直接驱动XY平台伺服系统的鲁棒跟踪控制研究

作     者：孙显峰 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵希梅

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：永磁同步直线电机 XY平台 零相位误差跟踪控制器 干扰观测器 预测控制 

摘      要：本课题是基于国家自然科学基金项目(51175349)及沈阳市科学技术计划资助项目(F12-277-1-70)提出的。随着现代工业对加工效率和加工精度的要求越来越高，数控加工技术向着高速度、高精度方向发展。本文针对永磁直线同步电机(PMLSM)驱动的XY平台系统的跟踪特性、鲁棒性以及轮廓误差特性中存在的问题，设计了零相位鲁棒控制系统和预测鲁棒控制系统，在单轴方面分别采用零相位误差跟踪控制器(ZPETC)和预测控制器(MPC)作为前馈控制器，提高电机的跟踪性能，间接地减小系统的轮廓误差，并用干扰观测器(DOB)来提高单轴电机的鲁棒性，在双轴方面，用交叉耦合控制器(CCC)来减小系统的轮廓误差。 首先，本文根据广泛阅读的国内外的相关文献，介绍了目前国内外关于直驱XY平台控制系统的发展现状以及一些目前主要的控制方法。介绍了PMLSM的工作原理以及数学模型，并且介绍了XY平台的轮廓误差模型，分析了产生轮廓误差的原因。同时根据轮廓误差产生的原因，提出了将前馈、鲁棒和解耦相结合的控制方法。 其次，设计了零相位鲁棒控制系统，ZPETC采用的是结合零极点和相位对消的逆系统的方法，零极点对消时它能够在一个较大的带宽范围内对闭环动态系统进行逆处理，这样就消除了闭环系统的相位误差和静态增益，提高了系统的跟踪性能。DOB的设计原则是将模型参数变化及外部力矩干扰造成的实际被控对象与名义模型输出差异等效到控制的输入端，即观测出等效干扰，这样就在控制中引入了等效的补偿，干扰被完全抑制。CCC通过对跟踪误差的估计，计算出轮廓误差，并对轮廓误差进行补偿，解决由于双轴电机不匹配而引起的轮廓误差。 之后，考虑到ZPETC易受模型参数变化影响的特点，而目前一些直线电机存在易受温度、环境的影响，以及零极点漂移问题。采用不易受模型参数变化影响的MPC替换ZPETC作为前馈控制器，MPC用过去和未来的输入输出状态，根据内部模型，预测系统未来的输出状态。用模型输出的误差进行反馈校正后，再与系统的参考轨迹进行比较，并应用二次型性能指标进行滚动和优化，然后计算出当前时刻加于系统的控制，完成整个动作循环。而MPC不能同时保证跟踪性能和鲁棒性的兼容，因此采用DOB提高系统鲁棒性，用MPC作为前馈控制器，在双轴方面，采用预测估计值进行轮廓误差估计，使CCC具有更好的控制效果，减小系统轮廓误差。 最后，将零相位鲁棒控制系统和预测鲁棒控制系统在MATLAB中进行仿真，并与PID控制进行对比分析，结果证明零相位鲁棒控制系统和预测鲁棒控制系统都能够提高系统跟踪性能并减小系统的轮廓误差，零相位鲁棒控制系统与预测鲁棒控制系统相比效果略差，但是并不明显。零相位鲁棒控制系统设计更为简单，而预测鲁棒控制系统则有不易受模型参数变化影响的特点。