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龙门式双驱动系统同步运动控制方法研究

李萍  
【摘要】:工业应用中,大型、重型零部件加工广泛采用具有龙门框架结构的数控机床,以满足大尺寸加工的需求。为了实现龙门机床高性能的运动控制,一般龙门轴采用双电机协调驱动的方式。这种双驱动系统的控制,既要使龙门框架尽可能地跟踪期望的运动轨迹,实现其伺服跟踪功能,又要保证两伺服驱动电机之间的协调运动,实现其同步控制功能。由于双驱动系统存在诸如非线性和强耦合特性等复杂的动力学行为,基于典型的“三环”控制结构已难以满足双驱动控制系统工程化设计的需求。此外,实际的系统不可避免地存在建模误差或受到未知外部扰动的作用,这些因素势必会影响双驱动系统的控制精度和稳定性。因此,龙门式双驱动系统的高性能同步运动控制一直是高档数控机床的关键技术和亟需解决的研究难题。本文以双电机间接驱动的龙门式平台为研究对象,以改善双驱动系统的跟踪性能和同步性能为目标,借助于基于传递函数的经典控制理论和基于状态方程的现代控制理论,深入地开展了同步运动控制技术研究,力求为龙门式双驱动控制系统的分析与设计提供必要的理论和方法。论文的主要研究内容及成果如下:1)详细地分析了龙门式平台的运动过程,并建立了龙门式双驱动系统的多输入多输出模型,包括交流伺服电机的数学模型,齿轮齿条传动系统的动态模型和龙门式平台的三自由度耦合动力学模型;研究了交流伺服驱动系统经典的“三环”控制结构及其控制参数的工程化设计方法,分析了工业实践中广泛应用于龙门式双驱动系统并行同步控制策略的优缺点;最后确立了双驱动控制系统的性能评价指标,包括:跟踪性能指标、抗扰性能指标以及同步性能指标等。2)以伺服电机驱动系统为被控对象,提出了一种融合内模规则和滑模技术的控制方法。首先,在利用内模规则整定控制器参数的过程中,为了克服传统的内模控制需要在期望的设定点跟踪性能和抗扰性能之间进行折中考虑的缺陷,设计了一种基于2自由度内模控制结构的线性反馈控制器,以便在保证伺服驱动系统期望的动态响应的同时增强其抵抗扰动的能力。针对伺服驱动系统中各种不确定性带来的控制问题,提出了一种融合2自由度内模控制和滑模鲁棒控制的策略。该策略中,一方面,滑模控制器中线性反馈增益系数可以通过内模规则进行整定;另一方面,通过滑动变量可以建立内模控制系统的滑动模态方程,进而可以利用滑模技术来改善内模控制器的鲁棒性能,并基于Lyapunov稳定性理论,对该策略的鲁棒稳定性进行了证明。最后,基于MALTAB/Simulink软件搭建了伺服电机控制系统仿真平台,对所提出的控制策略的有效性进行了仿真验证。3)为实现龙门式双驱动系统高性能的同步运动控制,提出了基于内模原理和滑模技术的鲁棒同步控制策略。首先,为了简易高效地解决双驱动系统控制器参数的整定问题,对龙门式双驱动系统模型进行了线性化和降阶简化处理,进而根据单伺服轴的控制参数整定方法和双驱动系统的并行控制策略,设计了基于内模规则的线性反馈同步控制器。然而,并行控制策略单纯地依靠单个伺服轴的跟踪控制性能来保证两伺服轴的同步控制精度,忽略了双驱动系统中的强耦合特性,因而难以有效解决此类平台的同步控制问题。为了克服此缺陷,提出了基于内模原理的交叉耦合同步控制策略,该策略额外地设计了旋转运动控制器来抑制耦合作用的影响,以改善双驱动系统的同步控制性能。在此基础上,通过融合滑模鲁棒控制,以进一步提高系统在各种不确定性情况下的控制精度。最后,基于MALTAB/Simulink软件,搭建了双驱动控制系统仿真平台,其仿真结果表明,在基于2自由度内模原理的交叉耦合同步控制策略中引入滑模鲁棒控制,双驱动系统的跟踪性能和同步性能均得到了显著的改善。4)针对龙门式双驱动系统在强扰动作用下的控制问题,提出了基于扩张状态观测器的自抗扰同步控制策略。该策略将双驱动系统中各种未知扰动当作系统的总扰动或扩张的系统状态,通过设计扩张状态观测器对总扰动实现在线估计与补偿,从而抑制扰动对系统动态特性的影响,提高系统的抗扰性能。然而,带宽有限的观测器在有限的时间内不能完全消除扰动对系统性能的影响,这在一定程度上限制了系统的控制精度。为了进一步改善有限带宽的观测器和反馈控制系统的控制性能,提高双驱动系统的跟踪精度和同步精度,提出了一种融合2自由度内模控制、滑模鲁棒控制和扩张状态观测器的自抗扰鲁棒同步控制策略,并基于Lyapunov稳定性理论,分析了其跟踪误差和同步误差的动态特性。最后,对本文提出的自抗扰鲁棒同步控制策略的有效性进行了仿真验证。5)设计了基于EtherCAT总线的龙门式双驱动实验平台。在该实验平台上,首先进行了一系列系统辨识实验,对双驱动系统简化模型的合理性和有效性进行了验证。然后,以辨识模型为基础,设计了基于内模原理的线性反馈同步控制器、基于滑模控制技术的鲁棒同步控制器以及基于扩张状态观测器的自抗扰同步控制器,进而对各种同步控制策略进行了对比实验研究,其实验结果验证了本文提出的同步运动控制策略的实用性、高效性和有效性。


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