基于滑模变结构控制的多轴协调运动控制策略研究

摘要

多轴协调运动控制是运动控制系统中的重要技术，在半导体、高速机械加工、光电产业、工业测控、医疗器械等众多产业领域有着非常广泛的应用。随着微处理器技术的快速进步和电力电子等技术的日趋完善，运动控制特别是多轴协调运动控制在现代制造技术等相关领域的地位日益重要，高速高精的加工技术已成为国内外学术和产业领域关注的热点。本文在分析总结传统协调控制策略的基础上，对双轴运动控制系统的非线性同步和协调控制策略进行了研究，并结合滑模变结构控制来进一步改善控制性能。 多轴运动控制系统的性能优劣取决于协调控制策略。在多轴运动控制系统中，系统的轮廓运行轨迹是每个轴协调运动的结果，采用反馈和前馈控制方法等传统非耦合控制能显著提高每个轴的控制精度，从而达到改善多轴轮廓误差的目的。但是，由于在多轴运动控制中，各运动轴之间存在着响应延时不一致、参数不匹配以及负载扰动等问题，使得各轴之间的相互影响是动态的，因而每个运动轴的跟踪误差不协调必然会反映到轮廓上形成轮廓误差。交叉耦合控制策略能较好的解决各轴间的动态影响造成的轮廓误差精度问题，但并不能解决多轴运动控制系统实现复杂的曲面加工或曲线轨迹运动时参数变化及扰动产生的影响。而滑模变结构控制由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，从而具有响应速度快、对参数变化及扰动适应性强等优点。因此，本文将滑模变结构控制应用于多轴协调运动控制系统，利用其对系统参数变化及外加干扰具有较强适应性的优点，来提高多轴系统间由于各轴动态特性不匹配及负载扰动情况下的轮廓控制精度。 针对上述问题，本文首先简要介绍了感应电动机的数学模型，并利用磁场定向矢量控制方法对其进行了简化。在对交叉耦合控制策略进行探讨的基础上，建立了直角坐标系下的多轴协调运动系统的误差模型，据此针对双轴运动控制系统设计了双轴运动控制系统的交叉耦合控制策略，并在matlab环境下搭建仿真模型，对该控制策略进行仿真以验证其有效性。针对伺服系统本身存在非线性、强耦合、易受干扰等问题，本文在多轴运动控制系统中采用了滑模变结构控制策略，使滑模变结控制和交叉耦合控制有机结合、优势互补。另外，对滑模控制本身存在抖振现象，本文进一步采用了动态滑模、有界滑模和积分滑模等控制策略设计了控制器，旨在确保各轴协调运动的基础上提高系统的稳定性和自适应能力。论文最后对该控制方案进行仿真，论文最后给出的控制方案的仿真结果表明了该控制方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明和关于学位论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1概述

1.2多轴协调运动控制策略的研究现状

1.3滑模变结构控制

1.4课题背景及论文的任务

1.5课题的主要内容

1.6论文各章节的安排

1.7本章小结

第2章感应电动机的数学模型

2.1感应电动机的数学模型

2.2本章小结

第3章多轴协调运动控制方法的研究

3.1引言

3.2交叉耦合控制策略研究

3.2.1交叉耦合控制的基本思想

3.2.2变增益交叉耦合控制策略

3.2.3基于轮廓误差估计的交叉耦合控制

3.3交叉耦合控制方法向多轴运动控制系统的扩展

3.4直角坐标系下位置和速度的协调控制

3.4.1协调控制系统的结构及控制器设计

3.4.2双轴交叉耦合控制系统的仿真与结果分析

3.5本章小结

第4章变结构控制理论及其在伺服系统中的应用

4.1滑模存在及到达条件

4.2等效控制及滑模控制的动态品质

4.2.1等效控制

4.2.2滑模控制的动态品质

4.3滑动面的设计

4.4滑模控制器的设计方法

4.5滑模变结构控制的抖振问题

4.5.1抖振因素分析

4.5.2抖动的削弱与抑制

4.6单轴伺服运动中的滑模控制器设计

4.7本章小结

第5章基于滑模变结构控制的多轴协调控制

5.1基于SMC的多轴运动控制系统

5.2多轴运动控制器的设计

5.2.1基于动态切换函数的动态滑模控制器设计

5.2.2基于积分切换函数的滑模控制器设计

5.2.3基于上下界的滑模控制器设计及仿真分析

5.3本章小结

第6章总结与展望

参考文献

致谢

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