冗余直驱龙门系统的多输入多输出精密运动控制

摘要

在日益增加的高速、高加速、高精度运动需求下，冗余直驱龙门平台成为高档数控装备的关键功能部件，其冗余驱动及高刚性物理连接的结构特点具有获得更优运动性能的潜力。然而，高速、高加速运动下，强机械耦合效应及导轨副部件柔性变形容易造成过度的耦合约束内力，其成为影响系统平稳运行（可靠性保证的基本需求）和使用寿命的主要因素，并进一步限制运动控制性能的提升。受限于该冗余执行器间的协同问题，传统仅考虑轴间运动协调的轮廓运动控制方法，显然无法满足此类平台高性能轮廓跟踪的最终需求。据此，本文创新提出冗余协同与轴间运动协调并重的轮廓运动控制新理念，并以此为指导展开细化研究。
　　现阶段，限制冗余直驱龙门平台控制发展的主要因素是缺乏有效的模型指导，从而导致对平台特性认知不全。为此，本论文首先探索此类具有高刚性物理连接和相对柔性导轨副部件的多轴机械平台刚柔耦合建模及辨识验证的系统方法:所提建模分析方法给出了平台完整运动及多自由度复杂耦合特性的准确描述，亦对耦合效应的产生根源和作用机制给出了详细的分析;所提频域辨识方法本质上解决了机械系统受非线性摩擦力影响而导致频率响应失真的普遍问题，从而通过该方法有效验证了建模的正确性并获得了准确的模型信息，用以指导控制器设计。随后，为首要保证系统的平稳运行，提出了兼顾内力调节与运动跟踪的多变量精密协同控制方法:所提方法针对系统的不同负载情况，在对应多变量耦合模型的指导下，设计了相应的在线准确自适应和实时模型补偿机制以处理不确定性和耦合效应的影响，并通过主动控制横梁旋转动态以抑制约束内力，从而有效提高协同控制性能，同时保证约束内力与运动跟踪的高性能瞬态和稳态表现。最后，为满足此类平台的高性能轮廓跟踪需求，创新提出兼顾冗余协同及轴间运动协调的轮廓运动控制方法:基于对横梁旋转的有效认知，修正了轮廓误差的估计模型以提高实际计算精度;以此为基础提出的轮廓运动控制方法有机结合了本文所提动态负载情况下的冗余协同控制策略及基于全局任务坐标系(GTCF)的高效运动协调机制，克服了传统基于刚性假设的轮廓运动控制在实际应用中的性能不确定性，可切实保证此类平台在不同负载、不同曲线轮廓下的高性能轮廓跟踪并进一步提升;所提方法为冗余直驱龙门平台轮廓运动控制问题的本质解决方案。
　　本论文共分为六章，分别对应如下内容:
　　第一章，介绍了冗余直驱龙门平台的需求背景及发展趋势，归纳了此类系统为满足实际应用需求所涉及的主要科学问题。然后分别阐述了相应问题的研究现状与不足之处，总结出冗余执行器间的强协同性能是此类平台进一步追求高性能运动控制的前提条件，进而提出综合考虑冗余协同及轴间运动协调的轮廓控制新理念。最后概述了本课题的研究意义和主要研究内容。
　　第二章，针对冗余直驱龙门平台，基于对各部件及连接相对刚柔性的分析，给出了包含横梁和梁上负载直线运动、以及常被忽略的横梁旋转运动的的完整运动学描述，建立了可准确体现其刚柔耦合特性的三自由度动力学模型，并推导出易于频域辨识验证的本质线性动力学传递函数模型。随后详细分析了直驱系统中非线性摩擦力对于本质线性动力学频率响应的影响机理，进而提出基于非线性摩擦力补偿的频域辨识新方法，有效改善频域辨识结果。最后，结合所提频域辨识方法及系统线性传递函数模型，通过频域辨识实验，充分验证了建模的有效性并获得准确模型信息，为进一步指导提出冗余协同控制及轮廓控制新方案提供基础。
　　第三章，针对负载质量以及分布位置变化等静态影响情况下的冗余直驱子系统协同控制问题，首先依据现有考虑内力调节本质问题的推力分配协同控制策器，结合本文更为准确的离线辨识结果，指导优化其关键参数的设计，以有效提高并保证其协同性能;亦通过对比实验进一步分析其不足之处，指出横梁旋转角度与耦合约束内力的直接对应关系。据此，提出基于推力分配系数等参数在线准确自适应，并主动控制旋转动态以调节约束内力的两输入两输出精密协同控制方法，通过与参数优化后的推力分配协同控制的对比实验，充分验证了所提方案的更优性能及实用价值，亦为进一步研究动态负载情况下的协同控制提供思路。
　　第四章，针对动态负载影响（两轴联动工况）下更为复杂的三自由度耦合情况，设计了有效的在线参数自适应及实时模型补偿机制以处理不确定性及耦合影响，并以此为基础提出兼顾两轴运动跟踪及横梁旋转动态主动控制（内力调节）的三输入三输出精密协同控制方案。对比实验结果充分说明了所提方案能同时保证两轴的高直线定位精度及强旋转动态抑制作用。此外，考虑到实际系统中常用增量式编码器无法提供绝对位置信息从而影响补偿效果、降低协同性能的情况，提出通过对初始零位偏差进行在线自适应以解决该问题的拓展方案，以避免实际应用中可能需要的离线位置标定措施，实现负载任意初始运动位置情况下的精密协同性能。通过对比实验，验证了所提方案的有效性和更优的实用性。
　　第五章，进一步追求冗余直驱龙门平台的优越轮廓加工性能。首先分析了传统基于刚性动力学假设的轮廓误差估计问题，即其无法准确反映实际轮廓跟踪水平;从而提出相应的修正方案，通过在计算中引入横梁旋转信息以估计实际工作点的准确位置，进而计算得到轮廓误差准确值;随后，以实际轮廓误差为直接目标，在所提出动态负载情况下的多变量协同控制策略中引入基于GTCF的高效运动协调机制，提出综合考虑冗余协同及轴间运动协调的轮廓运动控制方法。最后，通过与传统基于刚性动力学假设的轮廓运动控制器的对比实验，指出旋转柔性模态对传统轮廓运动控制的性能限制，亦验证了所提轮廓控制方法在实际应用中切实保证系统平稳运行并进一步提高轮廓加工性能的优越性。
　　第六章，归纳总结了本论文的主要研究工作及成果，阐述了研究结论及创新点，并对后续研究进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

插图

表格

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状概述

1．2．1 冗余直驱龙门平台建模研究概述

1．2．2 非线性摩擦力影响下频域辨识研究概述

1．2．3 直驱传动系统精密控制概述

1．2．4 冗余驱动系统协同控制概述

1．2．5 多轴系统轮廓运动控制概述

1．3 研究意义与研究内容

1．3．1 课题的来源及研究意义

1．3．2 研究内容

1．4 本章小结

第2章 冗余直驱龙门平台的多自由度刚柔耦合楚模及辨识验证

2．1 冗余直驱龙门平台三自由度耦合动力学建模

2．1．1 完整运动学描述

2．1．2 三自由度耦合动力学模型

2．1．3 线性传递函数模型

2．2 非线性摩擦力影响下的频域辨识方法研究

2．2．1 非线性摩擦力对频域响应的影响机理

2．2．2 基于非线性摩擦力补偿的频域辨识方法

2．3 辨识实验对比研究

2．3．1 冗余直驱龙门实验系统介绍

2．3．2 频域辨识实验设计

2．3．3 X轴频域辨识对比及辨识结果

2．3．4 Y轴频域辨识对比及辨识结果

2．4 本章小结

第3章 静态负载情况下的冗余直驱类平台精密协同控制研究

3．1 推力分配协同控制实验对比研究

3．1．1 问题阐述

3．1．2 控制器结构分析

3．1．3 推力分配协同控制器设计

3．1．4 控制参数及性能对比实验

3．2 基于质心位置准确估计的自适应鲁棒多变量协同控制

3．2．1 问题阐述

3．2．2 多变量控制目标及控制器框架

3．2．3 限速投影型自适应率设计

3．2．4 期望补偿的直接／间接集成自适应鲁棒控制器(DCDIARC)

3．2．5 在线精确参数估计

3．2．6 对比实验研究

3．3 本章小结

第4章 动态负载情况下的冗余直驱龙门平台精密协同控制研究

4．1 基于在线参数准确估计的自适应鲁棒多变量协同控制

4．1．1 问题阐述

4．1．2 控制器整体框架

4．1．3 期望补偿的直接／间接集成自适应鲁棒控制器(DCDIARC)

4．1．4 在线精确参数估计

4．1．5 对比实验研究

4．2 考虑初始零位不匹配的自适应鲁棒多变量协同控制

4．2．1 问题阐述

4．2．2 期望补偿的直接／间接集成自适应鲁棒控制器(DCDIARC)

4．2．3 在线精确参数估计

4．2．4 对比实验研究

4．3 本章小结

第5章 综合考虑冗余协同及轴间运动协调的轮廓运动控制研究

5．1 问题阐述

5．2 轮廓误差估计模型修正

5．3 基于刚性动力学的轮廓运动控制器

5．4 综合考虑冗余协同及轴间运动协调的轮廓运动控制器

5．5 对比实验研究

5．5．1 实验I：圆轮廓

5．5．2 实验II：椭圆轮廓

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文创新点

6．3 研究展望

参考文献

作者简历及在攻读博士学位期间的学术成果