双轴位置控制系统设计
双轴跟踪转台伺服控制系统的建模及控制方法研究
摘要高精度转台在军事、航天航空、光电领域等得到越来越广泛的应用。
转台伺服系统一般是由转台机械本体和运行控制系统等构成，是雷达、坦克、射电天文望远镜等装备的重要组成部分。
主要性能指标包括系统的响应速度、低速运行平稳度和跟踪精度、抗干扰能力等。
本文以某双轴跟踪转台为研究对象，对其进行稳定跟踪控制算法的研究。
因为摩擦、齿隙、机械形变等扰动因素的存在使得双轴跟踪转台系统具有非线性的特点，滑模变结构控制算法对非线性系统有着较好的控制效果，本文设计的基于积分型切换增益的滑模变结构控制方法能保证控制系统的跟踪稳定性并且有较好的摩擦干扰抑制能力。
本文的主要内容是研究双轴跟踪转台的系统稳定跟踪控制问题，具体的工作如下：第一，通过机理模型建立双轴转台系统的单轴数学模型，同时对摩擦扰动进行LuGre模型的数学模型建立，并且根据坐标变换得到转台双轴联动的数学模型，这些工作为后续控制算法的构建和仿真模型奠定了基础。
第二，本文针对双轴跟踪转台的结构，基于RTU-BOX实时仿真平台开发了包含上位机的实时控制系统。
通过以太网通信实现串口通讯，实时数据读取、保存双轴跟踪转台系统的转速，为后续的LuGre模型参数辨识和控制算法做好实验准备。
第三，根据所建立的双轴跟踪转台伺服系统模型，设计了PD控制算法、基于趋近律算法的滑模控制算法和基于积分型切换增益的滑模控制算法对双轴跟踪转台的稳定控制和稳定跟踪问题进行研究。
其中，基于积分型切换增益的滑模控制算法不仅对摩擦扰动的抑制能力更强，而且鲁棒性更好。
Simulink仿真和RTU-BOX实时仿真结果证明了本文提出方法的有效性。
本文获得国家自然科学基金项目复杂电机系统关键基础问题研究51637001和国家自然科学基金青年基金( 51507001)的资助。
关键词：双轴跟踪转台，LuGre摩擦模型，滑模控制，实时仿真AbastractHigh-precision turntables have become more and more widely used in military, aerospace, and photovoltaic fields. The turntable servo system is generally composed of the turntable mechanical body and operation control system, etc. It is an important part of equipment such as radar, tanks, and radio astronomical telescopes. The main performance indicators include the system's response speed, low-speed operation stability and tracking accuracy, anti-interference ability, etc. In this paper, a dual-axis tracking turntable is taken as the research object, and the stable tracking control algorithm is studied. Because of the existence of disturbance factors such as friction, backlash, mechanical deformation, etc., the dual-axis tracking turntable system has nonlinear characteristics, and the sliding mode variable structure control algorithm has a better control effect on the nonlinear system. The sliding mode control method can ensure the tracking stability of the control system and has better interference suppression ability.The main content of this article is to study the system stability tracking control problem of dual-axis tracking turntable. The specific work is as follows:Firstly, the single-axis mathematical model of the dual-axis turntable system is established through the mechanism model, and the mathematical model of the dual-axis linkage of the turntable is obtained according to the coordinate transformation. At the same time, the mathematical model of the LuGre model for friction disturbance is established. These work are the construction of subsequent control algorithms And the simulation model laid the foundation.Secondly, this paper develops a real-time control system including a host computer for the structure of a dual-axis tracking turntable based on the RTU-BOX real-time simulation platform. Serial communication is realized through Ethernet communication, real-time data is read, and the rotation speed of the dual-axis tracking turntable system is saved, so that itis ready for the experiment of subsequent LuGre model parameter identification and control algorithm.Thirdly, based on the established dual-axis tracking turntable servo system model, the PD control method, sliding mode control method based on approach law method and sliding mode control method based on integral switching gain are designed to stabilize the dual-axis tracking turntable and stability tracking issues. Among them, the sliding mode control method based on integral switching gain not only has stronger ability to suppress friction disturbance, but also has better robustness. Simulink simulation and RTU-BOX real-time simulation results prove the effectiveness of the proposed method.This thesis was supported by the National Natural Science Foundation of China 51637001, a study on key basic problems of complex motor systems and the National Natural Science Foundation of China Youth Fund (51507001).Key words: Dual-axis tracking turntable, LuGre friction model, Sliding mode control, Real-time simulation目录第一章绪论 (1)1.1课题的研究背景及意义 (1)1.2 国内外双轴转台伺服系统的研究现状 (3)1.3 论文主要研究内容 (5)第二章双轴跟踪转台系统建模 (7)2.1 摩擦模型简介 (7)2.1.1 Stribeck摩擦力的基本原理简介 (7)2.1.2 LuGre摩擦模型 (9)2.1.3 LuGre模型参数的辨识设计 (10)2.2 双轴跟踪转台的数学模型 (13)2.2.1双轴系统的动力学建模 (15)2.3 本章小结 (21)第三章双轴跟踪转台硬件结构和控制系统 (22)3.1 系统硬件介绍 (22)3.2 RTU-BOX实时仿真控制系统 (26)3.3 本章小结 (29)第四章基于趋近律方法的双轴跟踪转台滑模控制器设计 (30)4.1 滑模变结构控制基本原理 (30)4.2 基于趋近律方法的滑模变结构控制器设计 (32)4.3 稳定性证明 (33)4.4 仿真结果分析 (34)4.4.1 基于PD模型的仿真模型 (34)4.4.2 基于趋近律方法的滑模控制器的摩擦补偿仿真模型 (34)4.5 本章小结 (38)第五章基于积分型切换增益的双轴跟踪转台滑模控制器设计 (39)5.1 具有积分型切换增益的滑模控制器设计 (39)5.2 稳定性证明 (40)5.3 仿真结果分析 (40)5.4 RTU-BOX实时仿真结果分析 (43)5.5 本章小结 (46)总结与展望 (47)总结 (47)工作展望 (47)参考文献 (49)致谢 (53)攻读学位期间发表的学术论文 (54)安徽大学硕士学位论文1 第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义转台系统的发展不断受到世界各国的重视。
plc旋转双轴云台设计
plc旋转双轴云台设计PLC（可编程逻辑控制器）旋转双轴云台设计是现代自动化领域中的关键技术之一。
本文将全面介绍PLC旋转双轴云台的设计原理、应用领域和指导意义。
首先，PLC旋转双轴云台是一种基于PLC技术的旋转装置，可以实现在水平和垂直两个方向的精确定位和运动控制。
它通常由电机、传感器、PLC控制器以及机械结构等组成。
其中，PLC控制器是核心，通过对传感器信号的采集和处理，控制电机的转动，从而实现旋转双轴云台的运动。
PLC旋转双轴云台的设计原理是基于闭环控制系统。
当PLC控制器接收到传感器信号后，会通过PID控制算法对电机进行精确的定位和运动控制。
PID控制算法是一种常用的自动控制算法，它通过不断地调整电机的转速和转向，使云台按照预定的轨迹运动，并保持稳定的位置。
这种设计原理可以实现非常精确的定位和运动控制，满足许多自动化设备的需求。
PLC旋转双轴云台广泛应用于工业自动化领域。
例如，在物流仓储系统中，它可以用于自动化堆垛机的定位和运动控制；在机器人领域，它可以用于机械臂的运动控制和抓取物体；在影视拍摄领域，它可以用于摄像机的运动控制和镜头跟踪等。
由于PLC旋转双轴云台的高精度和可靠性，它在这些领域中都发挥着重要的作用，提高了生产效率和产品质量。
设计PLC旋转双轴云台需要考虑以下几个方面。
首先，需要根据实际应用需求选择合适的电机和传感器。
电机需要具备足够的转速和扭矩，以满足旋转云台的运动要求。
传感器需要具备高精度的位置检测能力，以提供准确的反馈信号。
其次，需要合理设计云台的机械结构，保证云台的刚性和稳定性。
同时，在安装云台时要考虑到负载的平衡和重心的稳定，以避免云台运动过程中产生震动和摆动。
最后，需要编写PLC控制程序，包括传感器信号的采集和处理、PID控制算法的实现以及界面的设计等。
总之，PLC旋转双轴云台是一种高精度、可靠性强的自动控制装置。
它在工业自动化领域具有广泛的应用前景，可以实现许多自动化设备的定位和运动控制。
双轴联动系统广义预测交叉耦合位置控制
双轴联动系统广义预测交叉耦合位置控制陈炜;刘旭;史婷娜;夏长亮【摘要】In the biaxial motion system,the main objective of position control is to reduce the contour error and improve trajectory tracking capability.In the paper,a generalized predictive cross-coupling control strategy(GPCCC)is proposed for the steady-state accuracy and dynamic performance.First of all,the generalized predictive algorithm is applied to the biaxial control.The biaxial performance to track the given trajectory can be improved by the procedures of multi-step prediction,rolling optimization and feedback correction.And then the contour error is taken as the compensation component in the cross-coupling structure to correct the given trajectory of the generalized predictive control.The experiment is carried on a biaxial motion system driven by two PMSMs.The results show that the proposed control strategy can guarantee the trajectory tracking accuracy and the dynamic response speed,especially at the turning point,the contour error is obviously smaller than that of traditional PID cross-coupling position control.%在双轴联动系统中,减小轮廓误差和提高轨迹跟踪的能力是位置控制的主要目标.为提高轨迹跟踪的稳态精度和动态性能,本文提出了双轴广义预测交叉耦合控制策略(generalized predictive cross-coupling control,GPCCC).首先将广义预测算法应用于双轴联动控制中,根据已知轨迹进行多步预测、滚动优化和反馈校正来提高双轴控制性能,其次采用交叉耦合结构将轮廓误差作为反馈量来修正广义预测控制的给定轨迹.最后,通过两台永磁同步电机驱动的双轴联动系统完成实验,实验效果证明了所提出的控制策略在保证轨迹跟踪精度的同时,可以有效提高动态响应速度,尤其在轨迹转折点处,相比于传统PID交叉耦合结构,可以明显减小轮廓误差.【期刊名称】《控制理论与应用》【年(卷),期】2018(035)003【总页数】8页(P399-406)【关键词】永磁电机;双轴联动;广义预测交叉耦合控制;轨迹跟踪【作者】陈炜;刘旭;史婷娜;夏长亮【作者单位】天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072;天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072;天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072;天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072;天津市电机系统先进设计与智能控制技术工程中心,天津300387【正文语种】中文【中图分类】TP2731 引言(Introduction)双轴联动系统被广泛应用于数控机床精密加工、机械臂循迹运行、雷达定位等各个位置跟踪、定位控制领域中[1].现代装备制造业的迅速发展对系统的位置控制精度以及控制性能提出了更高的要求.而实际工作过程中,跟踪轨迹转折、双轴负载不平衡、摩擦力等因素会导致较大的轮廓误差,影响位置跟踪效果[2].因此研究双轴联动系统的位置跟踪控制策略对工业技术以及经济发展有重要的意义.传统双轴位置的控制方法为双电机驱动,对每台电机进行位置-速度-电流三闭环级联控制,其动态响应速度较慢,从而导致轮廓误差较大.为改善双轴系统的轨迹跟踪性能,一方面应提高各轴的位置控制精度与动态收敛性能,另一方面应加强双轴间的协调能力并提高轮廓误差的收敛速度[3].为提高单轴控制性能,Tomizuka提出了零相位误差跟踪控制器(zero phase error tracking control,ZPETC)的前馈控制方法,它基于逆系统思想通过与实际系统零极点对消来改善跟踪精度[4].针对其存在的参数敏感等问题,许多改进算法被提出,比如将ZPETC与扰动观测器相结合、对电机转动惯量和粘滞摩擦系数进行在线辨识,增强系统的抗扰能力[5].为提高双轴的协调能力,1980年卡农针对两轴机床提出了交叉耦合控制策略(cross-coupled control,CCC).通过在线计算系统的轮廓误差与双轴的补偿增益,对每个轴进行轮廓误差补偿、快速减少轮廓误差[6].此外,许多学者将CCC同模型参考自适应控制[7]、迭代自学习控制[8]、滑模变结构控制[9]、鲁棒控制[10]、预测控制[11]等先进的控制理论相结合,提高了跟踪精度,同时也增强了系统的抗扰能力.但是对于转折较多的复杂轨迹而言,现有算法很难兼顾轨迹跟踪的稳态精度与收敛速度.广义预测控制(generalized predictive control,GPC)将预测控制的滚动优化求解同参数自适应控制的自校正相结合,是一种基于模型的先进的控制策略[12].GPC利用受控自回归积分滑动平均模型(controlled auto-regressive integrated moving average,CARIMA)建模与Diophantine方程递推求解,采用多步预测、滚动优化和反馈校正等手段,表现出了良好的跟踪性能,并且其模型参数较少,对被控系统特性参数变化有更好的鲁棒性,因此逐渐被应用于电机控制领域中[13-14].本文将GPC与交叉耦合策略相结合提出了广义预测交叉耦合控制策略(generalized predictive cross-coupled control,GPCCC).采用GPC对传统双轴控制的位置环和速度环统一建模,根据价值函数来求解最优电流控制量,同时采用交叉耦合控制将双轴轮廓误差反馈,使得GPC的给定轨迹能够进行自修正.该策略综合考虑了单轴跟踪性能与双轴协调性能,旨在提高轨迹跟踪的精度与轮廓误差的快速收敛能力.2 轮廓误差分析(Contour error analysis)在双轴联动系统中,用于轨迹跟踪最主要的两种轨迹分别是直线轨迹与圆弧轨迹.在双轴跟踪给定轨迹过程中,跟踪误差e表示实际位置点与给定位置点的距离,轮廓误差ε表示实际位置点距给定轨迹的最短距离.直线轨迹的轮廓误差原理图如图1(a)所示.其中：P为实际位置,Pd是轨迹给定位置点,β是给定轨迹与x轴的夹角,P到Pd的距离为e,ex与ey分别为跟踪误差的x和y轴分量,P到轨迹的垂直距离为ε.根据图1的几何关系可以得出ε与e之间的表达式为图1(b)是以O为圆心,R为半径的1/4圆的圆弧轨迹轮廓误差原理图.此时实际位置P到圆的最短距离为ε.过给定位置Pd作切线l,l与x轴正方向的夹角为β.由图可得到圆弧轨迹下的ε与e之间的表达式为图1 轨迹轮廓误差原理图Fig.1 Schematic diagram of contour error of the trajectory对式(3)采用泰勒级数化简,得通常双轴的跟踪误差远小于圆弧轨迹的半径,因此式(4)中ex与ey的高阶项可以被忽略,得到简化轮廓误差式为当R为无穷大时,式(2)和式(5)具有相同的表达形式,即半径为无穷大的圆弧轨迹可等效为直线轨迹[15].3 广义预测交叉耦合控制系统设计(Design of generalized predictive cross coupling control system)在双轴位置控制系统中,当任一单轴受到扰动或遇到转折点时该轴的输出位置会出现较大跟踪误差,从而导致双轴位置偏离给定轨迹而产生较大轮廓误差.为提高位置跟踪精度,一方面需要提高单轴跟踪能力,即提高单轴动态性能,从而减小单轴跟踪误差,继而减小轮廓误差;另一方面需要加强两轴间的协调能力,通过双轴相互配合加快轮廓误差收敛速度,减小轮廓误差.传统PID交叉耦合位置控制系统中的每一轴均采用位置-速度-电流三闭环级联控制结构,交叉耦合控制器将轮廓误差反馈到各轴的输入端进行位置补偿.该级联控制结构响应速度慢,当轨迹转折或遭受扰动时,存在误差较大,收敛缓慢的问题.本文提出的广义预测交叉耦合控制(GPCCC)采用GPC算法对传统方法的位置环与速度环整体建模,提高单轴的响应速度,同时利用交叉耦合将轮廓误差进行反馈,使得GPC的给定轨迹能够实现自修正,通过广义预测算法的在线预测和优化计算得到修正后的控制量,提高双轴的协调能力.本文所设计的广义预测交叉耦合控制系统框图如图2所示.其中GPCCC的输入为双轴给定位置信号pdx和pdy、当前的实际位置信号px,py和双轴轮廓误差ε;输出为双轴系统的电流控制信号iqx,iqy.图2 广义预测交叉耦合控制系统Fig.2 Generalized predictive cross-coupled control system3.1 双永磁同步电机CARIMA模型(CARIMA model of dual permanent magnet synchronous motor)以x轴为例建立控制对象(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的运动方程,有式中：J为转动惯量;B为摩擦系数;TLx为负载转矩;Tex为电磁转矩;KT为转矩系数;ωx为电机转子角速度;θx为转子机械旋转角位置;px为x轴位置;KP为比例系数. 当电机空载,即TLx=0时,可由式(6)得到PMSM机械运动开环传递函数离散化形式,为式中：k表示当前采样次数;b0x,b1x,a1x,a2x为系统参数,该系统参数与KT,KP,J,B 及采样周期Ts有关.同理将y轴电机传递函数离散化,则x和y轴电机模型可整理为在考虑随机扰动ξ(k)的情况下,将式(8)整理为CARIMA模型的形式,有式(9)为双电机模型,其为2输入,2输出系统.其中：p(k)=[px(k)py(k)]为当前时刻(kTs时刻)的输出位置量;ξ(k)=[ξx(k) ξy(k)]为当前时刻的随机扰动量;iq(k-1)=[iqx(k-1)iqy(k-1)]为前一时刻((k-1)Ts时刻)的系统控制量;Δ是2×2对角差分矩阵,Δ=diag{1-z-1};B(z-1)和A(z-1)是关于后移算子z-1的多项式参数矩阵,有3.2 轨迹预测(Trajectory prediction)为得到双电机的第j步输出位置预测值,使用Diophantine方程进行求解,即对于式(9)表示的双轴联动系统CARIMA模型,式(11)中其中E,F,G,H为电机控制过程变量,且由已知的A(z-1)和B(z-1)根据Diophantine 方程的参数递推式可以得到x轴的各项参数,有式中：N为预测域,Nu为控制域;na为Ax(z-1)的最高阶次;e,f,g,h为与N,Nu和双轴联动系统模型有关的常数.同理可计算出y轴对应参数Ey,Fy,Gy,Hy.通过得到的E,F,G,H的值计算出未来N 步最优输出预测序列为式中：为位置预测序列矩阵;P=[p(k)···p(k-na)]T为实际位置序列矩阵;ΔIq=[Δiq(k) ···Δiq(k+Nu-1)]T为当前、未来时刻的控制增量序列矩阵;为过去时刻的控制增量序列矩阵;nb为Bx(z-1)的最高阶次;Ω =[ξ(k+1)···ξ(k+N)]T为未来时刻的白噪声序列矩阵;Δiq(k)=iq(k)-iq(k-1).3.3 给定轨迹自修正与平滑化(Given trajectory self-correction and smoothing) 在式(2)或式(5)计算出轮廓误差ε的基础上加入交叉耦合位置修正控制器Cc,得到对x,y两轴的位置修正量分别为式中：pcx和pcy分别是是x轴和y轴的位置修正量;交叉耦合控制器Cc选择为P 控制器.下面分两种情况对位置修正模块进行分析.情况1 当x,y轴均未受到扰动或遇到轨迹转折时,两轴都能够精确跟踪各自的给定位置,即ex=ey=0.此时轨迹稳定跟踪,轮廓误差ε为0,则位置修正模块对系统没有影响.情况2 以x轴受到扰动为例进行分析.当x轴受到扰动,则|ex|＞ 0,此时跟踪偏离给定轨迹,即|ε|＞0.由式(2)或式(5)计算出轮廓误差后,位置修正模块根据ε对x,y轴给定位置进行成比例的修正,修正量为[εCcCxεCcCy]T.一方面通过对x轴位置的补偿来减小x轴跟踪误差ex,另一方面通过牺牲一部分y轴的跟踪误差,使ey趋近于-Cxex/Cy,从而使得ε=Cxex+Cyey趋近于零,位置修正结合广义预测算法使得两轴同时收敛到给定位置,两轴协同配合减少轮廓误差.设Pd=[pd(k+1) ···pd(k+N)]T为给定位置序列矩阵;Ps=[ps(k+1) ···ps(k+N)]T为Pd平滑处理后的参考序列矩阵.在预测控制中,为了使实际输出位置P按一定的响应速度平滑地过渡到给定位置Pd,参考轨迹通常取一阶平滑模型,有式中α∈[0,1)为输出柔化系数.α的选值越大,柔化后的轨迹越平滑,系统稳定性越好,但是响应速度会变慢,因此α的值需要根据具体的应用需求来选择.对于位置阶跃的定位控制系统,α的选值趋近于1可以提高系统的稳定性,减小超调.而对于位置连续的轨迹跟踪系统,为了提高系统的快速响应能力,α一般选值较小,趋近于0.修正后的位置参考序列为式中：Pr=[pr(k+1) ···pr(k+N)]T为位置修正后的参考序列矩阵;Pc=[pc(k+1)···pc(k+N)]T为位置修正量序列矩阵,由于在当前时刻的修正量为pc,因此在预测与求解中的补偿量3.4 优化求解(Optimization and solution)定义价值函数为式中Λ为控制加权系数;将式(13)代入式(17),求解,可得控制增量序列为当前kTs时刻所需的控制增量Δiq(k)为ΔIq中的第1个元素,有式中.故当前kTs时刻的控制量iq(k)的表达式为整体控制过程以滚动优化方式反复在线运行,其控制框图如图3(a)所示,其中优化求解部分的框图如图3(b)所示.图3 GPCCC控制与优化求解框图Fig.3 Block diagram of GPCCC control and optimization4 实验与分析(Experiment and analysis)4.1 实验系统(Experimental system)双轴系统实验平台及其硬件结构图分别如图4所示.实验平台由两台永磁同步电机分别驱动x轴和y轴机械臂来产生平面运动.控制系统的主控芯片为浮点型处理器TMS320F28335,开关频率为5kHz,系统采样周期为200µs.两台电机的参数如表1所示.图4 实验系统Fig.4 Experimental system表1 永磁同步电机参数Table 1 Parameters of the PMSMs4.2 实验对比(Experimental comparison)本文针对传统PID交叉耦合控制策略、GPC控制策略以及GPCCC控制策略3种方法进行对比实验.实验中,给定平面轨迹是先走折线然后画圆：O(0,0)→A(60,120)→B(180,-120),然后以为圆心,以60mm为半径顺时针画圆.图5(a)-5(c)分别是传统PID交叉耦合控制、GPC控制与GPCCC的双轴跟踪误差、轮廓误差对比图与放大图,图5(d)为GPCCC双轴平面运行轨迹图.图5 传统PID交叉耦合策略与GPCCC的实验对比Fig.5 Experimental comparison of traditional PID cross coupling control strategy and GPCCC 由图5(a)与图5(c)误差波形对比中的ex与ey曲线可以看出,在转折点A和B 处,GPCCC能够提高双轴的快速响应能力,减小双轴的跟踪误差.而从轮廓误差ε的局部放大图可以看出,不管是直线运动的转折点还是直线到圆的转折点,相比于传统PID控制,GPCCC算法中转折点处的轮廓误差明显减小,并能够大大提高轮廓误差的收敛速度.传统PID控制为三闭环级联控制,其在拐点时动态响应速度较慢,导致轮廓误差较大.本文提出的GPCCC控制策略用GPC取代了传统方法的位置环和速度环,提高了跟踪的响应速度.从图5(b)与图5(c)中的ex曲线可以看出,GPC在椭圆框1和椭圆框2内的误差为0,GPCCC在相应的位置误差并不为0.这是由于GPCCC将轮廓误差反馈来自行修正GPC的给定轨迹,存在两轴间的协同,致使牺牲了一部分的单轴跟踪误差来减小平面轮廓误差.从轮廓误差的局部放大图可以看出,相比于GPC控制,GPCCC在轮廓误差幅值和收敛速度上均得到了一定的改善.表2为图5转折点A和B处的轮廓误差ε/mm及调节时间ts/ms.表2 轮廓误差动态响应Table 2 Transient response of contour errors由表2可知,相对于传统PID控制,GPC算法能够提高系统在转折点处的动态响应速度,同时也能够缩短轮廓误差的调节时间.在GPC上加入位置修正模块后,转折点处的轮廓误差与调节时间得到了进一步的改善.这说明本文提出的GPCCC控制策略在GPC的基础上加入给定轨迹自修正能够提高轨迹跟踪精度.相对于冗余的传统三闭环级联控制结构,GPCCC用一个广义预测控制器来替代传统的位置环与速度环PID控制器.在预测与优化过程中,构建性能指标的价值函数,求解最优控制量,来提高动态响应能力.位置修正模块根据ε对x,y轴给定位置进行成比例的修正,提高轮廓误差收敛速度.上述改进对数控机床等加工产品的精度以及机器手臂的定位跟踪准确度的提高有一定的现实意义.4.3 自由曲线跟踪(Free curve tracking)为验证GPCCC的稳态精度,本文进行了自由曲线轨迹跟踪实验,GPCCC的跟踪轨迹如图6(a)所示,起始点为O点,逆时针旋转一周回到O点.其轮廓误差如图6(b)所示.由图6可以看出,在自由曲线跟踪过程中,GPCCC的跟踪效果平滑,轮廓误差很小并且平稳.GPCCC能够准确地跟踪平滑的自由轨迹,保证跟踪的稳态精度.图6 GPCCC自由曲线跟踪Fig.6 Free-curve tracking of GPCCC5 结论(Conclusions)本文针对双轴联动轨迹跟踪系统,将广义预测控制(GPC)与交叉耦合控制(CCC)相结合提出广义预测交叉耦合控制(GPCCC).该策略一方面通过广义预测控制提高轨迹跟踪的稳态精度与拐点处的动态性能,另一方面根据轮廓误差的大小,通过交叉耦合对给定轨迹进行修正,从而提高双轴的协调性能.本文所提出的控制策略能够满足轨迹跟踪的高精度、高性能的控制要求,具有良好的使用价值.为了进一步提高双轴联动系统的工作效率,接下来的研究工作会重点考虑轨迹跟踪效率与精度之间的协调. 参考文献(References)：[1]CHIN S C,LI Y C.Cross-coupling position command shaping controlinamulti-axismotionsystem[J].Mechatronics,2011,21(3)：625-632．[2]SHI T N,LIU H,GENG Q,et al.An improved relative coupling control structure for multi-motor speed synchronous driving system[J].IET Electric Power Applications,2016,10(6)：451-457.[3]CORAPSIZ M F,KOKSAL E.Trajectory tracking control and contouring performance of three-dimensional CNC[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2016,63(4)：2212-2220.[4]TOMIZUKA M.Zero phase error tracking algorithm for digitalcontrol[J].JournalofDynamicSystemsMeasurementandControl,1987,109(1)：65-68.[5]LEE H S,TOMIZUKA M.Robust motion controller design for high accuracy positioning 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自动化码头智能水平运输设备双轴控转向控制设计精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版自动化码头智能水平运输设备双轴控转向控制设计摘要：针对自动化码头多轴式运输车ART运动控制轨迹进行了优化，在阿克曼原理的基础上，使用双轴控原理，优化4WS转向模型优化控制、模型预测控制、线性二次型优化控制等控制策略，使多轴式运输车运动轨迹得到了精确的控制，有效解决堆场低贝位应用问题，提升转弯时间，减轻转弯过程中的滚动摩擦，对自动化码头运输设备运动轨迹控制有重要意义。
关键词：ART；运动轨迹控制；双轴控；精确控制1引言为全面贯彻落实《“十四五”节能减排综合工作方案》中“碳达峰”“碳中和”战略目标，加快构建零碳码头发展新格局。
在中国港口协会2021绿色与安全港口大会上，天津港集团发布“零碳码头”，将天津港C段智能化集装箱码头打造成为全球首个人工智能零碳码头。
ART是天津港集团主导研发设计的全新一代智能水平运输系统机器人，它自重轻、机动性强，能够智能水平运输系统地高效协同，适应整船作业中涵盖的装卸船、移箱、进出锁站以及自动充电等多种实际作业场景，相对于传统AGV水平运输设备，不仅实现了零碳排放的目标，在使用成本上约节省了三分之一，是真正的适用于零碳码头的智能化水平运输系统下的“搬运工”。
其中ART的双轴控制系统，实现了单车转弯过程中可变化的转弯半径和旋转中心，完美处理前轮转向角与整车转向角（Yaw）的关系，使单车转向更加灵活，可更好的适配行驶线路，极大提高码头作业效率和平板车设备利用率。
2问题描述随着世界主要集装箱港口之间竞争的日益激烈，集装箱码头船舶装卸效率逐渐成为衡量一个港口市场竞争实力的主要标志。
对影响集装箱码头船舶作业效率的有效分析，是集装箱码头提高生产效率的先决条件。
双轴控制系统实现了天津港第二集装箱码头76台平板车全自动化作业面的全区域、全轨迹和全模式的行驶路线，提高了平板车的灵活性和控制精度，实现了平板车智能化水平，双轴控制的应用极大程度提高了车辆控制精度和车辆转弯灵活度，为国内外相关港口的水平运输工具控制优化、运行线路优化和精细化提升作业效率提供了宝贵的经验，推进了集装箱水平运输工具的智能化发展。
KNT-PZK2 双轴位置控制实训装置实验指导书
KNT-PZK2双轴位置控制实训装置实验指导书目录使用说明及注意事项 3 实验一、设备的认识 4 实验二、设备的结构 7 实验三、设备的通电调试 17实验四、编程软件的使用 19实验五、手动控制 30实验六、自动控制 36设备的运行与日常维护 48使用说明及注意事项1、安全注意事项1）上机实训前必须认真仔细阅读实验指导书。
2）严禁散落长发、衣冠不整操作设备。
3）安装设备时注意不要损坏各种阀件及气动元件。
4）请勿使用损坏的插座或电缆，以免发生触电及火灾。
5）安装时请在清洁平坦的位置，以防发生意外事故。
6）请使用额定电压，以防发生意外事故。
7）必须使用带有接地端子的多功能插座, 确认主要插座的接地端子有没有漏电，导电。
8）为了防止机械的差错或故障，请勿在控制器和电磁阀附近放置磁性物品。
9）设备的安装或移动时，请切断电源。
2、使用注意事项1）长时间不使用设备时请切断电源。
2）在光线直射, 灰尘, 震动, 冲击严重的场所请勿使用。
3）在湿度较大或容易溅到水的场所, 以及导电器械, 易燃性物品附近请勿使用。
4）请勿用湿手触摸电源插头.防止触电或火灾。
5）用户在任意分解, 修理, 改造下无法享有正常的保修权利。
6）注意切勿将手以及衣物夹进电机或气缸操作部位。
实验一设备的认识一、实验目的1、掌握双轴位置控制实训装置2、掌握设备基本部件的作用二、实验设备1、双轴位置控制实训装置2、空气压缩机3、AV 220V 电源三、实验内容实验设备简介双轴位置控制实训装置在理解和掌握气动应用和位置控制原理的基础上，利用PLC或其他控制器实现对其控制.用户通过对此设备的学习可以掌握PLC控制的基本方法，也可以进行扩展从而附加传输带的应用，利用设备控制面板上的模式旋钮来选择自动/手动的运行方式，同时可设定多种附加条件来进行实验。
图1-1双轴位置控制实训装置所示。
图1-1双轴位置控制实训装置1）总电源开关：控制设备电源通断。
（在照片上被开关电源遮住，之后会有详细图解。
数控机床双轴驱动同步控制方法的探讨
数控机床双轴驱动同步控制方法的探讨数控机床双轴驱动同步控制方法，是目前制造业中比较常见的一种控制方式。
它采用两个轴同时驱动，能够实现更加精确的加工，适用范围广泛，应用于各类金属、非金属材料的加工。
本文就对数控机床双轴驱动同步控制方法进行探讨。
数控机床双轴驱动同步控制方法，是在数控机床上实现同时控制两个轴的运动，从而实现更加精确的加工。
其原理是通过数控系统对两个轴进行控制，保证它们之间的运动速度和位置的同步。
通常情况下，数控机床的控制系统中都有一个坐标控制器，用于控制机床的不同轴的运动，不同的轴有不同的控制信号。
比如说三轴数控机床中，分别有X轴、Y轴和Z轴的控制信号。
双轴驱动同步控制方法中，需要同时控制X轴和Y轴的运动，这时候就需要双轴同步控制系统了。
在数控机床双轴驱动同步控制方法中，通常需要按照以下流程进行：1、首先进行工件的CAD设计，确定所需加工的轮廓、型号、大小等参数。
2、通过CAM软件对CAD文件进行编程，生成机床所需要的数控程序，确定机床的加工轨迹和加工方式等。
3、将数控程序传输至数控系统，根据数控程序的指令，控制数控机床的X轴和Y轴同时运动。
4、数控系统将控制信号发送至机床的X、Y轴伺服驱动器，同时控制两个轴运动。
5、在加工过程中，不断监测加工进度和机床的运行状态，保证加工质量和精度。
6、加工完成后，对加工结果进行检查和评估，确保加工质量达到标准要求。
1、双轴驱动同步控制方法可以同时控制机床的两个轴运动，保证了加工的精度和速度。
2、双轴驱动同步控制方法采用数控系统进行控制，可以通过计算机程序实现程序控制，避免了人工操作的误差。
3、采用双轴驱动同步控制方法，可以适应不同类型的加工任务，减少加工过程中的人工干预，提高生产效率和加工精度。
4、双轴驱动同步控制方法可以实现复杂曲面零件的加工，提高了机床的加工能力。
数控机床双轴驱动同步控制方法在制造业中有广泛的应用，特别适用于汽车、航空航天、机械制造等领域的零件加工。
KNTPZK2双轴位置控制实训装置实验指导书(西门子)
KNT-PZK2双轴位置控制实训装置实验指导书（西门子）
目录
使用说明及注意事项 2实验一、设备的认识 3 实验二、编程软件的使用 21 实验三、手动控制 47 实验四、自动控制 50
使用说明及注意事项
1、安全注意事项
1）上机实训前必须认真仔细阅读实验指导书。
2）严禁散落长发、衣冠不整操作设备。
3）安装设备时注意不要损坏各种阀件及气动元件。
4）请勿使用损坏的插座或电缆，以免发生触电及火灾。
5）安装时请在清洁平坦的位置，以防发生意外事故。
6）请使用额定电压，以防发生意外事故。
7）必须使用带有接地端子的多功能插座,确认主要插座的接地端子有没有漏电，导电。
8）为了防止机械的差错或故障，请不要在控制器和电磁阀附近放置磁性物品。
9）设备的安装或移动时，请切断电源。
2、使用注意事项
1）长时间不使用设备时请切断电源。
2）在光线直射, 灰尘, 震动, 冲击严重的场所请勿使用。
3）在湿度较大或容易溅到水的场所, 以及导电器械, 易燃性物品附近请勿使用。
4）请勿用湿手触摸电源插头.防止触电或火灾。
5）用户在任意分解, 修理, 改造下无法享有正常的保修权利。
6）注意切勿将手以及衣物夹进电机或气缸操作部位。
光伏发电双轴自动跟踪控制系统的设计与应用
及 方 位 角 ％。该 数 据 值 由 天 文 算 法 [M)计 算 得 到 ：
sin y 0 = sin^?sin5 + cos^cos^cosw
( 1)
sin^?siny0 - sin5
c o s r〇= ------------------------
(2)
cos^>cosy0
式中:％ 为太阳光初始高度角； 为太阳光初始方位
本文的研究对象是新型光伏电池板双轴跟踪系 统 其 系 统 外 观 结 构 如 图 1 所示。
图 1 中 ：电 机 1 控 制 电 池 板 的 水 平 方 向 （东 、西方 向 ）转 动 ，跟 踪 太 阳光的方位角；电 机 2 控制光伏电池 板垂直方向（南 、北 方 向 ）转 动 ，跟 踪 太 阳 光 的 高 度 角 ， 最 终 使 得 电 池 板 平 面 与 太 阳 光 实 时 保 持 垂 直 ，提 升 光 伏电站的发电量。该 双 轴 跟 踪 支 架 结 构 设 计 简 单 、巧 妙 ，具有控制灵活、精度高的优点。 1 . 2 系统工作原理
A b stra c t：With the continuous development of photovoltaic industry, in order to improve the power generation of photovoltaic panels and power stations, the tracking control system based on field programmable gate array ( FPGA) control chip is proposed based on a new type of photovoltaic panel dual axis automatic tracking bracket. The azimuth and altitude angles of sunlight are calculated by astronomical calculation method and photoelectric sensor analog correction method. Then, according to the mathematical relationship between the positions of photovotaic ( P V ) panel and feedback, three phase pulse control signal is obtained. The forward and reverse rotation of the two motors are controlled by time sharing in the working process. The sunlight is always perpendicular to the plane of the panel, which realizes the real-time tracking of the sunlight angle. Finally, a project in Xinjiang is taken as an example, the measured data results are compared with the simulation results based on PVsyst software. The Comparison results show that the control system can accurately track the sunlight, which verifies the effectiveness of the system design. Compared with the fixed mode, the photovoltaic power generation can be increased by more than 30% using the dual axis automatic tracking system. The system can be applied in the following engineering projects, and can increase the revenue of photovoltaic power station. Keywords ：Field programmable gate array ( FPG A ) ； Photoelectric sensor; Time sharing control； Propotion integral ( PI ) regulator；Pulse width modulation( PWM) ；Three phase full bridge circuit；PVsyst；Dual axis automatic tracking system
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双轴位置控制系统的设计
1、设计任务及目的
1。
1了解系统的机械结构，控制要求;
1.2掌握气动控制技术的要求；
1。
3熟练掌握step7micro/win中PTO指令。
2、设计要求
2.1 根据实验要求画出电气原理图
通过读电气控制原理图，了解电气控制过程，明白电气回路的工作原理,经过实际操作,提高电气故障分析及检修能力。
（1）控制回路原理图
控制回路原理图
主回路原理图
2.2 查找所使用的电器元件型号、功能和使用方法
本实验设备由机械运动、电气控制回路、气动控制回路及铝型材板四部分组成，将机械、电气及气动有机组合在一起，实现点位控制的系
统.
2。
2.1机械运动部分
主要由X轴、Y轴的滚珠丝杠机构及Z轴的升降（气
缸)及工件抓取机构所组成。
1)滚珠丝杠机构
滚珠丝杠副
滚珠丝杠副电动执行机构，主要由前后支撑块、电机及支架、联轴器、导柱、滑座、滚珠丝杠副等器件构成。
如图1、图2所示。
图1滚珠丝杠副后俯视图
图2滚珠丝杠副后正视及局部剖视图
滚珠丝杠副机构的运动原理是电机转动时，电机转动轴及滚珠丝杠通过弹性联轴器连接，因此，滚珠丝杠及电机同步转动，而滚珠丝杠副的位置是固定的，装在滚珠丝杠副上的螺母块及滑块也是固定在一起的，那么随着滚珠丝杠副的转动，螺母块拖着滑块沿着两根导柱做直线运动，并随着电机的正反转，滑块做左右直线运动。
（丝杆的螺距为5mm）
另外滚珠丝杠副机构的极限位置皆设置了限位开关，可以有效保护由于故障等原因,使滚珠丝杠副机构的运动装置超程而造成的机械或电气设备的损坏,造成不必要的损失。
Z轴通过工厂自动化常用的气动双作用气缸和气动真空吸
盘来控制取放工件。
Z轴方向的运动通过一个双作用气缸来实现。
真空吸盘安装在双作用气缸的前端,通过电磁阀来控制气路
通断，从来控制Z轴的升降和真空吸盘来吸取释放工件。
2.2。
2电气部分
双轴位置控制设备的电气部分主要由小型断路器、开关电源、继电器、直流电机、控制盒及接线端子等器件所组成.
1）空气开关
外接电源接入设备由总电源开关控制总电源的通断。
2）开关电源
由总电源开关另外一路接入交流220V电源供给开关电源。
空气开关开关电源 3）控制箱
控制立体库运动的操作控制盒
START——开始（启动)
MANUAL——自动/手动切换
Z—AXIS—-—Z轴升降
STOP-—停止
FUNCION——功能键
HAND——吸盘吸取/放开
RESET——复位
EMERGENCY STOP--紧急停止
POWER——电源指示灯
2。
2。
3气动回路
双轴位置控制设备的气动部分主要由过滤减压阀、真空发生器、电磁阀组、标准气缸、真空吸盘、节流阀及气管等所组成。
1)过滤减压阀
气压传动，往往使用空气压缩机将空气压缩后
存储至专用的存储单元，我通常称之为气源。
空气中难免会有油污、水蒸气等等一些杂质在
空气压缩的过程被吸入压缩机当中混合在气源中.
为了设备更好的发挥性能，我们在气源接入设备之前
安装了空气过滤器,保证较清洁的空气接入设备当
中。
如图2-12所示空气过滤器。
2)电磁阀
由中间继电器的常开点单独控制电磁阀的通断，使Z轴气缸升降、吸盘吸取或释放工件。
3）真空发生器
真空发生器:真空发生器产生真空的原理和传统真空泵是不一样的。
它是让压缩空气在泵体内形成高速气流，大家知道，气体的流动速度越高，当地的气体压力就越低(从柏努利方程可以得出），因此就具有越强的抽吸能力.真空发生器就是利用这种原理制成的。
正因为如此，在同等真空抽气量的情况下，真空发生器体积小，基本不用维护，真正的无油，是一种既可靠效率又高的真空泵。
真空发生器分单级真空发生器和多级真空发生器两类，在消耗相同压缩空气的条件下，多级真空发生器在标准大气下的真空抽气量一般是单级真空发生器的好几倍，因此，多级真空发生器是真正高效率的真空泵。
真空发生器的使用环境要求很简单，只要有压缩空气源，就可以使用真空发生器。
图2—14所示.
真空
压缩空气进气
消声
2。
2.4画出气动原理图
通过读气动原理图，了解气动回路各个器件的功能和作用,清楚气动回路的基本组成，掌握双轴位置控制系统气动回路的工作原理,如图所示：
2。
3控制要求
2.3.1 手动操作
控制吸盘完成吸取和释放动作，以达到平面抓取。
提升、搬运、下降、释放工作目的。
2。
3。
2 自动操作
在格盘上将棋子放在如图位置.
3、硬件设计部分
3.1结合电气部分的组装实验内容和随机配套的电气原理图完成通电调试实验
1）按照电气原理图和电气部分组装实验的说明检查设备的接线是否正确。
2）将开关电源上的电压选择开关拨至230V AC档.
3）拔下电磁阀线圈电源的插头。
4）接入电源。
5）用万用表测量电源电压是否符合设备要求（通常AV 220V左右）.
6）闭合总开关.
7）再用万用表测量开关电源输出的电压是否符合设备要求(通常DC 24V)。
8）再测量电磁阀线圈电源电压是否符合设备要求（通常DC 24V）。
9）确定以上接线及电源电压符合设备要求后.切断电源.
10)将之前拔出的电磁阀线圈电源线插回原处.
11）重新通电。
12）通电调试完成，依据设备功能要求可以调试其他动作。
4、软件设计部分
5、调试过程及结果
打开空气开关接通整个试验台电源，打开STEP
7—MicroWIN软件,设置通信并连接S7—200，连接成功后使用STEP
7—MicroWIN软件编译程序无误后下载到PLC中。
经查阅资料得知步进电机57BYG096的脉冲步进角为1.8°，所以要使电机转一圈需要200脉冲，除此之外脉冲发生器的拨码开关选择细分率为16，则需要200＊16=3200个脉冲可以使步进电机转一圈。
丝杆螺距为5mm，则步进电机转一圈实验装置产生5mm位移，通过STEP
7-MicroWIN软件中的PTO指令，进行设置并选择单速连续旋转包络进行控制，同时设置好每秒给的脉冲数可以控制速度,通过ADV子程序分别控制电机X轴Y轴停止时间则可以控制设备移位距离。
手动操作：将选择开关拨到单步,按下启动按钮
，设备正常启动，按下相应按钮可以正常实现相应功
能。
自动操作：将选择开关拨到自动,按下启动按钮,
设备开始复位，复位完成后，按顺序依次完成实验要
求中的棋子摆放。
完成最后一个棋子摆放后进行复位。