开放式数控系统伺服控制技术的研究

论文摘要

本文根据开放式数控伺服系统的特点,针对传统PID控制技术的优点(结构简单、调节方便、无须知悉被控对象数学模型等)和缺点(三个系统调节参数很难协调一致,取得最优性能等),提出了三种控制技术,即改进的PID控制技术、重复控制技术和自抗扰控制技术,在分析了这三种控制技术原理的基础上,分别在计算机上进行了仿真测试。仿真测试结果表明自抗扰控制技术在无超调、无震荡方面表现突出,但是实时性比较差,而且实现起来比较困难,因此选用改进的PID控制技术和重复控制技术作为开放式数控伺服系统的控制技术,并在该系统上进行实现和测试。实测结果表明重复控制技术在对周期性重复运动的控制上确实优于PID控制技术。本文主要内容包括如下:1.介绍了数控系统伺服控制技术的研究概况和开放式数控系统平台。2.阐述了系统辨识理论和对数控伺服系统进行系统辨识的方法,并以M序列为输入信号,使用PMAC的数据采集功能采集了数控伺服系统的输入和输出信号,并通过MATLAB软件,处理了所采集的数据,从而获得了数控伺服系统的数学模型。3.阐述了PID控制技术的基本思想,提出了改进的PID控制器,介绍了该控制器的各个组成部分,包括比例环节、积分环节、微分环节、积分分离、微分先行等,以及各部分的具体功能,并在计算机环境中对其进行了仿真分析。4.阐述了重复控制技术的基本思想,介绍了重复控制器各个组成部分,包括内模、低通滤波器、前馈环节、超前补偿环节和稳定化补偿器,接着分析了重复控制系统的稳定性,最后在计算机环境中对其进行了仿真分析。5.阐述了自抗扰控制技术的基本思想,介绍了自抗扰控制器的各个组成部分,包括跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制律,并非别对这三个部分的作用原理进行了理论分析,最后在计算机环境中对其进行了仿真分析。6.介绍了在PMAC上进行伺服扩展的技术,编制了相应的基于PID控制技术和重复控制技术的伺服控制程序,并在开放式数控平台上实现了这两种伺服控制技术,同时进行了系统测试,测试结果表明在重复控制技术调节下的跟随误差比在PID控制技术调节下的跟随误差要减少71.9%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出背景
• 1.2 数控系统伺服控制技术的研究概况
• 1.3 开放式数控系统的试验平台
• 1.4 本课题研究意义和主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 数控伺服系统的模型辨识
• 2.1 系统辨识理论简介
• 2.2 数控伺服系统模型辨识的思路
• 2.3 系统辨识激励信号的选取
• 2.4 数控伺服系统输入输出信号的采集
• 2.5 数控伺服系统模型的辨识
• 2.5.1 系统辨识方法简介
• 2.5.2 基于MATLAB 的系统辨识
• 2.6 本章小节
• 第三章 PID 控制技术的研究
• 3.1 PID 控制器的基本原理
• 3.2 PID 控制器的构建
• 3.2.1 数控伺服驱动系统控制模式的选择
• 3.2.2 数控伺服系统PID 控制器的构建
• 3.3 数控伺服系统PID 控制器的仿真
• 3.4 本章小节
• 第四章 重复控制技术的研究
• 4.1 重复控制器的基本原理
• 4.2 重复控制器的构建
• 4.3 重复控制器稳定性分析
• 4.4 重复控制器的仿真
• 4.5 本章小节
• 第五章 自抗扰控制技术的研究
• 5.1 自抗扰控制器组成结构
• 5.2 自抗扰控制器的构建
• 5.2.1 跟踪微分器TD
• 5.2.2 扩张状态观测器ESO
• 5.3 自抗扰控制器的仿真
• 5.3.1 MATLAB/Simulink 中S-function 简介
• 5.3.2 自抗扰控制器的仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 不同伺服控制技术的应用比较
• 6.1 不同伺服控制技术在数控系统上的实现
• 6.2 不同伺服控制技术的实测结果及其与仿真结果的比较
• 6.2.1 不同伺服控制技术的实测结果比较
• 6.2.2 不同伺服控制技术的实测结果与仿真结果的比较
• 6.3 各种伺服控制技术的特征及其应用范围的讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录