二维精密运动平台的轮廓伺服控制器设计

摘要 .......................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................ I I 第1章绪论 (1)

1.1 课题背景及研究意义 (1)

1.2 国内外研究现状及分析 (2)

1.2.1 单轴伺服控制 (2)

1.2.2 轮廓控制器 (4)

1.3 本文主要研究内容 (6)

第2章单轴进给系统建模及分析 (7)

2.1 引言 (7)

2.2 单轴进给系统结构组成 (7)

2.3 单轴进给系统的数学模型 (8)

2.3.1 单轴进给系统建模分析 (8)

2.3.2 机械部分建模 (8)

2.3.3 电气部分建模 (9)

2.4 单轴进给系统简化模型 (13)

2.5 单轴伺服进给系统性能分析 (14)

2.6 本章小结 (15)

第3章单轴进给系统伺服控制器 (16)

3.1 引言 (16)

3.2 精密定位平台控制器特点 (16)

3.2.1 位置环控制器的选择 (17)

3.2.2 位置环非线性PID的设计 (19)

3.2.3 位置环非线性PID控制器仿真 (21)

3.3 复合位置控制器设计 (25)

3.3.1 复合控制原理 (25)

3.3.2 速度前馈设计 (26)

3.4 干扰观测器设计 (27)

3.4.1 干扰观测器设计原理 (27)

3.4.2 干扰观测器参数设定 (30)

3.5 本章小结 (31)

第4章二维精密运动平台轮廓伺服控制器 (32)

4.1 引言 (32)

4.2 二维轮廓误差建模及分析 (32)

4.3 变增益交叉耦合控制基本原理及控制结构 (35)

4.4 变增益交叉耦合控制系统MATLAB仿真 (36)

4.5 本章小结 (39)

第5章二维精密运动平台实验研究 (40)

5.1 实验平台的搭建 (40)

5.2 单轴进给系统控制器实验研究 (41)

5.2.1 线性PID控制器 (42)

5.2.2 加入速度前馈与未加入速度前馈对比分析 (45)

5.2.3 非线性PID控制器对比分析 (46)

5.3 本章小结 (50)

结论 (51)

参考文献 (52)

附录I非线性PID控制算法程序 (56)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (58)

致谢 (59)

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

第1章绪论

1.1课题背景及研究意义

伴随着工业的飞速发展，微小型化已经成为工业发展中的重要环节，其中在医学器械、军事工业、医疗电子行业等领域体现的尤其突出。同时，微小型产品的可靠性、功能复杂程度、结构稳定性等参数随着生产生活的提高要求也在不断的增高，从而精密微小零件的需求量大大增加[2-4]。如图1-1所示为利用微小型精密加工技术加工得到的光学微阵列器件。

图1-1 光学微阵列器件[1]

微细铣削加工技术具有加工效率高、可加工材料多样化，能够实现从简单二维到复杂三维曲面微小零件的加工，同时具有加工成本低、柔性强等优点，目前已成为微小零件制造的重要加工技术[5]。微细切削技术是覆盖微米至中间尺度范围，专门针对微小精密零件的制造技术，它是利用传统精密、超精密机械加工办法，针对微米至中间尺度范围内微小零件的加工技术。这项高新技术也是目前工业领域研究热点方向之一[6]。而目前大多数的微细小型精密三维零件都是在常规的精密、超精密机床上切削加工而成。而超精密机床设备主要用于超精密的微小零件的加工，如果用这种机床来加工面向中间尺度范围内的微小精密三维零件，效率低、成本高、也浪费大量的资源[7,8]。所以微细切削技术也是目前急需技术突破的热点研究课题。

精密定位技术是微细切削技术关键技术其中之一，由于加工时产生的摩擦、振动等非线性干扰因素会极大的影响系统的伺服性能及最后机床的加工精度[9]。因而有必要针对微细切削精密机床的加工特性，分析加工机理，专门设计与之相应的有效的精密定位伺服控制系统，从而实现精确的轮廓轨迹控制。

本文研究的目的是应用摩擦学、机械设计理论、自动控制理论、光栅测量