磁同步直线电机负载阻力辨识及速度补偿
• 4.1 负载阻力辨识与速度补偿
• 4.1.1 负载阻力辨识
• 4.1.2 速度补偿原理
• 4.2 速度补偿环节仿真研究
• 第五章 永磁同步直线电机摩擦模型参数辨识及补偿控制
• 5.1 直线伺服系统的摩擦机理及摩擦补偿
• 5.1.1 摩擦力概述
• 5.1.2 摩擦力的特性
• 5.1.3 摩擦力的数学模型
• 5.1.4 摩擦对伺服系统的影响
• 5.1.5 摩擦补偿
• 5.2 基于遗传算法的摩擦模型参数辨识
• 5.2.1 摩擦模型的建立
• 5.2.2 遗传算法的基本理论
• 5.2.3 遗传算法的设计
• 5.3 仿真与分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢