洛伦兹力型快速刀具伺服系统跟踪控制研究

作     者：徐燕 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘春芳

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 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：快速刀具伺服系统 音圈电机 基于代理的滑模控制 重复补偿PID控制 超螺旋PID滑模控制 

摘      要：光学自由曲面类零件因其良好的工作性能被广泛应用于航空航天、军事、电力电子、科研以及民用等领域,而实现光学自由曲面高精度、高效和低成本的主要加工方式是金刚石超精密车削技术,该技术的核心是快速刀具伺服系统(Fast Tool Servo,FTS)。本文以洛伦兹力型电机——音圈电机(Voice Coil Motor,VCM)作为FTS的执行器,结合滑模、重复等现代控制方法,对其周期性问题进行跟踪与抑制。其具体分析内容如下:首先,搜集并查阅大量的国内外参考文献,掌握FTS主要的驱动方式、建立驱动FTS运行的执行器件音圈电机的数学模型、分析与FTS相关的控制策略以及描述影响音圈电机驱动FTS控制精度的因素。其次,当FTS在运行过程中,若存在切削力扰动,采用基于代理的滑模控制。这是对PID控制的扩展,并且将滑模控制和PID控制相结合的控制策略。利用PID控制器将一种称为代理的假想的虚拟行程位置加在VCM的实际位置与期望位置之间,代理行程位置通过滑模控制器跟踪期望位置,将结合后的代理滑模控制律中不连续符号函数转换成饱和函数后可提高系统的跟踪精度和抗扰性。利用Matlab/Simulink在所设计的理论控制策略的基础上进行建模、仿真和比较分析,以此验证控制策略的有效性。最后,由于FTS在正常运行过程中,随着行程和频响的增大,其跟踪精度会受到影响。为进一步提高系统运行时的跟踪精度,采用超螺旋重复补偿PID控制。这是一种将重复补偿PID控制与超螺旋PID滑模控制相结合的且能够分别独立作用的控制策略。其中,重复补偿PID控制可提高系统运行时的跟踪精度。若存在等同于输入给定周期性正弦信号扰动或者切削力扰动时,在重复补偿PID控制策略的基础上加入超螺旋PID滑模控制,这是以PID控制器设计滑模面,根据李雅普诺夫函数的到达条件设计滑模控制律,超螺旋PID滑模控制是一种连续型二阶滑模控制,抗扰能力强。超螺旋重复补偿PID控制可以实现在长行程和高频响环境下的强鲁棒性和高跟踪精度。并且在理论的基础上用Matlab/Simulink对所设计的控制策略进行建模、仿真和比较分析,以此证明控制策略的可行性。