刀具切削力扰动下机床悬浮气隙的控制研究

论文摘要

磁悬浮支撑系统由于其本身无摩擦、无损耗、低功耗、无噪音、进给速度快及高加速度等优点,已经备受高精度技术领域的青睐,且应用范围也越来越广。在龙门移动式数控机床中引入磁悬浮技术,利用悬浮的方法将承载着刀具系统的移动衡量悬浮于导轨上方,使其与导轨之间没有了接触,从而消除了移动衡量和导轨之间所产生的摩擦力对加工系统的影响,从而提高了加工精度和效率。在撰写本论文时,首先查阅了国内外相关的文献,然后介绍了龙门移动式数控机床磁悬浮横梁的结构并建立了磁悬浮系统的单电磁铁数学模型。通过模型的建立我们可以得出,该模型是典型的非线性数学模型。针对此非线性数学模型,首先利用反馈线性化的方法对该模型进行处理,将其转化为易于控制的线性化的数学模型,在此基础上,设计了积分滑模变结构控制器。通过Matlab软件进行仿真实验,通过实验可以得出,该方法有着很好的快速性、鲁棒性并能很好的消除系统的稳态误差。但是,由于滑模变结构控制本身在切换面存在抖动的问题,当滑模变结构控制器工作时,必然也会在控制量中产生抖动分量,从而也降低了控制效果,为了抑制滑模变结构控制在切换面存在的抖动,本文针对悬浮系统还设计了动态积分滑模变结构控制器,仿真结果表明,由于动态滑模控制的引入,大大减小了抖动问题对控制量的影响,提高了控制精度和鲁棒性。最后,为了提高控制效率和控制精度,对被控对象数学模型的处理上,选择了通过坐标变换的方法直接对非线性被控对象进行处理,改变了以往需要对非线性被控对象先进行线性化,然后设计控制器的繁琐过程,而且也消除了由此带来的系统误差,针对系统的非线性数学模型,本文提出了非线性动态积分滑模控制和反演自适应动态积分滑模控制两种方案。系统仿真表明,反演自适应动态积分滑模控制虽然能够实现对被控对象不确定性参数的在线时时估计计算,得到相应的控制器参数,但是由于在线估计计算的过程比较复杂,运算量比较大,所以快速性相对要差。而非线性动态积分滑模控制有着不需要确定被控对象数学模型优点,并且具有小稳态误差和高鲁棒性,可以使系统快速达到精确悬浮,满足控制要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 磁悬浮技术概述
• 1.3 数控机床磁悬浮进给系统
• 1.4 非线性控制技术的发展与应用
• 1.5 论文主要研究内容
• 第二章 电磁悬浮系统原理及数学模型
• 2.1 电磁悬浮系统原理
• 2.2 数控机床横梁电磁悬浮系统结构
• 2.3 单电磁悬浮系统
• 2.3.1 单电磁铁悬浮系统数学模型
• 2.3.2 单电磁铁悬浮系统状态空间方程
• 2.3.3 单电磁铁数学模型的线性化
• 第三章 动态积分滑模变结构控制器设计
• 3.1 滑模变结构控制理论的简介
• 3.1.1 定义及基本原理
• 3.1.2 抖振问题的分析和解决方案
• 3.2 悬浮系统电压控制模型的积分滑模变结构控制器设计
• 3.3 悬浮系统动态积分滑模控制器设计
• 3.3.1 动态积分滑模变结构控制的基本原理
• 3.3.2 悬浮系统动态积分滑模变结构控制器设计
• 3.4 系统仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 非线性磁悬浮系统的控制器设计
• 4.1 非线性磁悬浮系统的坐标变换
• 4.1.1 基本原理
• 4.1.2 磁悬浮系统的仿射非线性坐标变换数学模型的建立
• 4.2 基于仿射非线性模型的动态积分滑模变结构控制器设计
• 4.3 系统仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 反演自适应动态积分滑模控制
• 5.1 反演自适应控制原理
• 5.2 反演自适应动态积分滑模控制器设计
• 5.2.1 自适应控制器在线调试参数的选择
• 5.2.2 反演自适应动态积分滑模控制器的设计
• 5.3 系统仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢