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双轴联动系统鲁棒自适应交叉耦合位置控制

时间:2017-08-13 17:00来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是控制工程论文,本文对双轴联动系统的位置同步控制相关问题进行了深入研究,具体分析了双轴系统的稳定性与同步精度难以兼顾的问题。
第一章  绪论 
 
1.1 课题研究背景及意义
在科技迅猛发展,世界经济一体化的潮流中,我国政治稳定,经济持续发展,在全球经济发展中扮演着日趋重要的角色,尤其是在加入 WTO 之后,跨国公司逐渐成为各国大公司的主要经营模式并不断涌入中国市场,前所未有的机遇和挑战不断促使我国企业提高自身竞争力,力争走向世界。装备制造业是整个工业的核心与基础,是国家制造业的水平的主要衡量标准,也是社会经济增长的重要推动力。新中国成立 60 多年,我国的装备制造业蓬勃发展,制造总量大幅增加,制造技术水平不断提升,整个行业的竞争力有了明显的提升,并逐渐成为各行业技术装备的国家经济稳定发展的重要保障。2015 年 5 月国务院颁布文件《中国制造 2025》,指在我国当前形势下,创造经济增长新动力,塑造国际竞争新优势,重点和出路在制造业。文件提出要大力推动在高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备和节能与新能源汽车等重点领域的突破发展,引导社会各类资源集聚,推动优势和战略产业快速发展,力争用十年时间,迈入制造强国行列。 机械加工业是装备制造业的重要组成部分,自改革开放以来,我国的机械工业已从基础十分薄弱发展成为今天门类齐全、具有相当实力的工业生产体系,创造的经济总量已经上升到整个装备制造业的 65%以上。经过 30 多年来的不断发展,通过国内自主研制和对国外新技术的引进和吸收,我国机械工业的技术水平有了较大提升,有些新技术和新产品已经能够达到或接近世界先进水平,行业发展速度大大高于制造业和 GDP 的增长速度。然而,在肯定我国机械工业辉煌成就的同时,要对世界全局和机械工业的地位,有客观科学的判断,事实上,我国机械加工行业仍然存在诸多问题,其中主要问题之一便是该行业中所存在的技术“黑洞”,最明显的表现是产业所需的关键技术过度依赖其他国家。据统计,近几年我国每年全社会上万亿元的固定资产投资中,引进设备投资超过 60%。作为提升产业水平和推动经济发展重要动力的国家高新技术产业开发区,也有 57%的技术来自于引进。据我国机械工业联合会对我国机械行业经济运行、企业发展和技术发展的相关统计,目前我国新产品贡献率为为5.9%,而工业发达国家以达到 52%,相差悬殊。我国的机械工业核心技术的发展水平与一些工业发达国家相比还有许多不足,特别是具有独立自主知识产权的产品较少,国内有效专利中发明专利数量仅占为 13.8%,多数仍是实用新型和外观设计专利。技术问题已成为制约我国机械工业发展的重大障碍,因此,推动相关领域科学技术的发展,研发具有国际竞争力的自主创新产品对我国的经济发展和现代化建设具有重大意义,刻不容缓[1-2]。
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1.2 双轴联动系统控制策略研究现状
由于双轴联动系统在工业生产中应用广泛,国内外的学者对这一系统的控制进行了相关研究。研究内容主要包括双轴系统的控制结构和控制策略。当前双轴联动系统普遍采用的是电气同步方式,其具有控制灵活,性能较高,无需额外设备投资的优点,主要包括非耦合控制,交叉耦合控制两种结构。图 1-1(a)所示的并联结构是一种最简单最基本的双轴同步控制系统,在这一控制系统中,X 轴和 Y 轴系统的输入信号各自单独给定,两轴独立运行,各自跟踪给定的位置信号。并联结构的优点在于控制方式简单,结构灵活,不同的轴可不受实际距离或位置的限制,可在一定条件下的满足基本的同步要求;同时,各轴的运行状态仅受参考信号以及本轴工况的影响,不会受到另一轴运行状态的影响,所以任一轴的扰动不会传动到另一轴。而并联结构的缺点是由于双轴之间不存在耦合,双轴之间的同步性能只能依赖于单轴控制精度。如果一轴因为扰动等因素出现了跟踪误差,双轴系统就会产生同步误差,而这一误差只能依靠单轴控制器的调节来使其减小,此时双轴之间的同步误差调节时间较长,同步性能并不十分理想,难以满足更高精度控制场合的要求。 
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第二章  双轴系统建模与传统控制策略 
 
首先提出双轴系统中同步误差与跟踪误差的概念,定义二者的数学模型,用一个变换矩阵描述两者之间的关系。然后介绍带有直接前馈控制器的单轴系统以及并行驱动的双轴非耦合控制系统,并建立它们的数学模型。将交叉耦合控制的原理与基本结构与非耦合系统模型相结合,提出同步误差传递函数的概念。然后基于这一传递函数建立一个同步误差转换系统,用劳斯赫尔维茨稳定判据和拉普拉斯终值定理对交叉耦合控制系统进行性能分析,推导双轴系统中的不稳定因素,研究双轴系统同步精度与稳定性难以兼顾的根本原因。最后,对非耦合控制与交叉耦合控制策略分别进行了仿真,对性能分析的结果进行验证,为后续的研究提供依据。 
 
2.1 双轴同步误差模型 
在双轴系统进行位置控制时,X 轴和 Y 轴电机系统的输出为两台电机转子位置角度,两台电机通过十字滑台或其他机械部件相连,将转子位置角度转换为 X 轴和 Y 轴的位移,通过双轴之间的联动,实现对目标的控制,使其能够准确跟踪给定的二维位置轨迹。 
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2.2 双轴非耦合控制策略
为保证对位置信号的跟踪,传统电机伺服系统通常采用三环控制结构,从内层到外层依次为电流环,转速环和位置环。以 X 轴为例,图 2-2 为带前馈控制器的位置控制系统结构图。图中阴影部分为双闭环电机调速系统,包括转速环,电流环和电机本体,分别为调速系统的输入和输出转速信号。考虑到电流环响应速度较快,与转速环和位置环相比动态过程短暂,由于电流控制器的作用,伺服系统的电流响应时间远小于位置响应时间,这种现象在 XY 双轴平台尤其明显,所以图中电流环近似用传递函数为 1 的环节来表示。转速环控制器 Gv(s)用来实现速度的精确跟踪以及提升抗扰性,通常结构上采用 PI 控制。位置环控制器 Gp(s)用以保证位置跟随性能,由于伺服系统对位置超调限制较为严格,通常 Gp(s)采用 P 控制。而在实际应用中为使位置输出能够无静差的跟踪斜坡输入,常会在转速环控制器之前加入直接前馈环节,即图 2-2 中的F(s),通常其为微分环节[68-69]。稳态输出存在静差,即位置控制系统仅依靠三环结构难以实现对高阶位置信号的准确跟踪,而通常要求位置控制系统的位置环控制器能够保证系统对斜坡指令的跟踪精度,为解决这一问题,实际应用中通常会在转速参考信号中引入直接前馈控制器。
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第三章  双轴鲁棒自适应交叉耦合控制策略 .... 26 
3.1 基于 Narendra 自适应方案的交叉耦合控制系统 .... 26
3.1.1 自适应控制系统结构 ............ 26 
3.1.2 参数自适应律推导 ....... 30 
3.1.3 控制系统设计流程与约束 ............ 32 
3.2 新型参数自适应律设计 .......... 34 
3.3 稳定性分析与证明 ......... 36 
3.4 仿真结果分析 ......... 41 
第四章  双轴系统控制策略实验与分析 .... 47 
4.1 实验系统设计与实现 ..... 47 
4.1.1 硬件系统设计 ...... 47 
4.1.2 软件系统设计 ...... 49 
4.2 实验结果与分析 ..... 50 
4.3本章小结 ........ 56 
第五章 总结与展望 .......... 57 
 
第四章  双轴系统控制策略实验与分析 
 
根据双轴联动系统的工作原理及其控制策略,搭建了双轴实验系统平台。本章首先对实验系统的硬件结构和软件编程部分进行了简要介绍,然后在所建立的实验系统平台上,分别对对传统 CCC 策略和本文所提出的 RACCC 策略进行了实验并对实验结果进行了分析;然后对不同参考模型下,所提出的控制策略进行了实验,分析了参考模型对其性能的影响,给出了参数设计的原则。实验结果证明了本文搭建的实验系统的可行性以及所提 RACCC 策略的性能以及有效性。
 
4.1 实验系统设计与实现 
双轴系统实验平台及其硬件结构图分别如图 4-1 和图 4-2 所示。实验平台由两台永磁同步电机驱动 X 轴和 Y 轴机械臂,模拟机器人手臂的平面运动,对应生产工况为自动化流水生产线机械手零件摆放,其中大小齿轮传动比为 5:1,单只机械臂臂长 50mm。实验平台驱动装置主要包括功率电路和控制电路两部分,功率电路主要包括三相不控整流电路,智能功率模块及其驱动电路,电源模块等;控制电路主要为 DSP 芯片及其外围电路以及采样、信号调理、硬件保护、光耦隔离、DA 转换等电路。控制系统的主控芯片为 TI 公司生产的 DSP 芯片,型 号为 TMS320F28335 ,其开关频率为 5k Hz, 控制 系统 采 样周期 为200μs。 双轴控制系统实验平台的主控芯片是整个驱动装置的核心,美国 TI 公司生产的 TMS320F28335 是一种电机控制专用 DSP 芯片,与其它型号的 DSP 相比,该器件的控制精度更高,功率损耗小,运行效率高,所集成的外设更齐全,数据存储空间大,模数转换速度更快。  
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总结
 
双轴联动控制系统在各类精密机械加工、纺织及轧钢等机电一体化设备中应用广泛。随着科技的发展,对机械加工产品的质量要求不断提高,随之对双轴联动系统的控制性能也有了更高的要求。在实际工业生产中,两轴负载不平衡、机械装配误差以及随机干扰会使双轴系统产生同步误差,从而影响产品的加工质量,甚至导致设备因过流而损坏。所以应用先进控制理论和方法,开发性能更为优秀的双轴同步控制策略具有普遍的现实意义和广阔的应用前景。 本文对双轴联动系统的位置同步控制相关问题进行了分析和研究,主要内容总结如下: 
(1)  定义了双轴系统中同步误差与跟踪误差的概念,用一个变换矩阵描述两者之间的关系。对带有直接前馈控制器的单轴系统以及并行驱动的双轴非耦合控制系统进行建模,分析了二者的性能。推导了传统交叉耦合控制的数学模型,对这一模型进行变换,结合非耦合控制系统的模型,提出了同步误差传递函数的概念。基于这一传递函数,建立了一个同步误差转换系统,分析推导双轴系统中的不稳定因素,然后用这一系统对交叉耦合控制系统进行性能分析,推导了双轴系统中的不稳定因素,研究了双轴系统同步精度与稳定性难以兼顾的根本原因,为后续的研究工作提供了理论依据。 
(2)  根据 Narendra 自适应控制理论,建立了单轴鲁棒自适应转速控制系统,采用 Lyapunov 方法详细推导了参数自适应律,并列出了自适应调速系统的设计流程与约束。针对这一方案中所固有的问题,即应用于实际系统时会因建模误差和外界扰动等因素而使得系统不稳定,提出了一种基于同步误差的具有强鲁棒性的参数自适应律。分析了双轴鲁棒自适应交叉耦合控制系统的有界输入有界输出稳定,采用 Lyapunov 定理证明了单轴控制系统的稳定性。 
(3) 搭建了双轴联动系统实验平台,并对所提出的 RACCC 策略进行实验验证。对双轴联动系统实验平台的硬件电路和软件编程进行了介绍;在搭建的实验平台上分别对传统 CCC 策略和 RACCC 策略进行了实验,并给出了实验结果及其分析,验证了本文所提出的控制策略的有效性;随后在不同参考模型下对所提出控制策略进行实验,通过实验结果的对比,分析了参考模型对控制策略的影响并给出了最合理的参数值。 
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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