龙门加工中心移动横梁悬浮刚度控制的研究

论文摘要

本文以辽宁省教育厅攻关计划项目“机床进给用磁悬浮直线电机及其控制策略研究（No.2004D035）”和沈阳市科技计划项目“机床进给用磁悬浮直线电机驱动系统的研究（No.1053125-1-17）”为背景,结合龙门加工中心加工的实际特点,针对大型龙门加工中心磁悬浮横梁对悬浮刚度的要求不同于磁悬浮列车及其他磁悬浮装置的要求的特点,本文主要对龙门加工中心磁悬浮横梁悬浮刚度的控制问题进行了研究。本文首先对悬浮控制系统进行了设计,采用了可以显著降低悬浮磁铁功耗的电磁永磁混合悬浮技术。为了解决电磁铁线圈中的电流变化对总体刚度的影响,采用双闭环控制系统,即在位置环内引入电流环,构成位置电流双闭环系统。针对电流环,本文介绍了几种常用控制器,比较其优缺点后最终选择了PI控制器。引入电流内环后能及时地抑制环内的扰动,从而提高了位置环的性能。本文的主要工作是对外环控制器的选择和设计。通过对传统PID控制算法、模糊控制算法的讨论,针对机床的特点提出采用模糊控制和PID控制相结合的模糊PID控制算法,在传统PID调节器的基础上运用模糊推理思想,根据不同的偏差、偏差变化率对PID参数进行自校正。根掘机床加工过程的特点,设计出符合机床悬浮横梁要求的模糊PID控制器。考虑到模糊规则等控制器参数选定的繁琐性,本文采用遗传算法对其进行优化。最后,本文对以上控制器组成的控制系统分别进行了仿真,并分析了遗传算法模糊PID控制器在实际系统上应用的可行性和优越性。仿真结果表明本文采用的遗传算法模糊PID控制器提高了悬浮系统的刚度,满足机床磁悬浮横梁系统的精度要求;同时遗传算法的优化效果十分显著,使得模糊PID控制器各项参数的确定更具综合性和科学性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 相关技术的研究现状
• 1.2.1 机床导轨支撑技术的研究现状
• 1.2.2 磁悬浮应用技术的研究历史和现状
• 1.2.3 磁悬浮控制技术的研究现状
• 1.3 本课题的研究内容
• 第二章 龙门加工中心移动横梁的磁悬浮系统
• 2.1 系统的机械机构设计
• 2.2 单悬浮磁铁的工作原理
• 2.3 电磁永磁混合磁悬浮横梁系统数学模型的建立
• 2.4 电磁悬浮装置的驱动电路
• 2.4.1 电磁悬浮装置的驱动主电路
• 2.4.2 IEGT的应用
• 2.4.3 电子增强注入门极晶体管—IEGT
• 2.4.4 IEGT的驱动电路
• 第三章 磁悬浮横梁控制系统的设计
• 3.1 悬浮系统电流内环子系统设计
• 3.1.1 加反馈增益的电流环
• 3.1.2 采用P调节器的电流环
• 3.1.3 采用PI调节器的电流环
• 3.2 悬浮系统位置外环PID控制
• 3.2.1 PID控制规律
• 3.2.2 PID控制器的局限性
• 3.3 悬浮系统位置外环模糊控制
• 3.3.1 模糊控制原理
• 3.3.2 模糊控制的优势与局限性
• 3.4 悬浮系统位置外环模糊PID控制
• 第四章 磁悬浮系统模糊PID控制器的设计
• 4.1 悬浮系统模糊PID控制器的输入、输出变量模糊化接口设计
• 4.1.1 量化因子和比例因子的确定
• 4.1.2 模糊语言变量语言值隶属函数的确定
• 4.2 悬浮系统模糊PID规则设计
• 4.2.1 模糊推理的一般设计方法
• 4.2.2 磁悬浮位置外环模糊PID控制器的一套推理规则
• 4.3 PID控制器参数自整定清晰化方法选择
• 第五章 遗传算法模糊PID控制器的设计
• 5.1 遗传算法的基本原理
• 5.1.1 遗传算法概述
• 5.1.2 简单遗传算法的基本操作
• 5.1.3 遗传算法的改进
• 5.2 遗传算法模糊PID控制器
• 5.2.1 模糊PID控制器的等效修改
• 5.2.2 遗传算法模糊PID控制器的确定
• 第六章 磁悬浮横梁控制系统的仿真
• 6.1 磁悬浮横梁仿真模型的建立及仿真参数的设定
• 6.2 位置外环PID控制的磁悬浮横梁系统的仿真
• 6.3 位置外环模糊PID控制的磁悬浮横梁系统的仿真
• 6.4 系统的遗传算法模糊PID仿真结果
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢