基于非線性和柔性特性分析及補償?shù)闹本€電機精密運動控制.pdf

1、現(xiàn)代的機電系統(tǒng)，例如先進機床、微電子和半導體制造裝備、光學檢測系統(tǒng)和芯片傳輸系統(tǒng)，通常需要高速高精度的直線運動。而直接驅動的直線電機系統(tǒng)消除了中間機械傳動機構帶來的一系列問題，例如齒隙、大摩擦力和慣性負載、結構的柔性，故而有潛力達到更高的速度和精度。但是為了實現(xiàn)高速高精度運動的目標，我們必須考慮直線電機系統(tǒng)存在的幾個控制難點:明顯的模型不確定、參數(shù)不確定和外干擾，各種非線性動力學，高頻柔性動力學。本論文就是以直線電機的非線性和高頻柔性作

2、為兩大研究重點。深入分析了定位力、摩擦力和非線性電磁驅動力三大主要的非線性動力學，對每一類非線性提出了更精確且又能用于實時補償控制的數(shù)學模型，并通過時域辨識實驗驗證這些模型的有效性和準確性。將非線性自適應魯棒控制技術和各種非線性的有效補償相結合，提出各種非線性有效補償?shù)淖赃m應魯棒控制算法，這些控制算法在理論上保證優(yōu)越的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)跟蹤性能，并通過一系列的對比實驗驗證了這些非線性補償對控制性能的進一步提升。另一方面，考慮現(xiàn)今控制器設計所忽略

3、的高頻柔性動力學，找出主導高頻動力學的物理機制并建立可用于控制器分析和設計的高頻動力學模型，通過頻域辨識實驗驗證其模型的有效性。依據(jù)這些高頻動力學信息，提出控制器參數(shù)選擇的優(yōu)化準則，在現(xiàn)有的剛性動力學控制器框架下獲得了最優(yōu)的控制性能。為了更進一步提升系統(tǒng)的閉環(huán)頻寬，高頻動力學也被引入到控制器的結構設計中。首先嘗試了簡單的零極相消技術，以消減主導柔性模態(tài)的影響。隨后，提出了一種新型的基于μ-synthesis的自適應魯棒控制策略。該算法使

4、用自適應在線參數(shù)估計和有效的非線性前饋模型補償，把傳統(tǒng)μ-synthesis魯棒控制難以實現(xiàn)的精確跟蹤問題轉化為鎮(zhèn)定問題。而且利用μ-synthesis反饋控制設計可直接考慮高頻動力學的優(yōu)點，設計出更高閉環(huán)頻寬和更強抗干擾能力的魯棒反饋控制。
　　本論文共分為六章，現(xiàn)分別簡述如下:
　　第一章，詳細介紹了直線電機精密運動控制的研究背景以及研究狀況，歸納出直線電機高速高精度運動控制的幾大難題。介紹各種控制方法在直線電機精密運動

5、控制中的應用。闡述了直線電機系統(tǒng)存在的定位力、摩擦力和非線性電磁驅動力三大非線性動力學，以及它們的研究現(xiàn)狀。分析了系統(tǒng)高頻柔性動力學對控制性能的約束，以及現(xiàn)有的建模和辨識結果。最后概述了本論文的研究意義及研究內容。
　　第二章，簡述了論文研究所使用的實驗平臺及其硬件性能參數(shù)。發(fā)展了直線電機的非線性剛性動力學模型。在原有周期性定位力模型的基礎上，使用B樣條函數(shù)提出了非周期定位力的數(shù)學模型，兼顧其整體上的周期特性和局部區(qū)間的非周期特性

6、。分析原始LuGre動態(tài)摩擦力模型的耗散性問題和數(shù)字控制時的觀測器失穩(wěn)問題，提出改進型的LuGre動態(tài)摩擦力模型。針對直線電機電磁驅動力的非線性特性，提出了易于補償控制實現(xiàn)的三階多項式非線性電磁力模型。所有這些模型在準確描述非線性動力學特性的同時，也兼顧到了補償控制器的實現(xiàn)難度。隨后，對直線電機系統(tǒng)進行時域系統(tǒng)辨識，獲得剛性動力學的各主要參數(shù)，驗證各種非線性模型的有效性。
　　第三章，以簡化的直線電機二階剛性動力學為例，系統(tǒng)地闡述

7、了自適應魯棒控制的基本概念和各種變換形式，該控制方法從理論上保證系統(tǒng)在建模誤差下的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，以及只存在參數(shù)不確定時的漸進跟蹤性能。將自適應魯棒控制技術和各種非線性模型補償有機結合起來，分別設計了非周期定位力補償?shù)淖赃m應魯棒控制算法、改進的LuGre動態(tài)摩擦力補償?shù)淖赃m應魯棒控制算法、非線性電磁力補償?shù)淖赃m應魯棒控制算法、以及各種非線性綜合補償?shù)淖赃m應魯棒控制算法。通過對比實驗，驗證模型補償?shù)挠行院涂刂扑惴ㄋ軐崿F(xiàn)的優(yōu)越控制性能。

8、
　　第四章，首次分析了直線電機高頻動力學的存在因素和物理特性，找出因平臺旋轉而產(chǎn)生的主導高頻模態(tài)，并建立其數(shù)學模型。進行頻域系統(tǒng)辨識，了解剛性動力學的有效頻率范圍和高頻柔性模態(tài)的存在頻段，驗證所提的高頻動力學模型的有效性。根據(jù)已知的高頻動力學，通過實驗和理論分析，討論了高頻動力學、控制器參數(shù)和系統(tǒng)閉環(huán)頻寬之間的關系，提出了控制器參數(shù)選擇的優(yōu)化準則，在現(xiàn)有的剛性動力學控制器框架下實現(xiàn)最優(yōu)的控制性能。
　　第五章，為了進一步提

9、升系統(tǒng)的閉環(huán)頻寬，高頻動力學被引入到控制器的結構設計中。首先嘗試了簡單的零極相消技術，消減主導柔性模態(tài)的影響，故而提高了系統(tǒng)的閉環(huán)頻寬上限。對于已知的非線性剛性動力學和高頻柔性模態(tài)，打破原有的剛性動力學控制器設計結構，提出新型的基于μ-synthesis的自適應魯棒控制策略。其自適應前饋環(huán)節(jié)可以擁有精確的在線參數(shù)估計和有效的非線性模型補償，并把軌跡跟蹤問題轉化為鎮(zhèn)定問題以便于μ-synthesis魯棒反饋控制器設計;由于使用高頻動力學作