五自由度磁悬浮激光光路控制策略研究

作     者：王弢 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈丽;孙凤

授予年度：2022年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：磁悬浮激光光路控制器 磁悬浮平台 五自由度 PID控制 自抗扰控制 

摘      要：激光切割是通过聚集高能量光斑改变物理材料的过程,是一种应用于多种领域的非应力性加工手段。激光切割技术凭借独特的加工优势在航天飞行器、精密仪表、生物医学工程等领域有着不可或缺的重要作用。在传统激光切割中,需保持高压气流出口方向与激光束轴线重合才能达到切割工艺要求。采用高压气流方向与激光束轴线方向分离的形式,可以有效改进激光切割的质量和效率。本文将一种高精度、高耐用性、低摩擦的五自由度磁悬浮激光光路控制器,作为激光切割加工的执行机构,采用PID控制和自抗扰控制对磁悬浮激光光路控制器进行控制,进而驱动磁悬浮平台进行多自由度运动,实现提高激光切割质量的目的。为了实现磁悬浮激光光路控制器结构紧凑和响应迅速,采用主动磁悬浮轴承结构并应用差动电磁铁进行驱动。针对提高控制磁悬浮平台运动的精准度,由单组电磁铁计算出满足悬浮平台稳定悬浮和多自由度运动的电磁铁参数。对于磁悬浮激光光路控制器驱动磁悬浮平台的运动,运用拉格朗日方程推导出磁悬浮平台的动力学模型,建立了状态空间方程并进行系统能控能观测性验证。根据磁悬浮平台的动力学模型,针对平台多自由度运动控制,建立了五自由度磁悬浮激光光路控制系统。对基于常规PID控制的悬浮平台进行平移和翻转运动控制,验证了磁悬浮激光光路控制器能实现对悬浮平台的快速响应和多自由度控制。针对常规的PID控制在系统设定值改变时悬浮平台输出位移存在较大超调,提出了将积分作用设置为根据系统误差的变化范围起作用的积分分离PID控制。经过参数整定后,对磁悬浮平台系统在MATLAB/Simulink下的跟踪性能和抗扰性能进行仿真对比,由悬浮平台各方向位移输出结果,证明了积分分离PID在抑制超调量方面优于常规PID。针对PID控制器在系统动态响应特性和抗干扰性能上的不足,通过引入扩张状态观测器(LESO),在线估计系统输出和状态变量以及系统扰动,结合误差补偿环节,设计了二阶线性自抗扰控制器(LADRC)。为了验证二阶LADRC控制器的优越性,采用极点配置法整定参数并进行LADRC控制器特性分析,利用MATLAB/Simulink进行仿真分析,同时,对悬浮平台运动控制的跟踪性能和动态特性进行实验分析。根据仿真和实验结果得出,二阶LADRC在磁悬浮激光光路控制器驱动磁悬浮平台运动的超调量、响应速度和抗扰性能上均优于PID控制。