多轴轮廓系统模型预测控制器分析与设计

摘要

随着物联网、云制造、虚拟技术等新型技术以及精密加工和高速切削技术的迅速发展，先进制造技术对轮廓控制系统提出了更高的要求。为了满足先进制造技术的要求，近年来，国内外相关学者对如何提高轮廓控制器的精度进行了深入研究，提出了多种轮廓控制方法。由于轮廓控制过程通常是一个多变量耦合的受限控制系统，常规的控制器不能够很好的处理输入输出、误差、幅值约束和扰动，因此，高性能的多轴轮廓轨迹控制器设计是精密制造技术亟待解决的难点和热点问题同时也具有重要的理论意义和应用价值。
　　本文在总结现有轮廓控制技术的基础上，针对一类平面轮廓控制系统，运用时滞系统的Lyapunov-Krasovskii稳定性理论，提出了一种稳定化增量模型预测轮廓控制算法，建立了保证闭环预测轮廓控制系统的稳定性充分条件。本文主要研究工作与创新点如下：
　　（1）对于一类扰动可测的离散时间多变量线性系统，提出了一种稳定化增量模型预测控制(MPC)算法。以控制增量状态空间模型作为预测模型，定义MPC的有限时域最优控制问题，得到具有可测扰动前馈-状态反馈结构的MPC控制器。利用时滞系统的Lyapunov-Krasovskii稳定性理论，建立闭环预测控制系统的稳定性充分条件。最后通过一个仿真实例来验证本文算法的正确性和有效性。
　　（2）考虑一平面双轴轮廓控制系统，应用稳定化增量模型预测控制算法，设计了多轴轮廓控制器。进一步，针对轮廓系统电机的电流幅值、电流变化幅值，建立轮廓系统的约束条件，再结合所建立的平面轮廓控制系统状态空间模型，将论文结果与常规PID控制器做比较研究，验证本文结果的实用性和优越性。
　　（3）考虑在轮廓加工过程中轮廓系统执行终端与加工物体表面存在摩擦力扰动，建立摩擦力模型。控制器在存在摩擦力扰动的情况下，开展与常规PID控制器的比较仿真研究，验证本文结果的优越性。

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第1章 绪论

1.1 轮廓控制的研究背景

1.2 轮廓控制的研究现状

1.3 模型预测控制研究状况概述

1.4 本文研究内容安排

第2章 预备知识

2.1 Lyapunov稳定性

2.2 时滞系统及其稳定性

2.3 轮廓误差的定义与建模

2.4 本章小结

第3章 增量模型预测控制稳定性分析与设计

3.1 引言

3.2 增量模型预测控制算法设计

3.3 增量模型预测控制性能分析

3.4 实例与仿真

3.5 本章小结

第4章 基于增量MPC的轮廓预测控制器设计

4.1 摩擦力分析与建模

4.2 平面轮廓系统数学模型

4.3 平面轮廓增量预测控制器的设计

4.4 平面轮廓增量预测控制器的仿真

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果