基于非線性和柔性特性分析及補(bǔ)償?shù)闹本€電機(jī)精密運(yùn)動(dòng)控制.pdf

1、現(xiàn)代的機(jī)電系統(tǒng)，例如先進(jìn)機(jī)床、微電子和半導(dǎo)體制造裝備、光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)和芯片傳輸系統(tǒng)，通常需要高速高精度的直線運(yùn)動(dòng)。而直接驅(qū)動(dòng)的直線電機(jī)系統(tǒng)消除了中間機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來的一系列問題，例如齒隙、大摩擦力和慣性負(fù)載、結(jié)構(gòu)的柔性，故而有潛力達(dá)到更高的速度和精度。但是為了實(shí)現(xiàn)高速高精度運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，我們必須考慮直線電機(jī)系統(tǒng)存在的幾個(gè)控制難點(diǎn):明顯的模型不確定、參數(shù)不確定和外干擾，各種非線性動(dòng)力學(xué)，高頻柔性動(dòng)力學(xué)。本論文就是以直線電機(jī)的非線性和高頻柔性作

2、為兩大研究重點(diǎn)。深入分析了定位力、摩擦力和非線性電磁驅(qū)動(dòng)力三大主要的非線性動(dòng)力學(xué)，對(duì)每一類非線性提出了更精確且又能用于實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制的數(shù)學(xué)模型，并通過時(shí)域辨識(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些模型的有效性和準(zhǔn)確性。將非線性自適應(yīng)魯棒控制技術(shù)和各種非線性的有效補(bǔ)償相結(jié)合，提出各種非線性有效補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制算法，這些控制算法在理論上保證優(yōu)越的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)跟蹤性能，并通過一系列的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些非線性補(bǔ)償對(duì)控制性能的進(jìn)一步提升。另一方面，考慮現(xiàn)今控制器設(shè)計(jì)所忽略

3、的高頻柔性動(dòng)力學(xué)，找出主導(dǎo)高頻動(dòng)力學(xué)的物理機(jī)制并建立可用于控制器分析和設(shè)計(jì)的高頻動(dòng)力學(xué)模型，通過頻域辨識(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其模型的有效性。依據(jù)這些高頻動(dòng)力學(xué)信息，提出控制器參數(shù)選擇的優(yōu)化準(zhǔn)則，在現(xiàn)有的剛性動(dòng)力學(xué)控制器框架下獲得了最優(yōu)的控制性能。為了更進(jìn)一步提升系統(tǒng)的閉環(huán)頻寬，高頻動(dòng)力學(xué)也被引入到控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。首先嘗試了簡單的零極相消技術(shù)，以消減主導(dǎo)柔性模態(tài)的影響。隨后，提出了一種新型的基于μ-synthesis的自適應(yīng)魯棒控制策略。該算法使

4、用自適應(yīng)在線參數(shù)估計(jì)和有效的非線性前饋模型補(bǔ)償，把傳統(tǒng)μ-synthesis魯棒控制難以實(shí)現(xiàn)的精確跟蹤問題轉(zhuǎn)化為鎮(zhèn)定問題。而且利用μ-synthesis反饋控制設(shè)計(jì)可直接考慮高頻動(dòng)力學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出更高閉環(huán)頻寬和更強(qiáng)抗干擾能力的魯棒反饋控制。
　　本論文共分為六章，現(xiàn)分別簡述如下:
　　第一章，詳細(xì)介紹了直線電機(jī)精密運(yùn)動(dòng)控制的研究背景以及研究狀況，歸納出直線電機(jī)高速高精度運(yùn)動(dòng)控制的幾大難題。介紹各種控制方法在直線電機(jī)精密運(yùn)動(dòng)

5、控制中的應(yīng)用。闡述了直線電機(jī)系統(tǒng)存在的定位力、摩擦力和非線性電磁驅(qū)動(dòng)力三大非線性動(dòng)力學(xué)，以及它們的研究現(xiàn)狀。分析了系統(tǒng)高頻柔性動(dòng)力學(xué)對(duì)控制性能的約束，以及現(xiàn)有的建模和辨識(shí)結(jié)果。最后概述了本論文的研究意義及研究內(nèi)容。
　　第二章，簡述了論文研究所使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及其硬件性能參數(shù)。發(fā)展了直線電機(jī)的非線性剛性動(dòng)力學(xué)模型。在原有周期性定位力模型的基礎(chǔ)上，使用B樣條函數(shù)提出了非周期定位力的數(shù)學(xué)模型，兼顧其整體上的周期特性和局部區(qū)間的非周期特性

6、。分析原始LuGre動(dòng)態(tài)摩擦力模型的耗散性問題和數(shù)字控制時(shí)的觀測(cè)器失穩(wěn)問題，提出改進(jìn)型的LuGre動(dòng)態(tài)摩擦力模型。針對(duì)直線電機(jī)電磁驅(qū)動(dòng)力的非線性特性，提出了易于補(bǔ)償控制實(shí)現(xiàn)的三階多項(xiàng)式非線性電磁力模型。所有這些模型在準(zhǔn)確描述非線性動(dòng)力學(xué)特性的同時(shí)，也兼顧到了補(bǔ)償控制器的實(shí)現(xiàn)難度。隨后，對(duì)直線電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域系統(tǒng)辨識(shí)，獲得剛性動(dòng)力學(xué)的各主要參數(shù)，驗(yàn)證各種非線性模型的有效性。
　　第三章，以簡化的直線電機(jī)二階剛性動(dòng)力學(xué)為例，系統(tǒng)地闡述

7、了自適應(yīng)魯棒控制的基本概念和各種變換形式，該控制方法從理論上保證系統(tǒng)在建模誤差下的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，以及只存在參數(shù)不確定時(shí)的漸進(jìn)跟蹤性能。將自適應(yīng)魯棒控制技術(shù)和各種非線性模型補(bǔ)償有機(jī)結(jié)合起來，分別設(shè)計(jì)了非周期定位力補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制算法、改進(jìn)的LuGre動(dòng)態(tài)摩擦力補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制算法、非線性電磁力補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制算法、以及各種非線性綜合補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制算法。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模型補(bǔ)償?shù)挠行院涂刂扑惴ㄋ軐?shí)現(xiàn)的優(yōu)越控制性能。

8、
　　第四章，首次分析了直線電機(jī)高頻動(dòng)力學(xué)的存在因素和物理特性，找出因平臺(tái)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的主導(dǎo)高頻模態(tài)，并建立其數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行頻域系統(tǒng)辨識(shí)，了解剛性動(dòng)力學(xué)的有效頻率范圍和高頻柔性模態(tài)的存在頻段，驗(yàn)證所提的高頻動(dòng)力學(xué)模型的有效性。根據(jù)已知的高頻動(dòng)力學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，討論了高頻動(dòng)力學(xué)、控制器參數(shù)和系統(tǒng)閉環(huán)頻寬之間的關(guān)系，提出了控制器參數(shù)選擇的優(yōu)化準(zhǔn)則，在現(xiàn)有的剛性動(dòng)力學(xué)控制器框架下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制性能。
　　第五章，為了進(jìn)一步提

9、升系統(tǒng)的閉環(huán)頻寬，高頻動(dòng)力學(xué)被引入到控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。首先嘗試了簡單的零極相消技術(shù)，消減主導(dǎo)柔性模態(tài)的影響，故而提高了系統(tǒng)的閉環(huán)頻寬上限。對(duì)于已知的非線性剛性動(dòng)力學(xué)和高頻柔性模態(tài)，打破原有的剛性動(dòng)力學(xué)控制器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提出新型的基于μ-synthesis的自適應(yīng)魯棒控制策略。其自適應(yīng)前饋環(huán)節(jié)可以擁有精確的在線參數(shù)估計(jì)和有效的非線性模型補(bǔ)償，并把軌跡跟蹤問題轉(zhuǎn)化為鎮(zhèn)定問題以便于μ-synthesis魯棒反饋控制器設(shè)計(jì);由于使用高頻動(dòng)力學(xué)作