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机床进给磁悬浮系统的非线性控制方法研究

石佳  
【摘要】: 磁悬浮技术由于噪音小、无污染、无机械接触等优良特性,能消除因摩擦而产生的阻力,延长设备的使用寿命,因而在交通、冶金、机械、电器等各个方面有着广阔的应用前景,并且现在已成功地应用于电磁轴承、磁悬浮列车和磁悬浮平台上。 本文针对机床中存在的摩擦问题,提出了在龙门移动式数控机床中采用磁悬浮技术,将移动横梁悬浮在静止导轨上方,使其与导轨不发生接触,彻底消除摩擦,实现精加工。研究目标主要是针对具体结构下龙门横梁的磁悬浮机理与保持悬浮气隙高刚度控制过程提出一套解决措施,消除各种扰动对悬浮高度的影响,确保横梁悬浮的稳定性和悬浮高度的精确性。 首先,在阅读了大量国内外参考文献的基础上,综述了磁悬浮技术的发展和现状,阐述了磁悬浮技术的特点及应用。 其次,对龙门移动式数控机床悬浮横梁的结构作了详细的介绍,并分析了移动横梁的悬浮原理,建立了该系统的数学模型。在此基础上,运用反馈线性化方法对系统的非线性模型进行线性化处理,分别得到线性电压控制模型和电流控制模型。然后,采用经典控制策略—线性状态反馈控制和PI状态反馈控制,设计了两种控制器,分别对磁悬浮系统进行控制。 最后,引入现代控制技术—滑模变结构控制,该控制方法在系统受到参数摄动和外干扰时具有不变性。在该控制器的设计中加入了积分环节,能够消除稳态误差,提高系统的精确性。本论文使用Matlab仿真软件,分别将这几种控制器应用于磁悬浮系统的模型上,得出仿真结果,并分析、比较了不同控制方法对磁悬浮系统的控制性能的好坏。与经典控制策略相比,滑模变结构控制鲁棒性强,可靠性高。在龙门移动式数控机床中采用磁悬浮技术来消除摩擦,再利用现代控制方法来提高悬浮系统的鲁棒性,二者有机的结合可以满足机床的高精度加工要求。


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