二维精密气浮运动平台多参数控制与轨迹精度研究

发布时间：2017-09-27 06:38

  本文关键词：二维精密气浮运动平台多参数控制与轨迹精度研究

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【摘要】：精密气浮运动平台是一个复杂的运动学系统,它具有高精度,高速度,高加速度等特点。它采用的两项关键技术：直线驱动技术和静压气浮导轨技术,显著改善了精密运动平台的运动学性能。尽管如此,其运动性能仍然受到驱动系统机电特性、气浮导轨的机械特性、负载扰动的影响。二维精密气浮运动平台为研究数控机床结构和先进的控制技术提供了实验平台。为了改善精密气浮运动平台的运行性能,需要对影响运行性能的因素进行分析。判断气浮运动平台的运行性能标准有很多,其中系统稳定性、轨迹精度是十分重要的研究内容。本文以提高二维精密气浮运动平台的轨迹精度为目标,通过仿真、实验的方法对二维精密气浮运动平台的控制性能与轨迹精度进行研究,主要研究内容如下：1、对二维精密气浮运动平台的结构特性进行了分析,建立两轴(X、Y)直线电机电流环、速度环、位置环三闭环控制模型,建立数学模型,并推导各环开环传递函数。利用Matlab仿真分析系统稳定性,通过频域特性分析,发现其相角裕度γ≥60。,幅值裕度Kg≥lOdB,满足了足够的稳定性储备工程控制要求。2、根据二维精密气浮运动平台的负载情况,仿真分析不同负载和PID参数对阶跃响应特性的影响规律,建立了带速度前馈和加速度前馈的伺服控制系统模型,分析了前馈补偿对伺服系统斜坡响应特性的影响,并设计实验,利用软件PMAC Tuning Pro2、PMAC Plot Pro2,分析在不同负载条件下,前馈增益参数对运动特性的影响规律。3、利用PMAC Tuning Pro2对二维气浮平台X/Y轴的PID参数与前馈增益参数进行整定,获得适合运动平台精密运动的参数范围,为下一步实验测量气浮运动平台轨迹精度做准备。4、运用激光干涉仪进行定位精度测量,对气浮运动平台X轴在不同负载情况下的定位精度及重复定位精度进行研究,验证了速度前馈增益参数和加速度前馈增益参数合理取值范围整定的正确性,分析单轴的定位精度和两轴联合运动的圆弧轨迹精度的关系。最后,利用QC-10球杆仪进行实验,分析速度前馈参数和加速度前馈参数对二维气浮运动平台圆弧轨迹误差的影响,并通过设置合理的前馈增益参数来提高轨迹精度。
【关键词】：二维精密气浮平台 直线驱动系统 负载特性 前馈补偿 轨迹精度
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703;TP273
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 课题研究背景及意义15-16
• 1.2 精密静压气浮运动平台发展状况16-17
• 1.3 高精密直线驱动系统控制技术研究现状17-19
• 1.4 课题来源与主要研究内容19-21
• 1.4.1 本课题来源19
• 1.4.2 本课题主要研究内容19-21
• 第二章 二维精密气浮运动平台直线驱动系统建模与稳定性分析21-34
• 2.1 二维精密气浮运动平台直线驱动系统介绍21-23
• 2.1.1 二维精密气浮运动平台结构组成21-23
• 2.1.2 直线永磁同步电机的基本结构23
• 2.2 直线永磁同步电机控制系统建模23-25
• 2.2.1 直线永磁同步电机数学模型23-25
• 2.2.2 直线永磁同步电机解耦方程25
• 2.3 二维精密气浮运动平台直线驱动控制系统稳定性分析25-32
• 2.3.1 运动平台控制系统介绍26
• 2.3.2 电流环PI控制器分析26-28
• 2.3.3 速度环PI控制器分析28-31
• 2.3.4 位置环PI控制器分析31-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 气浮运动平台负载对控制性能影响的研究34-51
• 3.1 控制系统阶跃响应特性的仿真分析34-38
• 3.1.1 位置环控制参数对阶跃响应特性的影响34-36
• 3.1.2 速度环控制参数对阶跃阶跃响应特性36-38
• 3.2 PID+前馈控制器建模与仿真分析38-40
• 3.2.1 前馈补偿原理及其稳定性分析38-39
• 3.2.2 前馈参数对系统跟随特性影响的影响39-40
• 3.3 气浮运动平台单轴运动特性实验40-42
• 3.3.1 实验调试软件介绍41
• 3.3.2 不同负载气浮运动平台的运动实验方案41-42
• 3.4 气浮运动平台单轴运动特性分析42-49
• 3.4.1 不同负载下前馈增益对跟随特性的影响43-46
• 3.4.2 不同负载下前馈增益对运动速度的影响46-48
• 3.4.3 不同负载下前馈增益对运动加速度的影响48-49
• 3.5 本章小结49-51
• 第四章 二维精密气浮运动平台控制器参数整定51-67
• 4.1 PMAC控制器参数整定系统51-55
• 4.1.1 PMAC变量I51-53
• 4.1.2 PMAC参数调试原理53-54
• 4.1.3 基于PMAC Tuning Pro2的参数调试方法54-55
• 4.2 气浮运动平台参数整定实验方案55-57
• 4.2.1 参数自整定方案55-56
• 4.2.2 参数人机交互式整定方案56-57
• 4.3 气浮运动平台参数整定57-65
• 4.3.1 比例增益参数取值范围确定57-59
• 4.3.2 微分增益参数取值范围确定59-61
• 4.3.3 积分增益参数取值范围确定61-63
• 4.3.4 前馈增益参数取值范围确定63-65
• 4.4 本章小结65-67
• 第五章 二维精密气浮运动平台定位精度和轨迹误差实验研究67-82
• 5.1 气浮运动平台单轴定位精度实验方案67-70
• 5.1.1 定位精度测量平台搭建67-68
• 5.1.2 气浮运动平台定位精度测量方法68-70
• 5.1.3 测量结果评定方法70
• 5.2 多参数作用下单轴运动影响定位精度因素敏感性实验分析70-74
• 5.2.1 负载M对定位精度影响的敏感性分析70-71
• 5.2.2 速度前馈增益对定位精度影响的敏感性分析71-73
• 5.2.3 加速度前馈增益对定位精度影响的敏感性分析73-74
• 5.3 气浮运动平台定位精度误差补偿实验74-77
• 5.3.1 控制参数优化后气浮平台的定位精度74-75
• 5.3.2 误差补偿实验与结果分析75-77
• 5.4 二维气浮运动平台圆弧轨迹精度测量实验77-80
• 5.4.1 两轴联动圆弧轨迹精度实验方案77-78
• 5.4.2 实验方法与实验结果分析78-80
• 5.5 本章小结80-82
• 总结与展望82-85
• 参考文献85-89
• 攻读学位期间发表的论文89-91
• 致谢91

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本文编号：928187