伺服系统级联控制器参数自调谐技术研究

摘要

现代工业技术的飞速进步推动着数控系统加工技术朝着高速高精度化和智能化的方向不断发展。作为其核心，伺服系统普遍采用电流环、速度环、位置环三环级联结构的PID控制器，包含前馈、反馈控制参数，其配置决定了系统的运动性能。手动调整参数既费时又费力，而自动调谐则快速高效。国外品牌的商用驱动器大多提供了类似功能，但国内仍处于理论阶段，目前尚未有成熟的产品，亟需一种稳定可靠、可快速准确辨识系统特征量的自调谐方案。
　　本文研究和设计了一种伺服系统级联控制器参数自调谐方案，文中的主要被控对象为转矩控制模式下的电流环闭环控制回路。
　　首先，阐述了机械谐振及非线性现象的作用机理，归纳了提取被控对象频域特性时可用的扫频测试和功率谱分析方案，并藉由获得的反谐振和谐振频率推导出系统速度环和位置环的稳定闭环带宽。
　　接着，研究和改进了一种基于继电反馈的伺服系统线性模型及其库伦摩擦力的辨识方法和测试流程，分析了算法精度、滤波效果和稳定性，并对测试过程中继电器参数的配置原则进行了说明。
　　然后，在上述基础上，综合考虑了闭环系统的稳定性、跟随精度及频带宽度等性能指标，设计了伺服系统速度环、位置环控制器的结构及调谐方案，并对前馈控制器的效果和必要性进行了验证。
　　最后，总结上文，以闭环系统控制带宽为依据，提出了一种伺服系统级联控制器参数的自调谐方案，实现了速度环、位置环前馈和反馈控制参数的自动调谐。实验和工程应用结果表明，本方案调谐效果优于安川伺服的速度环自动调谐功能，并可适用于不同的负载工况，在广数CNC系统的伺服驱动器平台上亦能准确高效地完成参数调谐，具有极强的应用价值和可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题来源

1.2课题背景及研究意义

1.3国内外相关领域研究现状

1.4本文研究内容及章节安排

第二章 伺服系统带宽配置

2.1谐振现象基本原理

2.2非线性振动特性的影响

2.3谐振信息提取方法

2.4提取方法验证及分析

2.5伺服系统带宽配置原则

2.6本章小结

第三章 伺服系统模型辨识

3.1继电反馈法概述

3.2系统模型辨识

3.3辨识算法改进

3.4继电器参数配置

3.5本章小结

第四章 控制系统参数调谐

4.1位置控制器结构简介

4.2反馈参数整定

4.3前馈参数整定

4.4本章小结

第五章 自调谐方案及实验验证

5.1运动控制测试平台

5.2级联控制器参数自调谐方案

5.3实时仿真系统验证

5.4工业驱动器验证平台

5.5调谐方案工业驱动器平台验证

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1研究内容总结

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果