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基于速度场的XY平台系统无源控制器设计

郑家鹏  
【摘要】:本文针对永磁同步直线电机直接驱动XY平台系统中,双轴不匹配、模型不确定性、系统不确定因素以及外部扰动等影响了系统轮廓精度的问题,本文采用基于速度场的XY平台系统无源控制器设计。首先利用速度场对系统的输入指令进行轨迹规划,然后再利用无源方法设计轮廓控制器,以提高XY平台伺服系统的轮廓精度。 首先,介绍了永磁同步直线电机结构特点及其基本工作原理。建立了两个相互垂直的直线永磁同步电机驱动XY平台系统的数学模型,并对其进行分析。阅读和分析了大量国内外关于直接驱动XY平台研究资料,在此基础上,介绍了永磁同步直线电机和XY平台系统的轮廓控制方法。并且针对XY平台系统中,模型不确定性、外部扰动等问题和减小系统轮廓误差的方法进行了分析和总结。 其次,为解决XY平台系统中的双轴不匹配的问题,利用了速度场对系统的输入轨迹进行了规划。对于一个位置输入指令,速度场将其进行轨迹规划来编译为速度指令。这样就将控制两轴之间的协调性问题变成了控制单轴速度问题。由此可知,速度场可以改善系统轨迹的时变性和瞬时性,其大大提高了系统的鲁棒性并且减小了轮廓加工误差。 然后,针对XY平台的模型不确定性,系统不确定因素及外部扰动等因素的影响,设计了无源性控制器。无源性控制本质上是非线性反馈,从能量角度分析闭环XY平台系统,保证系统和外部扰动之间的相互作用是无源的,以提高系统的稳定性。为解决无源速度控制需要精确的动态模型的问题,设计了基于李雅普诺夫函数的无源速度控制器,提高速度误差的收敛率,并使速度误差趋近于零。 最后,为进一步解决系统不确定因素及外部扰动的影响,本文在无源性控制器的基础上又设计了自适应扰动补偿器。自适应扰动补偿器的主要优点是可根据当前误差状态调整补偿增益。本文将无源速度场控制方法和无源自适应扰动补偿方法应用到XY平台系统中。基于速度场的无源性自适应控制器可以有效地削弱系统中外部扰动及不确定因素的影响,仿真结果表明,基于速度场的XY平台系统无源控制器有效提高了轮廓精度和鲁棒性。


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