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直接驱动X-Y数控平台轮廓跟踪控制策略研究

武志涛  
【摘要】:本文以国家自然科学基金项目(51175349)及辽宁省自然科学基金项目(20102165)为背景,以直接驱动X-Y平台伺服控制系统为研究对象,针对直接驱动伺服系统易受系统动态的不确定性、非线性扰动的影响以及传统曲线轨迹的轮廓误差模型相对复杂等问题,建立可实用于非线性曲线跟踪且计算简便的X-Y平台等效误差非线性模型,通过运用位置跟踪控制器和轮廓控制器来保证X-Y数控平台伺服系统对于非线性曲线轮廓轨迹的跟踪精度和鲁棒性。主要研究内容包括如下几个部分: 为满足单轴直接驱动伺服系统的高精度定位要求,同时考虑伺服系统的动态特性和鲁棒性的要求,提出了一种位置跟踪控制器与最优参数扰动补偿器相结合的鲁棒跟踪控制方法。其中位置跟踪控制器提高系统的动态性能,而扰动补偿器则用来改善系统的抗干扰能力。在扰动补偿器的参数确定中利用Parseval定理中信号在时域内的总能量与频域内的总能量相等的原理,将位置误差量的时域性能指标转变为频域的性能指标,再通过对劳斯-赫尔维茨(Routh-Hurwitz)矩阵的计算,确定最优化PI参数的方法,本方法具有计算过程简单、解析化的特点。 为了解决传统非实际线性轮廓误差模型的缺点,不再以轮廓误差模型的方式建立近似的系统轮廓误差方程,而是以等效轮廓误差量和切线误差量为状态变量建立直接驱动X-Y平台等效误差非线性模型,采用等效滑模的控制方法设计轮廓控制器使等效误差动态稳定,进而减小轮廓误差。至此,轮廓轨迹跟踪精度问题被转换为等效误差稳定化问题。 为了进一步改善轮廓控制器对等效误差变量的有效控制,削弱滑模控制的抖振对系统性能的影响,将超螺旋控制律应用于滑模轮廓控制器设计中,超螺旋算法控制律使等效误差滑模量及其时间导数在有限时间内快速趋于零,在有效的消弱了控制抖振的同时,保证了轮廓控制器对状态变量的有效控制。仿真表明,基于等效误差模型的轮廓控制器有效地抑制了周期性、非线性扰动因素的影响,使直接驱动X-Y平台达到高精度轮廓跟踪控制的要求。 本文以北京慧摩森科技公司生产的LM22-26型直接驱动X-Y平台为控制对象。分别对采用等效滑模轮廓控制与最优参数补偿位置跟踪控制方法、超螺旋滑模轮廓控制与最优参数补偿位置跟踪控制方法设计的直接驱动X-Y平台轮廓跟踪控制系统进行标准条件情况和动子参数变化情况的对比实验研究,且对圆形和四瓣叶形指令轨迹的轮廓跟踪控制性能和鲁棒性能进行了对比分析。通过实验结果与分析,验证了本文所提出的控制策略的理论研究和仿真结果的有效性。


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