神经网络技术在印染配色中的应用研究

发布时间：2016-08-06 07:06

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义
受益于我国制造业产业升级的不断推进，我国伺服系统产业出现巨大的市场。随着数控机床、包装机械、电子专用设备等行业继续保持较好发展以及伺服技术的日益成熟，新兴行业如新能源行业中的风电产业伺服技术的应用也使得我国伺服市场快速发展。2011 年，我国交流伺服系统市场同比增长 16.3%，市场规模达到 45.5 亿元，并且仍保持着每年 20%左右的增长速度，预计至 2015 年我国伺服系统行业市场规模有望突破 110 亿元。近年来我国本土伺服企业得到较快的发展，但是目前我国伺服市场 80%左右的市场份额仍然被国外品牌占领着。在目前主流产品交流伺服系统市场中，日系品牌占据了高达 43%的市场份额，，其产品特点具有良好的性能价格比和较高的可靠性。欧美品牌在高端设备和生产线上有比较有竞争力，产品特点是技术先进、功能齐全，市场占有率在 30%左右。另外，以东元和台达为代表的台系伺服也占据了较高的市场份额，其产品主打性价比优势[1]。国产伺服起步较晚，目前在产品性能上与国际先进水平存在着一定的差距，随着伺服系统的市场需求扩张，极需提升国产伺服系统性能以提升国产伺服的竞争力。直线伺服系统是直接驱动进给的伺服系统，在工业机器人、数控机床以及各种需要直线运动的机械装置中都有较广泛的应用。在以数控机床为代表的直线伺服系统应用中，由于运动行程较短，要求瞬间达到高速状态并且在达到给定位置时瞬间准确停止以保证加工的精度，这就要求直线伺服系统具有高刚度、宽的调整范围、高的动态特性以及定位精确等优点[2]。在影响伺服系统性能的诸多因素中，系统刚度不足会造成运动过程中由于位置突变所导致的谐振现象。在直线伺服系统中，控制系统以及机械柔顺性所导致的系统刚度不足制约着系统性能的提升，为了减小系统刚度不足造成的谐振现象对系统性能的影响，一方面可以通过采用更高性能的直线电机以增加系统刚度，另一方面通过设计合理的控制系统来补偿系统位置偏差。因此，需要针对伺服系统谐振进行分析和抑制研究以提升伺服系统的性能。
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1.2 国内外研究现状和发展趋势
上世纪 80 年代以来，国外的一些大公司，如美国的 AE 公司、德国的西门子、伦茨以及日本的松下、发那科和安川等公司对伺服系统进行了深入的研究，将纳米插补产生的纳米级的指令发送给伺服控制器，可使伺服控制器的位置指令更加平滑，从而提高了加工的表面平滑度。西门子将 80bit 浮点计算技术应用到 828D 与 840D sl，使插补达到很高的轮廓控制精度以获取很好的工件精度[3]。人工智能技术的发展也提升了伺服系统的智能化程度，采用某些智能算法将自适应控制技术应用到伺服系统能够检测到过程中的一些重要信息，根据检测到的信息自动调整系统相关参数，以改善系统运行状态。如采用先进控制技术的伺服系统能自动识别由于切削力导致的振动，从而产生反向力来消除振动。应用主轴振动控制技术的伺服系统，在主轴嵌入位移传感器，可以自动识别当前的切削状态并且自动调整切削参数，以保证系统运行的稳定性[4]。国外对伺服系统的控制研究起步较早，目前已经有较高的技术水平。针对伺服系统的谐振问题，很多学者也做了大量的研究工作，提出了诸多抑制方案并且取得了较好的效果。发那科公司的 Sogabe M 等人基于陷波滤波器技术将一种带有可变阻尼以及多重频率的滤波器技术用于直线电机直接驱动系统的谐振抑制中，针对直线电机直接驱动系统在高频段存在的多阶振动模态的抑制取得了很好的效果[5]。韩国首尔国立大学的 Bahn Wook 等人采用自适应陷波滤波器法抑制伺服系统谐振有效的抑制了谐振，一种在线频率估算法被用于估算谐振频率以自整定陷波滤波器参数[6]。日本山口大学的 Yoshitsugu.J 等人提出了在带有PI 补偿控制的速度控制环的基础上引入负载速度观测器，利用负载速度反馈补偿来抑制速度伺服系统的机械谐振和反谐振。基于模糊推理的方法实现控制增益参数的自动调整，通过设置系统最优控制增益能抑制谐振和反谐振以提升控制性能 [7]。
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第二章 永磁同步直线电机基本原理及数学模型

2.1 永磁同步直线电机原理分析
直线电机的工作原理基于电机学基本原理，在直线电机的三相绕组中通入三相对称电流会产生气隙磁场，忽略纵向边端效应时气隙磁场沿直线方向正弦分布，在三相变化电流的作用下气隙磁场按 A、B、C 相序平移，因此称气隙磁场为行波磁场，如图 2.4 所示[22-24]。直线电机的直线运动是由行波磁场切割产生的次级电流在与气隙磁场的相互作用下生成的作用于次级的电磁推力来驱动的。根据这一原理，通过对换直线电机任意两相的电源线后会产生反向磁场，在反向磁场的作用下会产生反向的电磁推力，因此实现了直线电机的往复运动。为了解决交流电机的转矩控制问题，上世纪 70 年代西门子工程师 F.Blaschke提出了矢量控制理论。矢量控制的基本思路是：通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来对电机进行控制[25]。矢量控制包括间接型矢量变换控制和直接型矢量变换控制，两者都是基于把三相电流等效变换成励磁电流分量和转矩电流分量的坐标变换技术来有效控制瞬间转矩。永磁同步直线电机存在两种坐标系，一种是相对我们静止的两相初级坐标系(α-β坐标系)，它的方向和三相初级电压构成的三相初级坐标系(a，b，c 坐标系)的位置相对固定。另一种是固定在次级上的两相次级坐标系(d-q 坐标系)[26]。如示意图 2.5 所示。
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2.2 永磁同步直线电机数学模型

在直线伺服系统中，系统控制策略的实现依赖于系统的数学模型，系统数学模型的精确度直接影响系统的控制性能。在不考虑磁路饱和，忽略端部效应，并且气隙中的磁场在空间上按正弦分布的情况下，建立永磁同步直线电机的数学模型。本章首先通过对比旋转电机的基本结构介绍了直线电机的基本结构。其次，分析了永磁同步直线电机的工作原理和矢量控制技术。最后，建立起了永磁同步直线电机的初级电压方程、电磁推力方程、机械运动方程。

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第三章 直线伺服控制系统......11
3.1 直线伺服控制系统设计......11
3.1.1 电流环调节器设计....... 12
3.1.2 位置环调节器设计.......12
3.2 直线伺服控制系统调试......13
3.3 本章小结............14
第四章 直线伺服系统谐振原理研究........15
4.1 直线伺服系统机械谐振研究.......15
4.1.1 直线伺服系统机械谐振方程......... 15
4.1.2 直线伺服系统机械谐振实验分析.......... 17
4.2 直线伺服系统伺服动刚度研究............19
4.3 本章小结............27
第五章 直线伺服系统谐振抑制研究........28
5.1 直线伺服系统机械共振抑制研究........28
5.1.1 陷波滤波器抑振原理............ 28
5.1.2 陷波滤波器抑制机械共振实验..... 30
5.2 直线伺服系统负载质量引起的谐振抑制研究......32
5.2.1 积分谐振抑制法抑振原理.... 32
5.2.2 负载质量引起的谐振抑制实验..... 34
5.2.3 IRC 在线抑制谐振方案设计..........37
5.3 本章小结............37

第五章 直线伺服系统谐振抑制研究

直线伺服系统的谐振现象直接影响了系统性能，针对谐振的产生设计合理的抑制方案是控制系统设计时必需考虑的部分。本章谐振抑制的研究将采用陷波滤波器抑制机械共振，积分谐振抑制(IRC)法抑制负载质量引起的谐振，结合理论分析、仿真实验和实际平台测试来评价谐振抑制效果，以为控制方案的优化设计和工程应用提供参考。

5.1 直线伺服系统机械共振抑制研究
陷波滤波器主要用于消除某个特定频率的干扰，其阻带在理想情况下只有一个频率点。陷波器抑制谐振属于被动抑制方式，设计时只需要将其串联到系统中，不用改变系统控制参数[38-40]。对于陷波滤波器的参数设计，可以通过在建立谐振模型的基础上来实现。谐振峰值可以通过引入陷波滤波器零点来抵消谐振方程极点的作用，根据谐振模型极点可估计出陷波滤波器零点参数N? 和z?，陷波滤波器的幅值衰减深度由谐振峰值来估计，陷波频率点的幅值衰减为式 5-2 所示。陷波深度参数p?根据实际情况设置，在z?确定的情况下，陷波滤波器的陷波幅宽和衰减深度由陷波深度参数p?决定。在实际应用中，由于在谐振频率附近系统的振幅较高，陷波滤波器需要保证一定的幅宽来降低振幅[41-43]。
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总结

随着工业自动化的发展，伺服系统的应用变得越来越广泛，这也促进了伺服系统产品的不断发展。谐振是影响伺服系统性能的一个重要因素，谐振的抑制也成为伺服系统设计时必需考虑的方面。针对直线伺服系统，一方面机械刚度的不足会造成机械谐振；另一方面，控制参数和负载质量决定着系统伺服动刚度，伺服动刚度的不足也会造成系统谐振。机械谐振是由于机械导板和结合面等柔性因素导致的，短期内在机械特性不变化的情况下机械谐振基本不变，陷波滤波器是一种常用的抑制谐振的方法，通过设置合理的滤波器参数可有效抑制谐振。本文在详细阐述陷波滤波器基本原理和数学模型后，将陷波滤波器用于机械谐振的抑制，通过计算机仿真实验和实际平台实验的结果表明，陷波滤波器对于抑制机械谐振具有较好的效果。伺服动刚度作为影响谐振的一个主要因素，通过推导出的伺服动刚度数学模型表明，伺服动刚度与控制系统参数以及负载质量有直接的关系，同时仿真实验表明了控制参数和负载质量各自对伺服动刚度的影响。积分谐振抑制方法是一种反馈控制方法，本文根据控制结构分析其基本原理，并且推导出其数学模型后，将积分谐振抑制方法用于负载质量引起的系统谐振抑制，仿真实验和平台实验结果表明，积分谐振抑制方法具有结构简单、实现方便的特点，并且对于谐振抑制有很好的效果。本文的创新点主要包含以下几方面：针对直线伺服系统结合机械因素和伺服动刚度分析对谐振的影响；通过仿真推出控制参数以及负载质量与伺服动刚度的关系；将较新颖的积分谐振抑制方法用于抑制负载质量引起的谐振，并且提出了针对积分谐振抑制方法的在线抑制方案。
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参考文献(略)

本文编号：86176