高加速度气浮运动系统的快速抑振精确定位控制

摘要

随着工业自动化加工精度和效率的不断提升，对先进伺服装备和技术的需求也与日俱增。近些年，气浮运动系统在精密测量加工和高速伺服主轴等应用中大展身手，并逐渐在高速度高精度伺服运动领域中崭露头角，其优势主要体现在：
　　（1）非接触式运动副和表面误差均化作用能提升设备整体精度;
　　（2）近零摩擦的气浮支撑结构易于实现高速度高精度运动'
　　（3）无磨损和无污染特点适用于洁净要求苛刻的工作环境。因此，气浮运动系统在面向IC制造的高速精密加工装备中有广阔的应用前景。但是，支承结构复杂、气膜刚度不高和制造要求严格等因素增加了气浮运动系统设计和开发的难度，特别是干扰敏感性强、残余振动明显和缺乏能量耗散机制等不足更给高动态（高速度高加速度）运行下的精确定位控制带来了极大的挑战。
　　本学位论文以面向先进电子制造装备的超高加速度精密运动系统为应用背景，研究高加速度气浮运动系统和快速抑振精确定位控制技术。本文的气浮运动系统具有高推重比、直接驱动、近零摩擦和并联解耦等特点，是一种新颖的定位平台，其运动控制的根本目的是在期望的最短时间内精确运动到达理想位置，本质问题是如何处理高动态和高精度之间的矛盾，关键路径是抑制气浮机构柔性环节在高动态工况下产生的残余振动和运行过程中所受的干扰影响。因此，本文将从以下四个方面开展研究：从系统建模出发全面分析气浮机构薄弱环节和各种干扰作用对运动性能产生的影响；设计面向气浮运动系统的继电反馈测试方法来辨识面向控制的系统模型参数；构建满足高速高精运动要求的高性能开放式实时控制系统；研究基于输入整形和二自由度结构控制的快速抑振控制策略实现系统高动态运行下的高精度定位。本文的主要研究成果和创新性工作如下：
　　一、根据高速高精运动控制对系统建模的要求，分析了气浮运动系统在高动态运行下刚柔耦合薄弱环节的运动规律和对控制性能的影响以及推力波纹、气源波动和气膜变化等干扰的作用与特征，推导出气浮运动系统整体数学模型，明确了抑制系统残余振动与干扰作用是高加速度气浮运动系统快速精确定位控制的核心问题。
　　二、改进传统继电反馈测试技术，为气浮运动系统设计出一种安全、快速和高效的系统辨识方法，分析了交流伺服系统中继电反馈测试技术受非线性因素影响的规律以及继电参数选择与辨识精度的内在关系，从而归纳出面向交流伺服运动系统应用的继电反馈测试原则，并且设计出测试参数选取方法，有效解决了交流伺服系统继电测试参数设计的工程问题，最终辨识出面向控制的气浮运动系统模型参数。
　　三、针对气浮运动系统在高动态运行中定位稳定时间较长、定位精度无法保障的关键难题，制定了基于有限Laplace变换输入整形技术主动抑制系统残余振动和基于二自由度控制器满足系统响应性、鲁棒性、抗干扰和定位精度要求的快速抑振精确定位控制策略，实现了高加速度高精度定位控制。所设计的控制策略使气浮运动系统实现了12 g（21g=9.8m/s）加速度、±4μm定位精度和65ms稳定时间的定位控制性能，将原有PID控制下的加速度提升了1.5倍，稳定时间缩短了80％，为气浮伺服运动系统的快速精确定位控制提供了一种有效方法。
　　四、为了逐步提高气浮运动系统的控制系统性能，依次研发了基于RTX（实时操作系统）全软件控制系统、改进型“RTX+MCT8000F4（控制板卡）”控制系统和基于dS PACE平台控制系统，实现了亚毫秒精确定时采样、多控制策略平滑切换和功能柔性扩展的高性能指标，重点研究了控制系统实时性和开放性的设计理论和方法，确立了开放系统底层处理运算接口、下载运行用户算法程序、协调多种策略增强系统实时性能的设计思路，总结了结构分层、任务分割、资源整合的设计方法，综合比较了三类控制系统在高加速度高精度运动控制应用中的优劣特点和适用范围，为自主研发高性能控制系统提供一定的参考依据和设计经验。

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第一章 绪论

1.1课题来源与背景

1.2超高加速精密系统介绍

1.3 高加速气浮运动系统介绍

1.4 国内外研究现状综述

1.5 问题提出与研究路线

1.6 论文研究内容与安排

第二章 气浮运动系统分析与建模

2.1引言

2.2机电系统分析与建模

2.3机构薄弱环节分析与建模

2.4气浮运动系统干扰环境分析与建模

2.5 气浮运动系统模型综合描述

2.6本章小结

第三章 气浮运动系统的继电反馈辨识

3.1引言

3.2继电反馈辨识的基本原理与方法

3.3面向交流伺服运动系统的继电反馈辨识非线性分析

3.4 交流伺服运动系统继电反馈辨识的参数选择和应用原则

3.5气浮运动系统的参数辨识

3.6本章小结

第四章 气浮运动系统的快速抑振精确定位控制策略

4.1引言

4.2控制器设计目标与思想

4.3 二自由度控制结构设计

4.4 基于输入整形的快速抑振控制算法设计

4.5快速抑振精确定位控制器实现

4.6 本章小结

第五章 气浮运动系统的控制系统实现

5.1 引言

5.2 基于RTX的全软件控制器系统

5.3 改进型“RTX+MCT8000F4”控制器系统

5.4 基于dSPACE平台控制系统

5.5比较与应用

5.6 本章小结

第六章 系统仿真与实验

6.1引言

6.2气浮运动系统继电反馈辨识仿真与实验

6.3 气浮运动系统快速抑振精确定位控制仿真与实验

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1论文工作总结

7.2论文创新点

7.3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表的学术论文

攻读博士学位期间登记的软件著作权

致谢