直线运动机构伺服加载系统设计及控制仿真研究

摘要

伺服加载系统作为半实物试验的设备之一，能够在研究过程中节省资源、缩短周期、提升效率，对工程研究有极大的推动作用。其加载方式根据执行元件的不同可分为机械式加载方式、电液式加载方式和电动式加载方式。电动式加载方式作为现如今新型的加载方式，与传统加载方式相比较具有明显的优势。本文以某直线运动机构为研究对象，设计一套电动伺服加载系统，并对其加载性能进行分析。该系统用于模拟被测直线运动机构在工作运行状态下的载荷情况，在驱动被测直线运动机构运动的同时完成对其的加载，验证该机构的工作性能和可靠性。 首先，本文根据伺服加载系统的技术要求，设计得到其总体方案，探讨选用旋转电机配合运动转换机构的方法实现直线运动，对系统的组成和原理进行设计阐述。在此基础上主要对系统加载部分和驱动部分的具体结构进行设计绘制，考虑到研究的多样性，所以分别选择滚珠丝杠和钢带传动机构作为运动转换机构，并对系统中的主要机构和元器件进行选型。 其次，将设计得到的伺服加载系统方案分为加载单元、负载单元和驱动单元分别进行建模。 （1）根据永磁同步电机的坐标变换和矢量控制原理建立电机模型，并对加载单元和驱动单元的组成和力学模型进行分析，从而得到加载单元和驱动单元的数学模型，并运用MATLAB/Simulink软件搭建； （2）负载单元运用Solidworks软件对负载单元三维模型进行绘制，将简化的模型导入ADAMS/View软件中，依次对其进行前处理、添加约束和载荷，完成负载单元的动力学模型； （3）将动力学模型确定输入输出状态变量后，通过ADAMS/Controls接口导出其控制参数至MATLAB/Simulink软件，与加载单元和驱动单元MATLAB/Simulink模型联合，从而完成伺服加载系统的联合仿真模型。 最后，确定伺服加载系统的仿真参数，并代入联合仿真模型，对其加载部分和驱动部分分别进行无扰特性分析，提出通过PID反馈控制进行调节，并对添加PID控制参数整定后的模型进行无扰特性分析，结果表明加载部分加载力输出较为稳定，驱动部分启动阶段由于钢带传动的滞后时间会引起驱动线速度较大波动，这种波动可设计选择适合的启动曲线来解决，这一问题有待进一步研究，本文主要对系统0.2s后的稳态进行研究。根据伺服加载系统的技术要求，加载部分和驱动部分共同运行，在此过程中会互相产生耦合干扰，由此就引入了基于结构不变性原理的前馈补偿控制来抑制干扰，并对添加前馈补偿控制后的系统进行仿真分析，结果表明干扰抑制率达90%以上，验证该控制方法对提高稳态加载性能的有效性，使伺服加载系统满足技术要求，该设计方案具有可行性。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 伺服加载系统的发展及分类

1.3 电动伺服加载系统发展概述

1.4 论文主要研究内容

1.5 本文研究路线

2 伺服加载系统总体方案设计

2.1 伺服加载系统技术要求

2.2 加载系统总体设计方案

2.3 加载系统结构设计方案

2.4 主要零部件与元器件选型

2.5 本章小结

3 伺服加载系统模型的建立

3.1 永磁同步电机数学模型

3.2 加载单元数学模型

3.3 驱动单元数学模型

3.4 负载单元动力学模型

3.5 伺服加载系统联合仿真模型

3.6 本章小结

4 伺服加载系统特性分析及控制策略研究

4.1 伺服加载系统仿真参数

4.2 伺服加载系统无扰特性分析与控制策略研究

4.3 伺服加载系统有扰特性分析及控制策略研究

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢