綦艳丽[1]2003年在《非线性PID控制器在直线电机同步传动中的应用》文中研究说明本文以国家自然科学基金资助项目《直线伺服双位置环动态精密同步进给理论和实现方法研究(NO.50075057)》为背景，将非线性PID控制理论应用于电机的同步控制当中，给出了非线性PID控制器的设计方法，并且与传统线性PID控制下的控制系统做了比较，验证了该方法的有效性。 由于永磁直线同步电动机消除了旋转电机由旋转运动到直线运动的机械传动链的影响，且具有电磁推力强度高、损耗低、电气时间常数小、响应快等特点，使其在高精度、微进给伺服系统中成为执行机构的最佳选择之一。本项目首次提出了在诸如龙门移动式镗铣床等涉及高精度同步进给技术的现代加工设备中，采用永磁直线同步电机作为同步进给的驱动元件，以发挥其高速的动态响应能力，实现动态同步进给。 本文的创新之处在于，将传统的固定增益的PID控制器用非线性PID控制器来代替，并在此基础上，就一般控制系统的阶跃响应曲线，分析了在不同响应时间阶段PID的叁个增益调节参数的理想变化情况，并根据这些理想变化，分别给出了比例、积分、微分增益参数的一种连续的非线性拟和函数。在分析双位置环时，仔细考虑了能使系统性能变坏的各种因素，如系统的动态性能及控制出入能量的大小等等。针对非线性控制器设计参数较多这个问题，本文将参数设计问题转化为一种优化设计问题，借助于寻优方法中最为有效的遗传算法，可以比较方便的找出符合设计要求的一组调节参数，来解决模型摄动和参数不确定性给系统带来的扰动，以保证系统的稳定性及鲁棒性。 所提出的控制方案有严格的理论基础，既保证了闭环系统的稳定性和快速的跟随性能，又抑制了模型摄动及外部干扰对系统的影响，提高了系统响应的快速性，保证了系统的鲁棒性能。由于非线性函数的变化特性基本符合参数的理想变化过程，因此非线性PID控制器能够克服超调量和快速性之间的矛盾，达到改善控制效果的目的。对应用了非线性PID控制器的系统的数字仿真也验证了所提方案是行之有效的。
仇静[2]2014年在《基于PID的直线电机控制方法及实验研究》文中提出高速高精度运动平台被广泛应用于高端数控装备，如高档数控加工中心、航空航天制造装备和IC封装设备等。随着科技的发展，对高端数控装备的要求也越来越高，给高速高精平台及其伺服控制的设计带来了极大的挑战。因此本文面向高端数控装备，对高速高精直线电机驱动技术及其控制方法展开了研究，这对加快我国制造产业的发展具有重要的理论意义与实际应用价值。本文针对直线电机数控系统实验平台，对其系统误差进行补偿，并重点研究了基于PID的直线电机控制方法，提出了带前馈模糊PID控制方法，并利用直线电机数控系统实验平台展开实验，成功地验证了带前馈模糊PID控制方法的优越性。本文的主要内容及成果有以下几点：(1)掌握直线电机高速高精平台的结构组成和驱动特点，并建立永磁同步直线电机的数学模型。同时为了减少由于制造和装配等引起的系统误差，采用分段线性误差补偿模型对直线电机数控系统实验平台的系统误差进行一次性补偿。(2)对直线电机的PID、带前馈的PID和模糊PID控制方法进行了深入研究，并提出了一种适用于直线电机伺服控制的带前馈模糊PID控制方法。(3)分别建立了基于PID、带前馈的PID、模糊PID和带前馈模糊PID控制方法的直线电机伺服系统控制模型，并在MATLAB/SIMULINK软件平台上建立了对应的仿真模型，进而对四种控制方法分别开展了单位阶跃响应和正弦响应仿真实验。结果表明，带前馈模糊PID控制方法的响应速度快且控制精度高，较优于其它叁种控制方法。(4)设计并编写出了基于PID、带前馈的PID、模糊PID和带前馈模糊PID的直线电机伺服控制算法，并利用PMAC运动控制卡，实现各种控制方法对直线电机的控制。利用上述四种控制方法，在变负载下对直线电机进行控制实验，将带前馈模糊PID控制方法与其它叁种控制方法的控制效果进行分析对比，结果表明：带前馈模糊PID控制方法既可避免静态误差，减小跟踪误差，又不依赖于精确的控制模型，可根据工作环境实时地改变控制参数，具有很强的适应性，且实验结果与理论分析及仿真结果具有较好一致性。
韩明文[3]2012年在《永磁同步直线电机神经网络PID控制系统的研究》文中提出永磁同步直线电机以其结构简单、效率高、定位精度高、转动惯量低等优点被广泛应用于现代机床加工、自动控制系统以及交通和民用等领域。与传统“滚轴丝杠+旋转电机”的传动方式相比,直线电机由于少了中间传动装置,虽然机械传动链所造成的一些不良影响有所改善,但是也增加了控制的难度。传统PID控制虽然具有结构简单、技术成熟、易实现等优点,但在这种非线性度高、外部干扰多的应用场合已不能达到理想的控制效果。因此,为了使控制系统具有更好的抗干扰能力和自适应能力,必须引进先进的控制策略以减小外部干扰对控制系统的影响。本文根据永磁同步直线电机的运行原理,在系统的分析了矢量控制及其变化之后,建立了电机的数学模型,并依此构建出直线电机在Matlab/Simulink下的仿真模型,通过仿真得到传统PID控制下直线电机的速度以及推力的输出波形。之后文中提出将积分分离控制器应用于直线电机的控制,使电机的控制效果较PID控制得到了一定的提高。针对直线电机快速响应、超调量和抗干扰能力方面的要求,本文提出将RBF神经网络与PID结合作为系统速度环的控制器,仿真实验结果表明,这种控制器比传统的PID控制器和积分分离控制器具有更好的跟踪性能和更强的鲁棒性,从而证明了本方法的有效性。
唐姣姣[4]2016年在《基于交叉耦合算法的双直线电机协同控制系统研究》文中研究表明近年来,直线电机因其结构简单、定位精度高、且无中间传动装置,所以在各种高精密加工场所的应用也越来越广泛。在加工零件的过程中,很多时候都需要多台电机的协同配合才能完成,同时多直线电机的协同运行也提高了工业加工的效率,因此,越来越多的人着手于多直线电机协同控制问题的研究。但是,直线电机的结构比较特殊,无中间传动结构,外部扰动直接作用在了直线电机的动子上,且多个电机之间存在着耦合关系,影响了同步控制的效果,降低了产品的加工质量和制作精度。所以改善多直线电机协同控制伺服系统的性能,减小多直线电机的同步控制误差具有重要的现实意义。本文的主要研究对象是具有H型结构(如激光雕刻机、龙门移动式镗铣床)的双永磁同步直线电机(PMSLM)协同控制系统,文章首先阐述了双直线电机同步控制所存在的问题,然后提出了解决这些问题所采用的方法。目前,提高双PMSLM同步控制精度以及速度的办法很多,一般包括以下几个方面：优化PMSLM的结构参数、研制新型的永磁材料、改善已有的控制算法或者研究新型的控制算法等。本文主要从控制算法上进行了研究和改进。双PMSLM同步控制存在的问题主要有两个：一、如何实现单直线电机的跟随性能以及抗扰动性能同时最优；二、如何实现双PMSLM位置及速度的同步控制。首先,单PMSLM伺服控制系统性能的好坏直接决定着多PMSLM的位置同步精度,但是传统的PID控制算法不能兼顾系统跟随性能和抗干扰性能,所以本文采用了二自由度PID控制算法,并罗列了2DOF PID控制器的几种典型结构。因为设定值前馈型2DOF PID控制算法的参数较少,实现较为容易,所以本文采用了此种控制算法。同时结合了具有学习能力以及在线整定能力的模糊控制算法,设计了一种设定值前馈型Fuzzy 2DOF PID控制器,应用在直线电机的位置环中,不仅实现了PID参数的在线整定功能,而且使得电机的跟随性能和抗干扰性能均达到最优。随后在Matlab环境下将基于该算法的矢量控制模型和基于传统PID控制算法的矢量控制模型进行了仿真实验对比,结果验证了此算法的鲁棒性较强,且其跟随性和抗干扰能力也很好,满足设计要求。其次,通过分析可知,相比于并联式同步控制、主从式同步控制及虚拟主轴等几种控制算法,交叉耦合控制算法在双直线电机同步控制上具有更好的动态响应和调节能力,因此本文设计了一种新型的交叉耦合控制器,将两PMSLM的速度误差和位置误差作为交叉耦合控制器的输入信号,经过交叉耦合控制器处理后的输出信号再补偿给两PMSLM的位置给定,最终实现两PMSLM速度和位置的绝对同步。然后进行了仿真实验验证,从仿真曲线可以看出此控制算法下的两直线电机的速度误差以及位置误差都很小,系统的同步控制性能也有了很大的提高。最后,以AD5435半实物仿真机为实验平台,设计了双永磁同步直线电机的软、硬件控制系统,然后将双PMSLM同步控制算法移植到该系统之中,对其实际运行情况进行了测试,实验结果表明该伺服控制系统的跟随性能好,鲁棒性强,即使某一台电机受到扰动,系统也能在较短的时间内恢复到稳定状态(也即两PMSLM的位置同步状态)。
曹文霞[5]2009年在《RBF神经网络整定PID控制直线永磁同步电机的研究》文中研究表明数控机床是机械制造业的主流装备,用数控机床提升传统制造业装备水平的重大意义,已经成为有关各界人士的共识。特别是随着数控机床加工技术要求不断地实现高速和超高速化、精密和超精度化,具有高速反应能力的直线伺服进给系统—即“零传动”方式便应运而生,直线驱动技术在精密定位领域中也得到了广泛的应用。本文中对直线电机直接驱动系统进行研究,选择直线永磁同步电机为控制对象,针对直线伺服系统的稳定性和快速性之间的矛盾,主要进行控制方案的优化设计,实现系统对给定的快速跟踪,对参数变化和阻力扰动最大程度的抑制,提高直线伺服系统的稳态精度。直线电机伺服系统与传统的“旋转电机+滚珠丝杠”进给方式相比,虽然消除了机械传动链所带来的一些不良影响,但却增加了控制的难度。在要求高精度微进给的场合,必须站在更高的层次上,考虑更多的摄动与扰动等不确定因素对进给运动的影响,否则,零传动将失去原来所希望的意义。为了实现高精度高速度的控制结果,我们需要寻求有效的控制策略。到目前为止,PID控制仍然是历史最久、生命力最强的基本控制方式。计算机技术的不断发展为数字化PID控制技术提供了良好的物质基础,由于计算机具有运算速度快、精度高、存储容量大,编程灵活及很强的通信能力等特点,广泛应用于各种工业控制中。直线交流伺服电动机具有非线性、耦合性、负载扰动、时变不确定性等,难以建立精确的数学模型等特点都给系统的建模带来困难,使用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。神经网络中应用较多的是反向传播BP(Back Propagation)网络,但是BP网络存在易陷入局部极小、训练速度慢、效率低等缺点,而径向基函数RBF(Radial Basis Function)网络在一定程度上克服了BP网络存在的不足,具有运算量小、收敛快、无局部极小等优点。将RBF神经网络和传统PID控制相结合形成的RBF神经网络整定PID控制,将会在一定程度上改进传统PID控制器的性能。利用MATLAB编写控制程序,进行了仿真实验研究。仿真结果表明,此优化的RBF神经网络整定PID控制系统与传统PID控制器的伺服性能比较具有更好的跟踪能力和很好的鲁棒性能。从而表明在直线交流伺服系统中利用RBF整定PID控制该系统是一种行之有效的方法。
赵志洪[6]2015年在《永磁直线同步电机无位置传感器控制研究》文中进行了进一步梳理随着现代工业的发展,传统的直线驱动伺服系统已无法满足高速、超精密仪器仪表加工等制造行业日益发展的需要,而永磁直线同步电机(PMLSM)以其伺服性能好、定位精度高、运动行程较大以及系统结构简单等特点在装备制造、机械加工等场合得到了越来越多的应用。传统带有物理传感器的PMLSM驱动伺服系统存在诸多缺点,因此在保证伺服性能良好、系统成本低廉的前提下,研制永磁直线同步电机无位置传感器伺服控制系统,以解决引入物理传感器所带来的问题,成为了近年来广大科研人员共同努力的方向。本文解决了无位置传感器控制系统中的核心问题——对动子位置以及速度进行实时估计。本文首先对PMLSM的工作原理及其组成结构进行了系统的研究,在分析SVPWM矢量控制原理以及传统带有物理传感器伺服控制系统的基础上,提出了永磁直线同步电机无位置传感器伺服控制整体方案,其中位置/速度反馈信号通过估计器获得。其次,为了在全速范围内精确地估计出动子的位置与速度,本文利用了一种状态增广的扩展卡尔曼滤波法(AEKF),该估计算法可对系统状态以及绕组电阻进行同时估计,有效解决了因绕组电阻变化而导致估计不精准的问题;另外,为了获取电机初始磁极位置以使电机正常启动,本文通过施加一系列电压脉冲信号,并检测对应d轴电流值,以此来确定初始磁极角度,该方法的理论估计精度为:?9375.0?;而对于在PMLSM无位置传感器伺服控制系统中负载扰动较大、系统参数摄动以及估计信号不确定等问题,本文在该系统速度环中设计了一种增量式模糊PID控制器,以提升系统整体的抗扰动能力以及鲁棒性。最后,在计算机仿真的基础上,设计并制作了相应的软、硬件,并在龙门双驱直线电机运动平台上对该无位置传感器伺服系统估计方案进行了验证,实验结果表明,动子的位置与速度估计值基本上与光栅编码器的测量输出一致,其估计误差在合理的范围内,能满足较精密的直线电机伺服系统。
潘霞远[7]2008年在《高精度永磁直线伺服系统的研究》文中认为在现代加工工业领域,诸如激光切割、高速磨床、精密车床、加工中心等很多场合都需要高速度高精度的直线运动,而传统的方法只能借助于旋转电动机和滚轴丝杆等中间环节来获得直线运动,这就不可避免地存在惯性大、摩擦大、有反向间隙等缺点。近年来,随着直线电机技术的进步,越来越多的场合开始直接应用它来获得直线运动。由于采用直接驱动(Direct Drive)技术,直线电机具有动态响应快,控制精度高,可以超高速运行等优点,而这恰恰满足了高速精密加工技术的要求。为了探索和拓展直线电机在精密加工领域的应用,本文用系统集成的方法设计了一套永磁直线伺服系统,并通过Matlab仿真技术研究其实现高性能、高精度运行的控制算法。首先,本文根据永磁同步直线电动机在d-q坐标系下的状态空间模型,采用磁场定向原理和i_d=0的控制策略,对电机模型进行了解耦和线性化处理,得到了它的频域模型。基于这个模型,我们分别采用H_∞闭环增益成形方法和前馈控制技术,设计了一个速度环的鲁棒PID控制器和一个速度前馈控制环节。仿真结果证明,鲁棒PID控制器不仅具有良好的抗外扰能力,同时对系统的内部参数如动子质量、电枢电阻、主磁极磁链等参数的摄动也具有很强的鲁棒性;而引入前馈环节后,还可以进一步提高系统的响应速度和控制精度。此外,论文还分析了一种伪微分前馈控制方法,它也是一种带前馈的PI控制方法,但由于引入了一个伪造的速度微分反馈项,使它在动态性能和噪声抑制方面都有不少提高。同时,这种控制方法的设计不依赖于对象的模型,比较适合于工程应用。为了实现直线伺服系统的高精度定位控制。本文首先研究由位移指令得到速度指令的速度规划方案,然后根据速度控制的研究基础,设计了一套具有速度和加速度双前馈的P/PI型位置、速度双环控制系统,由前馈通道提供主控指令,而主通道控制器进行误差控制。仿真结果显示,系统具有极高的响应速度和控制品质,其稳态定位误差趋于0,动态定位误差可以控制在微米级。该系统有五个控制参数,本文采用遗传算法对控制参数进行了优化选择,遗传算法的适应度函数综合考虑了系统的控制性能和鲁棒性能,从仿真结果观察,优化参数取得了满意的控制效果。此外,本文还研究了基于伪微分前馈控制方法的位置控制,但其性能与双前馈P/PI方法相去甚远。论文从设备的选型、安装和初步调试,到控制算法的选择和优化,完成了整个永磁直线伺服系统的初期设计任务,为永磁直线伺服系统的开发和应用奠定了基础。
谢潜伟[8]2013年在《永磁同步直线电机的变论域模糊PID控制》文中进行了进一步梳理永磁同步直线电机由于其具有速度和加速度大、精度高、结构简单、振动和噪声小、动态响应大等优点,从而逐渐广泛应用于现代工业中。直线电机的伺服系统和传统的“旋转电机+滚珠丝杆”相比,尽管是消除了中间传动环节,但同时也为系统的控制带来了更高的难度。传统的PID控制尽管具有容易实现、结构简单等优点,但在要求高精度的场合中,必须考虑更多外部参数摄动和扰动等不确定因素的影响。因此为了达到高精度高速度的控制效果,应当寻求更为有效的控制策略。本文在分析了永磁同步直线电机达到运行原理的基础上,得出了直线电机的数学模型,同时在Matlab/Simulink环境下构建了相应的直线电机的仿真模型,通过仿真而得到了永磁同步直线电机在传统的PID控制下的速度和推力波形。针对直线电机抗干扰和超调量方面的需求,本文结合传统PID控制和模糊控制的优点,将变论域思想引入控制器的设计中,设计了一种可变论域的模糊PID速度控制器。整个控制系统的设计中最为关键的环节是模糊控制规则的设计,其直接决定了控制系统的性能,一般通过现场工作人员和专家的经验的获取,由于人工经验的主观性和随机性,难以达到理想的控制效果。因此,本文加入了遗传算法用于优化模糊PID控制系统的模糊控制规则,从而实现对复杂控制系统和高精度伺服系统的良好控制效果。仿真结果表明,这种基于遗传算法的模糊PID控制器比传统的PID控制器具有更强的鲁棒性和动态响应性能,证明了本方法是一种行之有效的方法。
乔昌风[9]2014年在《新型圆筒型永磁直线电机的设计及其控制研究》文中指出从上世纪90年代中期以来,科学技术有了突飞猛进的发展,特别是计算机技术对现代控制理论产生了巨大的影响,使伺服电机和伺服控制科学得到了长足的进步,数字化控制技术逐渐取代了传统的模拟控制技术,使直线电机驱动技术在精密定位领域中的应用也越来越广泛。直线电机的出现改变了驱动系统的结构,取消了齿轮和滚珠丝杆等中间传动设备,彻底消除了机械传动部件对速度和加速度以及寿命上的不良影响,通过电磁转换直接生成直线运动,具有长行程,精度高、推力大、响应快,高速度等诸多优点,在运动控制和大推力传动等领域均有广泛的应用前景,成为新一代超精密机床中最具有代表性的技术,所以直线电机伺服系统将成为今后机床伺服系统发展的方向。本文研究的课题是以直线电机作为驱动部件,利用现有的实验设备,对直线电机伺服系统进行优化,设计一款新型直线电机,分析计算确定参数后,通过新的实验方法,完成了应用于实际机床驱动的永磁直线同步电机控制系统,并通过了机床上的应用验证。本文的研究内容包括：一、对永磁同步直线电机伺服系统的国内外研究现状进行了介绍,对直线电机的发展历程进行简要描述,分析了直线电机在伺服系统的特点及应用的优势、应用的过程及在应用过程中存在的问题,详细介绍几种控制方法以及在控制系统中的控制作用特点,不同控制方法相结合,扬长避短,实现高效控制的方法和重要性,阐述了直线电机伺服系统在机床伺服领域中推广应用的重要意义。二、阐述了直线电机的组成结构和工作原理,建立了直线电机伺服系统的数学模型：针对直线电机伺服系统采用传统的双闭环控制器进行设计和MATLAB仿真研究。提出一种新的采用一种模糊自适应PID控制器,通过MATLAB仿真并与传统PID仿真曲线的对比分析表明,在此种方案下,抗干扰性能强、鲁棒性、快速性及动态性能均良好可以满足被控对象对高精度的要求证实了控制方案可行性。叁、针对高精度驱动系统的永磁直线电机的应用,本文提出了设计方案、对直线电机选型,构建一套完整的高精度直线电机驱动伺服系统,试验验证伺服定位精度达到正负1μm以内,满足设计要求。最后,对本文的研究成果进行总结,通过在现场实验分析,验证了系统设计的有效性和可行性。
张可明[10]2018年在《基于模糊-PID的永磁同步直线电机控制方法研究》文中研究表明永磁同步直线电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM)具有反应迅速,定位精度高,速度和加速度快、推力强度大、损耗低等优点,使其广泛的应用于精密工业制造业,数控机床、医疗器械,航空航天设备,自动绘图仪等高精度高科技领域。但永磁同步直线电机也是一个非常复杂的的系统,具有非线性、强耦合、时变的特点。由于其自身结构特殊,在运行中又要受到如永磁体的不均匀、动子质量、负载的扰动、环境的变化等扰动因素,不易达到精确控制。其次,直线电机的的传动方式不同于传统的传动方式(传统的传动方式为“旋转电机+滚珠丝杆”),它的传动过程没有中间环节,属于零传动方式,不能吸收或者缓冲这些扰动,控制难度又有所加大。传统的PID控制由于其结构简单,使用简便,在一般的工业控制以及电机控制系统领域应用广泛。但对于直线电机应用广泛的精密工业制造业等要求控制精确的领域,由于PID控制器的参数Kp、Ki、Kd无法随着系统的扰动而变动,难以保证系统能够精确控制。针对以上问题,本文提出一种基于智能融合的模糊-PID控制策略。首先,本文以直线电机的理论为依据,介绍了直线电机的结构与工作原理,建立了d-q轴的PMLSM的数学模型。其次,介绍了空间矢量控制方法(SVPWM)的原理与实现过程,并从功率模块和控制模块设计了控制系统的硬件主电路。再者,根据模糊控制的基本理论,设计出控制系统的模糊-PID控制器,并根据控制系统的要求设计了系统的主要软件程序设计。最后搭建了基于模糊-PID的永磁直线同步电机控制系统的仿真模型,得到了控制系统的仿真曲线并进行分析。通过与PID的控制效果相对比,来验证模糊-PID控制策略的优越性。仿真结果表明模糊-PID控制策略能够提高对PMLSM的控制精度和动静态性能,其控制系统的鲁棒性和动态响应性能好。
参考文献：
[1]. 非线性PID控制器在直线电机同步传动中的应用[D]. 綦艳丽. 沈阳工业大学. 2003
[2]. 基于PID的直线电机控制方法及实验研究[D]. 仇静. 合肥工业大学. 2014
[3]. 永磁同步直线电机神经网络PID控制系统的研究[D]. 韩明文. 华东理工大学. 2012
[4]. 基于交叉耦合算法的双直线电机协同控制系统研究[D]. 唐姣姣. 安徽大学. 2016
[5]. RBF神经网络整定PID控制直线永磁同步电机的研究[D]. 曹文霞. 合肥工业大学. 2009
[6]. 永磁直线同步电机无位置传感器控制研究[D]. 赵志洪. 中国计量学院. 2015
[7]. 高精度永磁直线伺服系统的研究[D]. 潘霞远. 广东工业大学. 2008
[8]. 永磁同步直线电机的变论域模糊PID控制[D]. 谢潜伟. 华东理工大学. 2013
[9]. 新型圆筒型永磁直线电机的设计及其控制研究[D]. 乔昌风. 大连理工大学. 2014
[10]. 基于模糊-PID的永磁同步直线电机控制方法研究[D]. 张可明. 长春工业大学. 2018
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