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基于非线性和柔性特性分析及补偿的直线电机精密运动控制

陈正  
【摘要】:现代的机电系统,例如先进机床、微电子和半导体制造装备、光学检测系统和芯片传输系统,通常需要高速高精度的直线运动。而直接驱动的直线电机系统消除了中间机械传动机构带来的一系列问题,例如齿隙、大摩擦力和惯性负载、结构的柔性,故而有潜力达到更高的速度和精度。但是为了实现高速高精度运动的目标,我们必须考虑直线电机系统存在的几个控制难点:明显的模型不确定、参数不确定和外干扰,各种非线性动力学,高频柔性动力学。本论文就是以直线电机的非线性和高频柔性作为两大研究重点。深入分析了定位力、摩擦力和非线性电磁驱动力三大主要的非线性动力学,对每一类非线性提出了更精确且又能用于实时补偿控制的数学模型,并通过时域辨识实验验证这些模型的有效性和准确性。将非线性自适应鲁棒控制技术和各种非线性的有效补偿相结合,提出各种非线性有效补偿的自适应鲁棒控制算法,这些控制算法在理论上保证优越的瞬态和稳态跟踪性能,并通过一系列的对比实验验证了这些非线性补偿对控制性能的进一步提升。另一方面,考虑现今控制器设计所忽略的高频柔性动力学,找出主导高频动力学的物理机制并建立可用于控制器分析和设计的高频动力学模型,通过频域辨识实验验证其模型的有效性。依据这些高频动力学信息,提出控制器参数选择的优化准则,在现有的刚性动力学控制器框架下获得了最优的控制性能。为了更进一步提升系统的闭环频宽,高频动力学也被引入到控制器的结构设计中。首先尝试了简单的零极相消技术,以消减主导柔性模态的影响。随后,提出了一种新型的基于μ-synthesis的自适应鲁棒控制策略。该算法使用自适应在线参数估计和有效的非线性前馈模型补偿,把传统μ-synthesis鲁棒控制难以实现的精确跟踪问题转化为镇定问题。而且利用μ-synthesis反馈控制设计可直接考虑高频动力学的优点设计出更高闭环频宽和更强抗干扰能力的鲁棒反馈控制。 本论文共分为六章,现分别简述如下: 第一章,详细介绍了直线电机精密运动控制的研究背景以及研究状况,归纳出直线电机高速高精度运动控制的几大难题。介绍各种控制方法在直线电机精密运动控制中的应用。阐述了直线电机系统存在的定位力、摩擦力和非线性电磁驱动力三大非线性动力学,以及它们的研究现状。分析了系统高频柔性动力学对控制性能的约束,以及现有的建模和辨识结果。最后概述了本论文的研究意义及研究内容。 第二章,简述了论文研究所使用的实验平台及其硬件性能参数。发展了直线电机的非线性刚性动力学模型。在原有周期性定位力模型的基础上,使用B样条函数提出了非周期定位力的数学模型,兼顾其整体上的周期特性和局部区间的非周期特性。分析原始LuGre动态摩擦力模型的耗散性问题和数字控制时的观测器失稳问题,提出改进型的LuGre动态摩擦力模型。针对直线电机电磁驱动力的非线性特性,提出了易于补偿控制实现的三阶多项式非线性电磁力模型。所有这些模型在准确描述非线性动力学特性的同时,也兼顾到了补偿控制器的实现难度。随后,对直线电机系统进行时域系统辨识,获得刚性动力学的各主要参数,验证各种非线性模型的有效性。 第三章,以简化的直线电机二阶刚性动力学为例,系统地阐述了自适应鲁棒控制的基本概念和各种变换形式,该控制方法从理论上保证系统在建模误差下的瞬态和稳态性能,以及只存在参数不确定时的渐进跟踪性能。将自适应鲁棒控制技术和各种非线性模型补偿有机结合起来,分别设计了非周期定位力补偿的自适应鲁棒控制算法、改进的LuGre动态摩擦力补偿的自适应鲁棒控制算法、非线性电磁力补偿的自适应鲁棒控制算法、以及各种非线性综合补偿的自适应鲁棒控制算法。通过对比实验,验证模型补偿的有效性和控制算法所能实现的优越控制性能。 第四章,首次分析了直线电机高频动力学的存在因素和物理特性,找出因平台旋转而产生的主导高频模态,并建立其数学模型。进行频域系统辨识,了解刚性动力学的有效频率范围和高频柔性模态的存在频段,验证所提的高频动力学模型的有效性。根据已知的高频动力学,通过实验和理论分析,讨论了高频动力学、控制器参数和系统闭环频宽之间的关系,提出了控制器参数选择的优化准则,在现有的刚性动力学控制器框架下实现最优的控制性能。 第五章,为了进一步提升系统的闭环频宽,高频动力学被引入到控制器的结构设计中。首先尝试了简单的零极相消技术,消减主导柔性模态的影响,故而提高了系统的闭环频宽上限。对于已知的非线性刚性动力学和高频柔性模态,打破原有的刚性动力学控制器设计结构,提出新型的基于μ-synthesis的自适应鲁棒控制策略。其自适应前馈环节可以拥有精确的在线参数估计和有效的非线性模型补偿,并把轨迹跟踪问题转化为镇定问题以便于μ-synthesis鲁棒反馈控制器设计;由于使用高频动力学作为名义模型的一部分,设计的μ-synthesis反馈环节可以达到更高的闭环频宽和更强的抗干扰能力。通过对比实验,验证了该方法所具有的优越控制性能。 第六章,归纳总结了本论文的主要工作,阐述研究结论和创新点,并对直线电机精密运动控制的研究进行了展望。


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