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高速精密数控机床进给伺服系统的控制研究

作 者: 沈志英
导 师: 黄建龙
学 校: 兰州理工大学
专 业: 测试计量技术及仪器
关键词: 数控机床 永磁同步电机 交流伺服系统 模糊PID控制
分类号: TG659
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 250次
引 用: 2次
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内容摘要


随着微电子技术、大规模集成电路制造工艺、计算机技术和现代控制理论的发展,交流电动机的控制技术、调速性能得到了不断提高,机床进给伺服系统在经历了开环的步进电动机系统、直流伺服系统两个阶段之后,已进入了交流伺服系统阶段,交流伺服系统已取得了主导地位。本文以数控机床交流伺服系统为研究对象,首先利用矢量控制理论建立了永磁同步电机的线性解耦数学模型,在此基础上,建立了电流环、速度环、位置环三闭环的PID控制系统,根据控制理论对各个环节的PID参数进行分析、设计及整定,并在Matlab/Simulink软件下进行动态仿真,验证了整个系统设计的正确性和合理性。针对数控机床的精度要求,在动力学理论的基础上建立了机械系统的等效数学模型,将其与伺服驱动的数学模型相串联,构成一个全闭环高阶系统的控制模型。利用软件Matlab对系统位置控制进行参数整定,且对系统的变参数进行了仿真分析,同时针对此数控系统可能出现的谐振问题,提出一些控制策略去解决此问题。在交流伺服系统中,由于数控机床进给伺服系统的非线性和各种时变因素的存在,会影响伺服系统的控制性能,采取传统的控制策略已经不能满足其需求,为此提出采取模糊PID控制方案解决此问题。该控制器是将常规PID控制的稳定型与模糊控制的简便性、灵活性及鲁棒性融为一体,构造了一个自整定模糊PID控制器。仿真结果表明,采用模糊PID控制对机械系统的变参数性及外部扰动具有较好的抑制作用。

全文目录


摘要  8-9
Abstract  9-10
插图索引  10-12
插表索引  12-13
第1章 绪论  13-19
  1.1 概述  13-16
    1.1.1 数控机床发展史  13-14
    1.1.2 数控机床的发展趋势  14-16
  1.2 国内外数控机床发展现状  16-17
    1.2.1 国外数控机床发展现状  16
    1.2.2 国内数控发展现状  16-17
  1.3 本课题研究的目的和意义  17-18
  1.4 本课题研究的主要内容  18-19
第2章 机床的进给伺服系统  19-28
  2.1 数控机床进给伺服系统  19-20
  2.2 伺服系统模型的简化  20
  2.3 伺服驱动装置  20-23
    2.3.1 步进电动机  21
    2.3.2 直流电动机  21-22
    2.3.3 交流电动机  22
    2.3.4 直线电机  22-23
    2.3.5 步进、直流、交流和直线电机的应用比较  23
  2.4 进给机械传动装置  23-27
    2.4.1 齿轮或带轮传动副  24-25
    2.4.2 滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副  25-27
    2.4.3 静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副  27
  2.5 结论  27-28
第3章 永磁同步电动机矢量控制的数学模型  28-35
  3.1 永磁同步电动机的结构和种类  28-29
    3.1.1 永磁同步电机的分类  28
    3.1.2 永磁同步电动机的结构  28-29
  3.2 矢量控制原理及坐标变换  29-32
    3.2.1 矢量控制原理  29-30
    3.2.2 矢量控制方法  30
    3.2.3 坐标变换  30-32
  3.3 永磁同步电动机的数学模型  32-34
    3.3.1 三相静止坐标下电动机的基本方程  32-33
    3.3.2 永磁同步电机的d 、q 模型  33-34
  3.4 结论  34-35
第4章 交流伺服系统的设计及参数整定  35-49
  4.1 电流环的设计与整定  35-38
    4.1.1 电流环动态结构的简化  36-38
    4.1.2 电流调节器设计  38
  4.2 速度控制环的设计与整定  38-41
    4.2.1 速度控制环结构的简化  39-40
    4.2.2 速度控制环的高精度设计  40-41
  4.3 位置控制环的设计与整定  41-43
    4.3.1 位置环的设计  41-42
    4.3.2 位置环的整定  42-43
  4.4 数控机床伺服控制系统三环整定计算及仿真  43-49
第5章 伺服机械传动装置及高阶系统的仿真  49-58
  5.1 机械传动机构的数学模型  49-52
    5.1.1 机械传动机构的等效动力学模型  49-50
    5.1.2 机械参量的折算  50-51
    5.1.3 机械传动机构的传递函数  51-52
  5.2 数控机床伺服进给系统机械参量的计算  52-54
  5.3 数控机床全闭环伺服进给系统模型的建立及高阶仿真  54-55
  5.4 机械谐振系统的控制策略  55-57
  5.5 结论  57-58
第6章 伺服进给系统模糊 PID 控制  58-72
  6.1 模拟 PID 控制实现原理  58-60
  6.2 数字 PID 控制原理  60
  6.3 模糊控制基本原理  60-62
  6.4 模糊 PID 控制器在伺服进给系统中的应用  62-68
    6.4.1 模糊 PID 自整定控制器的设计  63-64
      6.4.1.1 模糊 PID 参数自整定控制器的结构  63
      6.4.1.2 PID 初始参数的设定  63-64
    6.4.2 输入输出变量隶属函数确定  64-66
    6.4.3 模糊控制规则表的建立  66-68
  6.5 系统仿真模型  68-71
  6.6 结论  71-72
总结与展望  72-74
  总结  72
  展望  72-74
参考文献  74-77
致谢  77-78
攻读学位期间所发表的学术论文  78

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 程序控制机床、数控机床及其加工
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