基于变论域模糊PID的数控机床伺服系统研究

摘要

随着电力电子技术、控制理论和微处理技术等相关技术的不断发展,伺服系统的性能不断提高,伺服系统在各个领域都得到了广泛的应用。尽管近些年来,我国在伺服系统的研究方面有了较大的进步,但是和国外先进水平相比还存在着很大的差距。国产伺服系统由于性能不够优异,主要集中在中低端应用场合,高精端场合使用的伺服系统大都是依靠国外进口。所以研究伺服系统的相关技术具有重要意义。
　　本课题主要是针对目前高校缺少伺服系统实验平台及一些伺服实验平台控制程序不透明,难于控制算法二次开发的问题。为了教学和科研方面的需要,本文对伺服系统及其位置环控制器进行了研究与设计,所做的主要工作如下:
　　搭建开放型三轴伺服实验平台。本文在详细介绍了三种伺服系统工作原理的基础上,对实验平台采取了最适当的接线。本实验平台利用机计算机作为上位机;利用基于PCI总线的研华PCI-1711数据采集卡实现数据的实时采集;利用Matlab中的实时数据采集功能模块RTWT、代码自动生成模块RTW及其强大的数据运算功能实现了伺服系统中位置环的实时控制。
　　研究和设计伺服系统位置环的控制算法。在此平台的基础上本文研究了变论域模糊PID控制算法。由于位置伺服系统比较复杂,是一种非线性、时变的系统,传统PID控制不能使系统达到较好的伺服性能。在本课题中主要是通过在位置环中加入先进的控制方法来提高伺服系统的伺服性能。本设计从控制算法入手,将模糊控制和传统PID控制相结合,设计了模糊PI控制器。又针对在输入误差变化范围大时,控制器的论域较难选定的问题,在模糊PI控制器中加入了变论域部分。根据输入误差和误差变化率的大小实时地调整模糊控制器的量化因子和比例因子,从而达到改变基本论域的目的,使模糊PI控制器具有更好的自适应性。文中对控制器的设计过程做了详细的介绍,并通过仿真验证控制算法的优越性。
　　最后,在本课题搭建的伺服实验平台上对变论域模糊PI控制算法进行实验验证,通过观察实验波形可以证明变论域模糊PI控制器具有较好的控制性能。最后通过应用插补算法实现伺服系统中X轴和Y轴的两轴联动。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2伺服系统发展历程及其要求

1.3伺服系统国内外研究现状

1.4主要研究内容

第2章 三轴伺服系统的整体结构与相关原理

2.1引言

2.2步进电机位置伺服系统

2.3直流电机位置伺服系统

2.4交流电机位置伺服系统

2.5本章小结

第3章 变论域模糊PI控制器的设计及仿真

3.1引言

3.2控制基础与方法

3.3模糊PID控制的原理及设计步骤

3.4变论域的原理和论域调整机构的设计

3.5变论域模糊PI控制器的仿真

3.6本章小结

第4章 数控机床伺服系统的软硬件组成

4.1引言

4.2基于数据采集卡的伺服控制系统

4.3步进伺服系统的硬件组成及软件实现

4.4直流伺服系统的硬件组成及软件实现

4.5交流伺服系统的硬件组成及软件实现

4.6平台的整体接线图

4.7本章小结

第5章 实验结果及分析

5.1引言

5.2直流伺服系统实验测试

5.3交流伺服系统实验测试

5.4两轴联动

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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