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数控加工中心龙门悬浮气隙的自抗扰控制研究

作　者: 任修孟
导　师: 王丽梅；刘春芳
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 龙门移动式数控机床非线性PID 自抗扰控制线性自抗扰控制
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

为了彻底消除机床中的摩擦,本文将磁悬浮技术应用到龙门移动式数控机床中,使横梁和导轨不接触,从本质上消除摩擦及其带来的不良影响。同时,龙门移动式数控机床横梁悬浮系统属于同步悬浮,而本文只针对单端悬浮系统进行研究,保证横梁悬浮的稳定性和控制系统的抗干扰性能。首先,查阅了大量国内外相关文献,对磁悬浮技术研究现状及应用、数控机床系统有了深刻的了解;在参考前人的研究基础上建立机床悬浮系统的数学模型和单电磁悬浮系统的非线性状态空间方程;通过局部线性化方法得到线性磁悬浮系统,对其进行分析得到单电磁悬浮系统开环结构不稳定的结论,并针对这一点设计了串联迟后超前校正装置,最后仿真结果表明所设计校正装置能够使横梁稳定悬浮并抑制扰动,但系统输出存在快速性与超调之间的矛盾。其次,为解决系统响应快速性与超调之间的矛盾,设计了基于跟踪微分器的非线性PID控制器,对线性磁悬浮系统进行控制。非线性PID控制器是针对经典PID控制器的缺陷进行改进而提出来的,解决了经典PID控制系统中微分信号提取困难、容易出现大超调以及误差、误差积分、误差微分组合方式单一造成系统鲁棒性能限制的问题。仿真结果证明非线性PID控制器能够使横梁磁悬浮系统稳定悬浮,无超调,响应速度快,强的抗干扰性能,解决了经典PID控制系统超调与响应速度间的矛盾。再次,针对单电磁悬浮系统建立数学模型的不精确性和系统线性化后的模型不能准确反映系统内部工作环境的问题,对线性磁悬浮系统设计了自抗扰控制器。自抗扰控制器的主要优点就是把被控对象所有不确定因素都归结为未知扰动而用对象的输入输出数据对它进行估计并给予补偿。仿真结果表明所设计的控制系统能够使横梁稳定悬浮,并能有效抑制外部扰动。为了更接近实际,对非线性单电磁悬浮系统设计了双环自抗扰控制器,仿真结果表明自抗扰控制非线性单电磁悬浮系统,也能够使横梁稳定悬浮,并对系统内部参数摄动和外部扰动有一定的抑制作用。但自抗扰控制器的参数较多,参数整定过程困难。最后针对自抗扰控制器参数较多、整定过程复杂繁琐问题对自抗扰控制器进行了简化。将自抗扰控制器各组成部分中的非线性函数用线性函数代替,减少了参数的个数,使参数整定过程简化。最后仿真结果表明线性自抗扰控制系统使横梁稳定悬浮并对外部扰动具有将强的鲁棒性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景及意义  11-12
  1.2 磁悬浮技术研究现状  12-13
  1.3 磁悬浮控制技术的研究现状  13-14
  1.4 自抗扰控制技术的提出与应用  14-15
  1.5 课题的主要研究内容及论文安排  15-17
    1.5.1 课题的研究内容  15-16
    1.5.2 论文安排  16-17
第二章数控机床用横梁磁悬浮系统概述  17-28
  2.1 机床横梁磁悬浮系统结构  17-18
  2.2 单电磁悬浮系统数学模型  18-23
    2.2.1 单电磁悬浮系统数学模型推导  18-20
    2.2.2 单电磁悬浮系统非线性模型  20-21
    2.2.3 单电磁悬浮系统线性化处理  21-23
    2.2.4 单电磁悬浮系统线性模型稳定性分析  23
  2.3 单电磁悬浮系统线性模型串联校正  23-27
    2.3.1 单电磁悬浮系统线性模型串联校正装置设计  23-24
    2.3.2 系统仿真及分析  24-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章龙门移动式数控机床横梁磁悬浮系统非线性PID控制  28-36
  3.1 非线性PID理论基础  28-32
    3.1.1 非线性跟踪微分器  29-30
    3.1.2 非线性误差组合方式  30-32
  3.2 单电磁悬浮系统非线性PID控制  32-35
  3.3 本章小结  35-36
第四章龙门移动式数控机床横梁磁悬浮系统自抗扰控制  36-50
  4.1 自抗扰控制器理论基础  36-40
    4.1.1 扩张状态观测器  36-40
    4.1.2 扰动补偿  40
  4.2 单电磁悬浮系统线性模型的自抗扰控制  40-43
    4.2.1 控制器设计  41-42
    4.2.2 系统仿真  42-43
  4.3 磁悬浮系统非线性模型的自抗扰控制  43-48
    4.3.1 控制器设计  43-45
    4.3.2 系统仿真  45-48
  4.4 本章小结  48-50
第五章龙门移动式数控机床横梁磁悬浮系统线性自抗扰控制  50-55
  5.1 自抗扰控制优化方法  50-51
  5.2 横梁磁悬浮系统线性自抗扰控制  51-54
    5.2.1 控制器设计  51-52
    5.2.2 系统仿真  52-54
  5.3 本章小结  54-55
第六章结论  55-57
参考文献  57-60
在学研究成果  60-61
致谢  61

数控加工中心龙门悬浮气隙的自抗扰控制研究

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