基于频域分析的刚柔耦合运动平台建模与运动控制研究

作     者：危宇泰 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨志军

授予年度：2021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：刚柔耦合运动平台 频域辨识与建模 频域分析 频域校正 

摘      要：集成电路是现代信息技术的支柱,对国民生产、国防科技等领域都有着重要的意义。作为一门交叉复合型学科,这离不开精密电子制造、精密电子加工等技术的支持。精密运动平台作为精密加工与制造的核心部件,需要满足高速高精的定位要求。刚柔耦合运动平台作为一种新型运动平台结构,通过柔性铰链补偿摩擦死区,提高系统的定位精度,能同时实现高加速度的需求,是一种理想的运动平台结构。对该平台的控制策略进行针对性的研究,有助于提升平台的性能,是实现高速高精运动定位的必由之路。本文针对刚柔耦合运动平台的控制策略进行了研究与设计。首先,对其进行了频域建模与分析,得出其频域特性。然后根据分析结果研究和设计相应的频域辨识方法与控制器。最后通过仿真与实物实验证明设计方法的有效性。本文的主要内容及创新如下:(1)本文从刚柔耦合运动平台的结构及其工作原理出发,将平台等效为两自由度的双质量弹簧阻尼系统,并据此对其进行数学建模,获得其传递函数。在此基础上,本文系统的频域特性进行分析,为接下来的系统辨识和控制器设计奠定基础。通过频域分析可知,系统的谐振现象、等效刚度、质量比以及摩擦等都会对系统的频域特性产生影响,需要在控制器设计时加以考虑。(2)本文设计了一种系统辨识方法,以完成对刚柔耦合运动平台的频域建模。在频域辨识上,本文主要考虑以下三点:系统辨识结构、激励信号和信号处理和分析。在辨识结构上,本文选择了开环辨识,以简化辨识系统的设计。在激励信号上,本文对比了若干种激励信号,并根据理论分析与仿真,最终使用Chirp信号作为系统辨识的激励信号。在信号处理和分析上,本文采用了具有抗噪性的相关分析法处理输入输出数据,以避免测量噪声对辨识精度的影响。获得系统的频域特性后,本文基于遗传算法,将频域特性拟合为传递函数,以便接下来的控制器设计。最后进行仿真实验,对所述辨识方法进行了验证,说明了辨识方法的准确性。(3)根据所获得的模型,本文设计了“串级P/PI控制器+滤波器的控制结构。其中,速度环采用比例-积分控制,并根据系统频域特性添加低通滤波器和陷波滤波器;位置环则采用比例控制。随后,再根据灵敏度函数等频域指标,对控制器参数进行整定,使得系统满足稳定性和抗扰性的要求。最后进行仿真实验,对所述控制器结构及其参数整定的效果进行了验证。(4)本文搭建了刚柔耦合运动平台控制系统,在实物系统上进行辨识和控制器设计的实验,以验证上述方法在实际系统的可行性。其中,在参数整定上,为了使得实际系统即能满足频域指标,又能符合时域上的要求,本文采用粗—精调参的方法。在满足频域指标的参数上,再根据时域指标对控制器参数进行微调。实物实验结果表明,刚柔耦合运动平台的整定时间为12ms,定位精度为0.1μm,实现了高速高精的运动定位效果,从而说明辨识和控制器设计方法的优越性。