数控机床进给系统的H鲁棒速度控制器设计

摘要

数控机床的出现为较好地解决复杂、小批量、精密、多变的零件加工问题，提供了一种有效的自动化加工手段。目前，数控机床伺服进给系统普遍采用PID控制方法，其优点是算法简便、易于实现，但存在鲁棒稳定性问题。如何提高系统鲁棒性是伺服进给系统的控制中一个重要课题。H<,∞>控制作为一种鲁棒性设计方法，它能弥补现代控制理论对数学模型的过分依赖，在设计过程中既考虑了对象模型不确定性，又兼顾了系统的瞬态性能及抗扰性能，并能将系统的鲁棒稳定性和系统性能要求转化为H<,∞>范数意义下的最优问题或H<,∞>标准问题。 半个世纪以来，数控机床进给系统主要采用“旋转电机+滚珠丝杠”的传动方式，但中间传动环节的存在使得传动系统刚度降低、鲁棒性变差，并使系统的响应速度、位移响应都变慢，严重地限制了切削速度和加工精度的提高，革除中间传动与变换环节势在必行。这就使得一种崭新的进给传动方式——直线伺服电机驱动系统应运而生。 本文根据高速数控机床进给运动的具体要求，对数控机床进给系统中存在的不确定性进行了分析，以永磁直线同步电机(PMLSM)为被控对象，重点研究了系统的鲁棒性能。在PMLSM速度伺服系统中，为保证对干扰有良好的动态抑制作用且无静态扰动误差，同时使系统具有鲁棒稳定性，本文提出了采用H<,∞>鲁棒控制器设计中的加权混合灵敏度的鲁棒性设计方法，通过求解标准H<,∞>控制问题设计了具有强鲁棒性的速度控制器；为了改善速度控制系统的抗扰性能，本文还提出了采用H<,∞>负载扰动观测器的鲁棒控制方案，该观测器可以自动保证观测结构的鲁棒稳定性，并将估计结果反馈回来抵消实际的负载扰动，以达到减小扰动灵敏度的目的。仿真结果表明，本文提出的控制策略具有鲁棒性强、响应灵敏、波动小及运行稳定的优点，该控制器对模型参数摄动具有良好的静动态特性和较强的鲁棒性，对负载扰动亦有很强的抑制能力，满足了精密加工要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究的背景

1.2课题研究的目的、意义及国内外发展动态

1.2.1课题研究的目的、意义

1.2.2国内外发展动态

1.3数控机床简介

1.3.1数控机床的组成及加工特点

1.3.2数控机床的工作原理

1.4超高速数控机床进给系统

1.4.1采用滚珠丝杠传动的进给系统

1.4.2采用直线电机传动的进给系统

1.4.3采用并联机构传动的进给系统

1.5课题研究的内容

2永磁直线同步电动机

2.1概述

2.2永磁材料数学模型

2.2.1永磁材料的发展

2.2.2钕铁硼永磁体数学模型

2.3永磁直线同步电动机的基本结构及工作原理

2.4永磁直线同步电动机的数学模型

2.5永磁直线同步电动机进给系统现状

2.6永磁直线同步电动机的控制策略

3数控机床进给系统的H∞负载扰动观测器设计

3.1高速精密机床进给系统的设计要求

3.1.1高速精密加工对机床进给系统的要求

3.1.2高速精密机床进给系统伺服控制器的特点

3.2机床进给系统扰动因素分析

3.3机床进给系统的H∞负载扰动观测器设计

4 H∞鲁棒控制

4.1鲁棒控制概述

4.1.1控制系统的鲁棒性

4.1.2鲁棒控制理论研究的基本问题

4.2 H∞性能指标

4.2.1鲁棒稳定问题与H∞性能指标

4.2.2干扰抑制问题与H∞性能指标

4.3 H∞鲁棒控制器设计方法

4.3.1 Riccati方程和Riccati不等式

4.3.2 H∞标准设计问题

4.3.3输出反馈问题的一般解

4.4 H∞鲁棒控制在交流伺服系统中的应用

4.4.1交流伺服系统中的不确定性描述

4.4.2交流伺服系统中的灵敏度函数和补灵敏度函数

4.4.3权函数的选取规则

5数控机床进给系统的H∞鲁棒速度控制

5.1 H∞鲁棒速度控制器设计

5.1.1机床不确定性系统鲁棒性能分析

5.1.2基于混合灵敏度方法的H∞鲁棒速度控制器设计

5.1.3 H∞鲁棒速度控制器优化设计

5.2H∞鲁棒速度控制器求解及分析

5.2.1权函数的确定

5.2.2 H∞鲁棒速度控制器的求解及分析

5.3H∞鲁棒速度控制器仿真实验

5.3.1仿真系统构造及各加权函数环节设计

5.3.2仿真结果和分析

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢