压电驱动式FTS的跟踪控制策略研究
发布时间：2021-06-23 20:34
精密微结构功能表面的金刚石超精密加工技术是近年来国内外兴起的一项新技术,被广泛应用于工业制造、航空航天等领域。这项技术在国内兴起时间较短,而且加工设备的落后极大的限制了高精度的微结构表面光学元件的加工,因此,当今超精密加工领域中一项重要的任务就是开发复杂微结构表面的加工技术。快刀伺服系统（Fast Tool Servo,FTS）是用于加工精密微结构表面的高效、高精度、低成本的加工技术,使机床具有良好的高频响应性能及跟踪精度。本文研究以压电陶瓷作为快速刀具伺服系统的驱动执行机构,进行高频响周期性输入信号下控制策略的研究。具体研究工作如下:首先,查阅了大量国内外关于压电驱动式FTS的文献,学习了压电驱动式FTS的工作原理和FTS的控制算法,在此基础上构建压电驱动式FTS的数学模型。其次,由于压电驱动式快刀伺服系统存在压电陶瓷材料磁滞和蠕变特性,难以建立精确的数学模型,并考虑到实际加工中存在参数变化等问题,采用内模控制方法。内模控制方法实用且结构简单、不需要精确的数学模型,在线调节参数少,特别是对于抗干扰性能的改善,效果尤为显著。由于压电陶瓷元件磁滞和蠕变特性,难以建立精确的数学模型,但在周...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
北卡罗纳州立大学已安装压电陶瓷型FTSFig.1.4NorthCarolinaStateUniversityhasinstalledpiezoceramicFTS
沈阳工业大学硕士学位论文263.3仿真结果及分析利用第二章的数学模型，按照本章采用控制原理搭建MATLAB/Simulink仿真模块，调试值仿真参数并添加模拟干扰，经调试到最佳状态后，仿真结果如下，由于压电式FTS输入信号一般为周期性信号，所以本文采用输入给定信号分别采用行程为50μm、90μm，仿真输入频率为分别300Hz、500Hz、1000Hz。首先，为了说明内模控制方法跟踪性能比较好，而且在线调节参数比较少，在此给出了参考输入正弦信号在没有加入任何干扰时内模控制的位置跟踪响应曲线。然而，在实际应用中可能因为外界干扰，使系统出现重复性与非重复性扰动，对此在内模控制的基础上加入间接迭代学习控制方法，对此进行对比仿真得出下图：IMC控制参数设置：6108=43821215164832491426.914103.965109.65106.634103.318100.55325805ssssQssss++++=+++IMCILC控制参数设置：采用PD型迭代学习控制P=0.5、D=0.01；迭代次数15。（1）行程50μm1）频率响应300Hz当输入给定信号行程50μm，频率响应300Hz的周期正弦信号时，图3.6和3.7分别为内模控制和带有迭代学习的内模控制跟踪曲线，对比两图可以看出，两种方法跟踪性能都比较好图3.6IMC正弦波响应曲线Fig.3.6IMCsinewaveresponsecurve图3.7IMCILC正弦波响应曲线Fig.3.7IMCILCsinewaveresponsecurve图3.8是各次跟踪误差的均方根可以看出，迭代学习方法在迭代5次后就趋于稳定，迭代15次误差稳定收敛，为了更直观看出IMCILC的优势，给出两者稳态误差对比图如图3.9，此仿真图为无扰动时稳态误差，IMC的稳态误差为±1.695×10-8m，IMCILC稳态误差为±1.129×10-8m，可得出IMCILC比IMC控制精度高。
沈阳工业大学硕士学位论文263.3仿真结果及分析利用第二章的数学模型，按照本章采用控制原理搭建MATLAB/Simulink仿真模块，调试值仿真参数并添加模拟干扰，经调试到最佳状态后，仿真结果如下，由于压电式FTS输入信号一般为周期性信号，所以本文采用输入给定信号分别采用行程为50μm、90μm，仿真输入频率为分别300Hz、500Hz、1000Hz。首先，为了说明内模控制方法跟踪性能比较好，而且在线调节参数比较少，在此给出了参考输入正弦信号在没有加入任何干扰时内模控制的位置跟踪响应曲线。然而，在实际应用中可能因为外界干扰，使系统出现重复性与非重复性扰动，对此在内模控制的基础上加入间接迭代学习控制方法，对此进行对比仿真得出下图：IMC控制参数设置：6108=43821215164832491426.914103.965109.65106.634103.318100.55325805ssssQssss++++=+++IMCILC控制参数设置：采用PD型迭代学习控制P=0.5、D=0.01；迭代次数15。（1）行程50μm1）频率响应300Hz当输入给定信号行程50μm，频率响应300Hz的周期正弦信号时，图3.6和3.7分别为内模控制和带有迭代学习的内模控制跟踪曲线，对比两图可以看出，两种方法跟踪性能都比较好图3.6IMC正弦波响应曲线Fig.3.6IMCsinewaveresponsecurve图3.7IMCILC正弦波响应曲线Fig.3.7IMCILCsinewaveresponsecurve图3.8是各次跟踪误差的均方根可以看出，迭代学习方法在迭代5次后就趋于稳定，迭代15次误差稳定收敛，为了更直观看出IMCILC的优势，给出两者稳态误差对比图如图3.9，此仿真图为无扰动时稳态误差，IMC的稳态误差为±1.695×10-8m，IMCILC稳态误差为±1.129×10-8m，可得出IMCILC比IMC控制精度高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电陶瓷驱动器建模与控制技术的研究[J]. 于保军,司苏美,林洁琼,靖贤. 机械设计与制造. 2019(03)
[2]超磁致伸缩驱动微定位平台的动态特性[J]. 徐彬,王传礼,喻曹丰,杨林建,姜志. 科学技术与工程. 2018(34)
[3]基于经验模态分解算法的直驱XY平台交叉耦合迭代学习控制[J]. 王丽梅,孙璐. 中国电机工程学报. 2016(17)
[4]基于高阶内模的鲁棒迭代学习算法[J]. 刘保彬,周伟. 控制工程. 2016(02)
[5]压电陶瓷执行器的动态迟滞建模与零相差前馈补偿控制[J]. 唐强,吉方,陈东生,刘广民,张连新. 组合机床与自动化加工技术. 2015(09)
[6]快速刀具伺服系统自抗扰控制的研究与实践[J]. 吴丹,赵彤,陈恳. 控制理论与应用. 2013(12)
[7]数控机床永磁直线电动机磁悬浮运行机制研究[J]. 蓝益鹏,张振兴. 机床与液压. 2012(09)
[8]基于快速伺服刀架技术的菲涅尔微结构金刚石超精密加工及其控制技术[J]. 赵清亮,王义龙,于光,谢大纲,杨元华,卢猛. 机械工程学报. 2010(09)
[9]基于零相位误差跟踪的直线伺服系统重复控制[J]. 孙宜标,闫峰,刘春芳,翟慧萍. 制造技术与机床. 2010(04)
[10]快速刀具伺服机构研究进展[J]. 吴丹,谢晓丹,王先逵. 中国机械工程. 2008(11)
博士论文
[1]基于FTS的微结构表面超精密车削控制系统及实验研究[D]. 王晓慧.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]麦克斯韦快刀伺服系统预测滑模控制[D]. 郑洪丽.沈阳工业大学 2019
[2]洛伦兹力型快速刀具伺服系统跟踪控制研究[D]. 徐燕.沈阳工业大学 2019
[3]基于音圈电机的快刀伺服系统的建模与控制性能研究[D]. 李月.哈尔滨工业大学 2019
[4]压电陶瓷驱动的大行程快刀伺服系统关键技术研究[D]. 刘艺.哈尔滨工业大学 2019
[5]基于滑模的无铁心永磁直线同步电机高精密位移跟踪控制[D]. 仲原.沈阳工业大学 2018
[6]直线电机驱动快速刀具伺服系统的鲁棒跟踪控制[D]. 李岩.沈阳工业大学 2018
[7]大行程高频响快速刀具伺服系统的研究[D]. 宋凯琪.哈尔滨工业大学 2017
[8]高精度微进给快速刀具伺服系统控制算法研究[D]. 张戟.沈阳工业大学 2017
[9]基于直线电机的FTS自适应滑模控制[D]. 刘志.沈阳工业大学 2017
[10]压电驱动型宏微结合精密定位运动平台的研究[D]. 刘晖.吉林大学 2016
本文编号：3245611
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
北卡罗纳州立大学已安装压电陶瓷型FTSFig.1.4NorthCarolinaStateUniversityhasinstalledpiezoceramicFTS
沈阳工业大学硕士学位论文263.3仿真结果及分析利用第二章的数学模型，按照本章采用控制原理搭建MATLAB/Simulink仿真模块，调试值仿真参数并添加模拟干扰，经调试到最佳状态后，仿真结果如下，由于压电式FTS输入信号一般为周期性信号，所以本文采用输入给定信号分别采用行程为50μm、90μm，仿真输入频率为分别300Hz、500Hz、1000Hz。首先，为了说明内模控制方法跟踪性能比较好，而且在线调节参数比较少，在此给出了参考输入正弦信号在没有加入任何干扰时内模控制的位置跟踪响应曲线。然而，在实际应用中可能因为外界干扰，使系统出现重复性与非重复性扰动，对此在内模控制的基础上加入间接迭代学习控制方法，对此进行对比仿真得出下图：IMC控制参数设置：6108=43821215164832491426.914103.965109.65106.634103.318100.55325805ssssQssss++++=+++IMCILC控制参数设置：采用PD型迭代学习控制P=0.5、D=0.01；迭代次数15。（1）行程50μm1）频率响应300Hz当输入给定信号行程50μm，频率响应300Hz的周期正弦信号时，图3.6和3.7分别为内模控制和带有迭代学习的内模控制跟踪曲线，对比两图可以看出，两种方法跟踪性能都比较好图3.6IMC正弦波响应曲线Fig.3.6IMCsinewaveresponsecurve图3.7IMCILC正弦波响应曲线Fig.3.7IMCILCsinewaveresponsecurve图3.8是各次跟踪误差的均方根可以看出，迭代学习方法在迭代5次后就趋于稳定，迭代15次误差稳定收敛，为了更直观看出IMCILC的优势，给出两者稳态误差对比图如图3.9，此仿真图为无扰动时稳态误差，IMC的稳态误差为±1.695×10-8m，IMCILC稳态误差为±1.129×10-8m，可得出IMCILC比IMC控制精度高。
沈阳工业大学硕士学位论文263.3仿真结果及分析利用第二章的数学模型，按照本章采用控制原理搭建MATLAB/Simulink仿真模块，调试值仿真参数并添加模拟干扰，经调试到最佳状态后，仿真结果如下，由于压电式FTS输入信号一般为周期性信号，所以本文采用输入给定信号分别采用行程为50μm、90μm，仿真输入频率为分别300Hz、500Hz、1000Hz。首先，为了说明内模控制方法跟踪性能比较好，而且在线调节参数比较少，在此给出了参考输入正弦信号在没有加入任何干扰时内模控制的位置跟踪响应曲线。然而，在实际应用中可能因为外界干扰，使系统出现重复性与非重复性扰动，对此在内模控制的基础上加入间接迭代学习控制方法，对此进行对比仿真得出下图：IMC控制参数设置：6108=43821215164832491426.914103.965109.65106.634103.318100.55325805ssssQssss++++=+++IMCILC控制参数设置：采用PD型迭代学习控制P=0.5、D=0.01；迭代次数15。（1）行程50μm1）频率响应300Hz当输入给定信号行程50μm，频率响应300Hz的周期正弦信号时，图3.6和3.7分别为内模控制和带有迭代学习的内模控制跟踪曲线，对比两图可以看出，两种方法跟踪性能都比较好图3.6IMC正弦波响应曲线Fig.3.6IMCsinewaveresponsecurve图3.7IMCILC正弦波响应曲线Fig.3.7IMCILCsinewaveresponsecurve图3.8是各次跟踪误差的均方根可以看出，迭代学习方法在迭代5次后就趋于稳定，迭代15次误差稳定收敛，为了更直观看出IMCILC的优势，给出两者稳态误差对比图如图3.9，此仿真图为无扰动时稳态误差，IMC的稳态误差为±1.695×10-8m，IMCILC稳态误差为±1.129×10-8m，可得出IMCILC比IMC控制精度高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电陶瓷驱动器建模与控制技术的研究[J]. 于保军,司苏美,林洁琼,靖贤. 机械设计与制造. 2019(03)
[2]超磁致伸缩驱动微定位平台的动态特性[J]. 徐彬,王传礼,喻曹丰,杨林建,姜志. 科学技术与工程. 2018(34)
[3]基于经验模态分解算法的直驱XY平台交叉耦合迭代学习控制[J]. 王丽梅,孙璐. 中国电机工程学报. 2016(17)
[4]基于高阶内模的鲁棒迭代学习算法[J]. 刘保彬,周伟. 控制工程. 2016(02)
[5]压电陶瓷执行器的动态迟滞建模与零相差前馈补偿控制[J]. 唐强,吉方,陈东生,刘广民,张连新. 组合机床与自动化加工技术. 2015(09)
[6]快速刀具伺服系统自抗扰控制的研究与实践[J]. 吴丹,赵彤,陈恳. 控制理论与应用. 2013(12)
[7]数控机床永磁直线电动机磁悬浮运行机制研究[J]. 蓝益鹏,张振兴. 机床与液压. 2012(09)
[8]基于快速伺服刀架技术的菲涅尔微结构金刚石超精密加工及其控制技术[J]. 赵清亮,王义龙,于光,谢大纲,杨元华,卢猛. 机械工程学报. 2010(09)
[9]基于零相位误差跟踪的直线伺服系统重复控制[J]. 孙宜标,闫峰,刘春芳,翟慧萍. 制造技术与机床. 2010(04)
[10]快速刀具伺服机构研究进展[J]. 吴丹,谢晓丹,王先逵. 中国机械工程. 2008(11)
博士论文
[1]基于FTS的微结构表面超精密车削控制系统及实验研究[D]. 王晓慧.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]麦克斯韦快刀伺服系统预测滑模控制[D]. 郑洪丽.沈阳工业大学 2019
[2]洛伦兹力型快速刀具伺服系统跟踪控制研究[D]. 徐燕.沈阳工业大学 2019
[3]基于音圈电机的快刀伺服系统的建模与控制性能研究[D]. 李月.哈尔滨工业大学 2019
[4]压电陶瓷驱动的大行程快刀伺服系统关键技术研究[D]. 刘艺.哈尔滨工业大学 2019
[5]基于滑模的无铁心永磁直线同步电机高精密位移跟踪控制[D]. 仲原.沈阳工业大学 2018
[6]直线电机驱动快速刀具伺服系统的鲁棒跟踪控制[D]. 李岩.沈阳工业大学 2018
[7]大行程高频响快速刀具伺服系统的研究[D]. 宋凯琪.哈尔滨工业大学 2017
[8]高精度微进给快速刀具伺服系统控制算法研究[D]. 张戟.沈阳工业大学 2017
[9]基于直线电机的FTS自适应滑模控制[D]. 刘志.沈阳工业大学 2017
[10]压电驱动型宏微结合精密定位运动平台的研究[D]. 刘晖.吉林大学 2016
本文编号：3245611
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