2022年贾鹏飞MATLAB直线电机进给系统控制特性仿真研究报告设计方案终稿.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用1 绪论数控技术是工业制造生产的重要关键技术之一【1】；数控系统越来越广泛应用于工业设备中,为了提高动态响应、定位精度和较好的稳固性,一般高速数 控车床进给系统应用直线电动机直接驱动的方式来实现工作台的直线进给,而 不需要中间传动转换装置,与传统的伺服进给系统相比直线电机进给系统具有 具有刚度大、精度高、速度快、加减速度大等一系列优点,它的应用是工业生 产上的一次飞跃；11 课题讨论背景与意义高速数控车床具有诸多优点,同时采纳直线电机伺服进给系统可实现“ 零 传动” ,大大提高了传动的精度,能满意高速数控车床快速进给的

2、要求,提高 动态响应、定位精度和较好的稳固性；本课题在对高速直线电机进给系统掌握 原理分析的基础上,对直线电机进给系统传递函数及其伺服动刚度的影响因素 进行讨论,利用 MATLAB对直线电机进给系统的掌握特性进行仿真分析,找出 PID 参数对闭环掌握系统的频域与时域之间的关系；以及当 PID 掌握系统中加 入白噪声,分别转变 PID3 个参数的大小,分析各参数对掌握系统的掌握成效的 影响；并且对比了直线电机伺服传动系统和传统的进给伺服系统,分析了 PID 掌握参数对偏差的影响,并通过遗传算法对参数进行了优化,对工业掌握具有 重要的影响；12 数控伺服进给系统的讨论现状一般指用数字化的信息对机械

3、运动和过程进行掌握的技术称为是数控技术【2】；通常指采纳了数字掌握的机床称为数控机床,其中数控机床进给系统是数控机 床的重要组成部分,它是用于实现对数控机床进给位置的掌握和主轴转速的控 制,对于加工的精度其起着重要的作用；总而言之,数控进给伺服系统是数控 机床的核心部位,直接影响着机床的加工性能,它能精确的定位与跟踪从而将 信号反馈到系统以调剂进给的速度与位置,虽然各种数控机床所要完成的任务 不一样,它们对进给伺服系统的要求也都不一样,一般可以概括为：调剂范畴 广、掌握精度高、稳固性能好、响应速度快等要求；数控机床一般由信息载名师归纳总结 体、运算机数控系统、伺服系统和机床本体组成,其基本机构

4、框图如图1-1 所第 1 页,共 31 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用示信息载体运算机数控系统伺服系统机床位置反馈信号帮助动作信号图 1-1 基本机构框图图 1-2 直线电机进给伺服系统掌握框图由图 1-2 可知直线进给单元掌握系统主要由CNC掌握器和数字掌握模块组成,其采纳全数字掌握；位置反馈信号和帮助动作信号准时将机床的输出信号 反馈给运算机数控系统采纳全闭环掌握的方式,提高了掌握精度,使得直线电 机进给系统,具有定位精度高、刚性好、动态特性好、进给速度及加速度高等 一系列优良特性,在应用中能很好地满意用户要求；13

5、 数控伺服系统的分类与驱动方式文献【 3】对于伺服系统的分类做出了具体的分析,一般来说有开环伺服系 统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统,各有各的优点,也各有各的用途,在工 业掌握当中一般主要有滚珠丝杠进给伺服系统和直线电机进给伺服系统,其中 前者主要是通过齿轮、皮带等中间传动件或直接驱动滚珠丝杠,然后将电机的转动变为直线的运动,进而掌握执行部件【4】；直线电机进给系统采纳数字全闭名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用环掌握方式 , 采纳直接传动,完全废止了进给传动链中一切机械,提高进给单元 刚度

6、和定位精度【5】；文献【 4】针对滚珠丝杠进给系统进行了分析,指出滚珠丝杠进给系统机械 部件主要由滚珠丝杠、螺母、支承轴承、螺母支架、传动齿轮或联轴器等机械 零部件组成,滚珠丝杠进给系统有开环进给系统、半闭环进给系统和闭环进给系统,对于滚珠丝杠进给系统的加工精度和性能起着重要影响的主要是它的机 械刚度；文献【 5】针对直线电机进给系统进行了分析,提出对于直线电机进给 系统来说,驱动件 直线电机 与执行件 工作台 +电机动子 浑然一体,无需任何 的传动部件,提高了掌握与加工的精度,是其响应的速度也相应的提高,但直 线电机进给系统的伺服刚度主要取决于其伺服驱动装置的刚度,但分析评判其 伺服刚度第一

7、要从整个掌握系统着手,然后分析各个参数对于伺服动刚度的影 响；与滚珠丝杠进给系统相比,直线电机给给系统具有掌握精度高、响应速度 快、加减速度大等一系列优点,它采纳直接传动,完全废止了进给传动链中一 切机械传动部件,防止了机械结构对进给系统伺服性能的影响,直线电机在数 控机床进给系统上的应用是数控机床结构和性能上的一次飞跃；14 直线电机驱动的数控伺服系统讨论现状及进展趋势文献【 6】针对国内直线电机伺服进给系统的进呈现状做了分析,对于现在 的工业掌握与加工的要求传统的滚珠丝杠传动方式已经不能很好的满意要求,其加工的性能与掌握精度急需提高,而相比之下,直线电动机的速度要比滚珠 丝杠的速度快的多,

8、由于它废止了中间的一切传动环节,进而达到了“ 零传 动” ,并且它也是被公认的高速、高精度和最有进展前途的进给伺服系统,它 解决了前者掌握精度不高的问题,在工业掌握当中取得了很好的成效；直线电机进给伺服系统相比于传统的伺服进给系统它排除了反向间隙、弹 性变形和刚度不足等缺点,使其具备了高速度、高刚度、高精度、高响应性等 一系列优点,进给系统的刚度主要取决于其伺服驱动装置的刚度；同时如想得 到优良的动态性能和高的刚度,伺服驱动装置必需运用闭环掌握,一般来说直线电机进给系统伺服驱动装置的刚度主要取决于掌握系统的结构和掌握参数,伺服掌握系统要有较高的稳固性和较强的抗干扰才能；名师归纳总结 - - -

9、 - - - -第 3 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用直线电机驱动的数控伺服系统具有诸多优点,所以其在工业生产中应用很 广泛,并且由于这些特殊的优点广泛的被应用在航空航天,精密加工与制造,车削加工,军事、交通等重要的领域当中,它也始终被公认是精密机械加工的 关键部件之一,但国内在这方面的讨论仍不太充分,也对直线电机的特性明白 的不太深化,其重要的核心技术仍旧被国外所把握,仍旧需要连续努力；1.5 本文主要讨论内容和章节支配本文主要对直线电机的掌握特性经行仿真分析,构建系统的传递函数,并通过 PID 对其偏差进行掌握,并通过遗传算法进

10、行优化 的章节支配如下：PID 的三个参数；本文第一章阐明介绍课题讨论的背景与意义,分析现在对于直线电机的讨论现 状；其次章分析直线电机的工作原理并构建系统的传递函数；第三章讨论各个因素对于伺服动刚度的影响,并找出影响伺服动刚度的主要因素；第四章为便利整定设计Matlab 的 GUI用户界面；第五章简述关于PID 参数的优化方法,将Z-N 体会整定与遗传算法经行对比,最终应用遗传算法经行参数的优化；最终是简洁的总结与展望、文献综述和附录；2 高速数控车床直线电机进给系统数学模型的建立2.1 沟通永磁同步直线电动机结构及工作原理沟通永磁同步直线电动机结构简洁,优点显著,在工业掌握中始终被广泛的应

11、用,其体积小,运行安全牢靠,耗能少并且功率高,一般可分为正弦波永磁同步电机 PMSM和梯形波永磁同步电机BLDC两种,其中正弦波永磁同步电机主要由定子和转子组成,如图 2-1 所示,定子由三相绕组组成,三相绕组依次产生相应的电动势进而系统转子不停地转动,转子旋转的同时不停地切割磁感线产生正弦的输出电压,对于其分类一般可以分为凸装式、嵌入式和内埋式三类；梯形波永磁同步电机相电流为梯形波,它的永磁体的弧极其 180 度,而且永磁体发出的磁场呈梯形波散布；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 2

12、-1 直线电机的构造正弦波永磁同步电机的转子采纳的是永磁体,一般都是以铷铁硼作为永磁材料,三相绕组在空间上呈120 度对称分布,当有电流接入时可产生磁场吸引转子转动,一般有自控式和他控式两种,其结构原理图如图 22 所示,外部50HZ 的电经过整流后由逆变器给电机的三相绕组供电,三相绕组进而产生电动 势吸引转子不停地转动；图 2 - 2 结构原理图2.2 沟通永磁同步直线电动机位置掌握结构框图文献【 11】针对沟通永磁同步直线电动机的位置掌握,直线电机进给系统 传动精度要比传统进给系统高很多,废止了中间的传动机构但是要实现其高精度的掌握必需采纳全闭环的掌握系统,以便精确的掌握其进给的速度与位置

13、,图 3-3 是本进给单元的定位测量和反馈掌握系统框图,它是一个双闭环系统,名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用内环是速度环,外环是位置环外环是位置环；位置输出位置输出CNC 位置掌握单元速度掌握单电机与工作台元位置测量位置测量图 2-3 直线电机掌握系统框图它的速度掌握单元一般是由速度调剂器、电流调剂器和功率驱动放大器来组成,并且文献指出为了改善系统性能,应仍有一些如加速度前馈、高速进给单元的结构和特点矩、摩擦、干扰补偿环节等帮助环节；2.3 高速数控车床直线电机进给系统数学模型的建立文献

14、【 12】针对直线电机进给系统数学模型的构建做出了具体的分析,进 而得出了直线电机伺服系统对于执行机构传递函数的模型,如图 2-4 所示,其中影响最终掌握精度的各个参数的取值大小如表2-5 ,有分析可知速度滤波环节具有滤波作用,它可以滤掉系统的干扰信号,并使速度保持平稳性,而外环 采纳了简洁的比例 P校正环节,增加系统的增益,提高响应速度,从而达到了 响应速度快、精度高的特点；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 2-4 直线电机进给系统掌握结构原理图表 2-5 直线电机进给系统掌握参数的

15、取值范畴表参数单位 ms s V/A N/A ms 取值范畴0.129.0 065535 06553.5 5065535 0.01655.35 30 9.6 备注电机电枢时间常数=9.6ms,1/=0.8A/V,=1.2mH 为了分析便利,并且限幅环节也属于非线性环节,所以先不及于考虑,因此将图 2-4 掌握框图转化成传递函数框图,如图2-6 所示,参数见图 2-5 所示；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用xi S 电流环图 2-6 系统的传递函数框图为了更好的分析和判定系统的动态性能,在

16、直线伺服掌握系统的设计和分析 过程中简化成为线性定常系统,从而能够便利而直观的利用得到的传递函数来 分析各个的参数以及系统的动态性能,大大简化了分析的难度；2.4 机械执行机构数学模型的建立为了得到完整的传递函数,需要对执行机构进行数学建模,文献 12 针对 机械执行机构数学模型的建立做出了分析,指出直线电机进给系统执行机构简 图及其工作时的受力状况如图 2-7 所示；图 2-7 执行机构受力分析图名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用设滚动导轨的阻尼系数为 c,写出进给单元的动力学方程 :

17、m+c=F-F并且为了运算的简洁,将摩擦力算入到干扰力中,然后经过拉氏变换可以 得到：=Fs 最终得到直线电机进给系统机械执行部件的传递函数可表示为 : Gs= =其传递函数框图 2-8 为 F x图 2-8 执行部件传递函数框图 从上式可以看出直线进给系统执行部件的传递函数相对来说比较简洁,它 主要包含了惯性环节与积分环节,是由这两个环节的乘积而得到的,这是由于 直线电机进给系统本身为零传动,系统特性参数主要是移动部件的质量和导轨 的阻尼；由直线电机进给的传递函数可以看出,电流环在有干扰输入之前,为了简化运算,令 K =1/R ,其中化简后电流环的传递函数为 :G s= = =再将电流环前面

18、的速度环PI 调剂、滤波环节和电流环化简后的传递函数与电流环闭环传递函数 G S进行合并,结果为 :G s=名师归纳总结 将直线电机进给系统的传递函数框图中相关的传递框图用上式中的G S第 9 页,共 31 页代替,并将速度反馈简化为单位反馈,简化后的掌握系统传递函数框图如图2- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用9 所示；Fx- K- Gs - x图 2-9 直线电机进给系统传递函数简化框图当=就=传递函数 2.5 本章小结本章介绍了直线电机的工作原理,指出同步电机主要由定子和转子组成,其中 三相绕组依次产生相应的电动势进而系统

19、转子不停地转动,转子旋转的同时不 停地切割磁感线产生正弦的输出电压,进而对电机的传递函数进行推导,由直 线电机的说明得出电机的传递函数,而后对电机的执行机构进行数学建模,得 到执行机构的传递函数与电机的掌握函数相连得到整体输入与输出的传递函 数,为后面的分析与掌握做好了预备；3 高速数控车床直线电机进给系统掌握特性分析3.1 影响伺服动刚度的因素分析对系统的传递函数分析可知,系统的输入由伺服系统给定位置输入 X 和外界扰动力 Fr 两部分组成；外界扰动包括切削力、风阻力、摩擦力等；对直线电 机伺服刚度的分析就是为了讨论系统抗击这些因素影响系统伺服性能的才能；名师归纳总结 - - - - - -

20、 -第 10 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用由文献【 12】可知伺服刚度是评判系统掌握精度的重要性能指标,它主要是系 统的干扰力与干扰力所引起的位置偏差的比,即其中为输入量与输出量之间的偏差值,其中当输入位置指令等于零时,所以在输入量为零时,伺服刚度可以表示为干扰力与干扰力引起的输出之比,此时的传递函数结构框图为：+ V + S G s ,通过化简在速度环中包含有电流环,电流环的闭环传递函数是得：Gs=, 令=,因此传递函数G K式中 ：名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 31 页精选学习资料 - - - -

21、- - - - - 个人资料整理 仅限学习使用在干扰力为零的情形下,直线电机位置输入与执行机构位置输出的传递函 数可以表示为 ：由上式可知,影响直线电机进给系统伺服动刚度的主要参数有 : 位置环增益K ,速度环增益,电流环比例放大,速度环积分时间常数T,速度环滤波时间常数T,直线电机的电枢电阻R 和电枢电感L；其中,电枢电阻和电感是直线电机的特性常数,一旦选定电机,这两个参数就不会转变,所 以伺服刚度主要受其余几个参数的影响；3.2 伺服系统掌握参数对伺服动刚度的影响为了更好的分析各个参数对伺服动刚度的影响,采纳单因素分析的方法,即在每一次的试验当中只转变其中的一个参数,而其它参数的数值不转变

22、,由此来观看此参数对伺服动刚度的影响,为了便于观看采纳Matlab 进行仿真,观察伺服动刚度的倒数,并对其阶跃响应做相对的分析,其中影响伺服动刚度的 参数如表 4-1 所示；表 3-1 伺服掌握系统的设置参数参数 取值2.5 4 500 16 30 9.6 380 50000 3.2.1 位置环增益对进给系统伺服动刚度的影响 文献【 4】指出位置环增益是影响系统伺服动刚度的重要参数之一,在一般情 况下,随着伺服系统的位置环增益数值的不断提高,其位置跟踪误差不断减 小,在输入的进给速度发生突变时,其输出也会发生剧烈的变化,系统的机械 负载所受的冲击力会变大,而且增益越高,系统的幅值裕度越小,稳固

23、性越 差；在位置环增益减小时,系统的伺服动刚度也相应的变小,系统简洁达到稳 定,调整起来也比较便利,但是当位置环增益过低时,系统的伺服动刚度的位 置跟踪误差就会比较大,在进行轮廓的加工时,就会形成较大的加工误差,无名师归纳总结 法保证相应的加工精度；图3-2a 所示,曲线是系统在25Kg 阶跃干扰力输入下第 12 页,共 31 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用的 响 应 , 位 置 环 比 例 增 益 分 别 为0.5m/min ） /mm、 2.5m/min ） /mm、7.5b图 3-2 位置环增益 Kv:对伺服动刚度

24、和动态特性的影响曲线表示的是系统伺服动刚度的倒数曲线,从图 3-2a 中可以看出,随着位置环增益 Kv 数值的不断提高,曲线的数值不断变小,所以系统伺服动刚度也相应的提高,但振荡次数也增多,系统的稳固性降低；从图3-2b 对动态特性的影响中可以看到,随着 Kv 的增大,曲线达到峰值的时间逐步削减,响应速度也相应的提高,但是曲线开头显现超调量；可见,适当增加系统位置环比例增益可以使系统的响应速度得到改善,并且可以使其伺服动刚度提高,但其数值也不益提高的太大,由于其数值过大的话系统的稳固性就会变差；3.2.2 速度环比例放大系数对伺服动刚度的影响名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页

25、,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用速度环比例放大系数 K 是影响速度环 PI 掌握的一个重要参数,速度掌握器的重要作用其实是对速度进行掌握,使其保持肯定的速度而稳固的进行运 动,在定位时保证其不产生振荡；而且为了更好的对系统进行位置的掌握,仍 需要速度环有高的响应速度,同时在系统达到稳态时具有很好的硬度保持特 性,以对各种扰动有很好的抑制,从而保证了转动的精度；通过文献的查询可 知,提高速度环比例的增益,可以使系统的开环增益提高,同时也可以使速度 环的带宽增加,提高速度环的响应速度,但是假如速度环的比例增益过大会使 系统产生振动,影响系统

26、的稳固性,图 3-3a 是曲线是系统在 25Kg 阶跃干扰力 输 入 下 的 响 应 , 在 速 度 环 比 例 增 益 分 别 为 30000mA/m/min 、40000mA/m/min）、50000mA/ b 图 3-3 速度环比例增益K:对伺服动刚度和动态特性的影响曲线表示的是系统伺服动刚度的倒数曲线,从图3-3a 中可以看出,随着系统系统速度环比例增益 Kp 数值的不断提高,曲线的数值不断变小,所以系统伺服动刚度也相应的提高,振荡次数不断减小,系统的稳固性不断提高,调整时间也相应减小；从图 3-3b 中分析可知,系统阶跃响应曲线的超调量也随着其数值的增加而逐步的变小,所以从曲线可以看

27、出其掌握特性在不断的变好；通过对上面图像的分析与比较,为了提高伺服动刚度,提高掌握的精度应使速度环增益提高,进而使系统的掌握性能变好；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用3.2.3 速度环积分时间常数对伺服动刚度的影响 系统在达到稳固的速度时,凡是实际速度与指令速度的差值称为是静差,并且一般在 PID 掌握当中,单纯的比例环节无法排除静差,速度环的积分环节和速度环比例环节一起构成速度PI 掌握器,对速度进行无静差的调剂掌握；其中通过速度环的比例积分的调剂掌握可以使系统达到足够的机械强度,从

28、而减小其它负载下的扰动,提高系统的稳态性能；其中积分环节的主要作用是整定偏 差,如如系统的偏差始终存在就节分环节始终起作用,知道系统无偏差为止；通过对文献的分析,可知积分时间短,积分作用就增强,系统响应快；积分时 间长,积分作用就弱；但是积分时间过短,就积分作用就会太强,便会简洁引起系统振荡,进而会影响系统的稳固性；图3-4a 是系统在 25Kg 阶跃干扰力输入下的响应曲线,它的在速度环积分增益的数值为 2ms、4ms、8ms 时,图 3-3b是在相应的输入下,系统的位置阶跃输入响应； a b 图 3-4 速度环积分时间常数 限制速度环的带宽,抑制高频信号对系统的干扰；2抑制伺服掌握 系统中由

29、 A/D、D/A 环节所引入的量化效应,量化效应会影响位置误差和速度误 差；图 3-5 是速度环滤波时间常数分别为1000 s、750 s、500 s 时,系统的25Kg阶跃干扰力输入响应和单位阶跃位置输入响应； a b 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3-5 速度环滤波时间常数 : s对伺服动刚度和动态特性的影响曲线表示的是系统伺服动刚度的倒数曲线,从图3-5a 中可以看出,随着系度环滤波时间常数的不断增加,曲线的数值不断变大,所以系统伺服动刚度也相 应的变小,振荡次数增加,系统

30、的调整时间变长,这是由于,随着 的增加,系统的滤波环节通频带不断的下降,限制了速度环的带宽；3.2.5 电流环比例放大系数对伺服动刚度的影响 为了优化伺服系统的抗干扰性能,一般在速度环内加入电流反馈来掌握电流的幅值与相位；图3-6 是当电流环比例放大系数分别为16V/A、32V/A、64V/A时,系统的 25Kg阶跃干扰力输入响应和单位阶跃位置输入响应； a b 图 3-6 电流环比例增益:V/A 对伺服动刚度和动态特性的影响由上图的曲线观看可知,电流环比例放大系数对伺服动刚度和单位阶跃位置 输入响应的影响不是太大,综上分析可知,结合以上全部参数来看,位置环比名师归纳总结 - - - - -

31、- -第 17 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用例增益 Kv、速度环比例增益 KP、速度环积分时间常数 Tn 三个参数对于系统伺 服动刚度和动态特性的影响相对于其它参数来说都要大；位置环比例增益和速度环比例增益越大,系统伺服动刚度也就越大；速度环积分时间常数越小,伺服动刚度也越大,但过大的Kv 和过小的 Tn 都会影响系统的稳固性；3.3 伺服系统执行机构参数对伺服动刚度的影响伺服系统的执行机构是进给伺服系统的掌握对象,由于直线进给电机废止了 中间的穿动环节,从而实现了零传动,所以在执行机构的参数当中,其参数对 于伺服系统的性能可能会

32、产生重要的影响,其中主要的两个影响因素是工作台 的载重和导轨的阻尼；3.3.1 工作台及负载质量对伺服系统动刚度的影响 工作表和负载质量与其他因素相比,工作台与载重质量也是一个重要的因 素,由于直线电机进给系统的负载质量和传动部件和直线电机无速度减速器,所以工作台及其负载的质量变化对伺服系统的性能有较大的影响；图 3-7 是当运动部件质量分别为340Kg、460Kg、560Kg时,系统的 25Kg阶跃干扰力输入响应和单位阶跃位置输入响应；名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用a b 图 3-

33、7 移动部件质量 m:Kg 对伺服动刚度和动态特性的影响从图中 3-7a 可以看出,随着运动部件质量的增加,曲线的数值不断增加,进给系统的伺服动刚度降低,同时随着运动部件质量的增加,系统的响应曲线系统的过渡过程振荡幅度加大,振荡次数增多,系统稳固性变差；由图 3-7b 可知超调量和调整时间也相应增加,系统动态品质下降；通过对文献【 12】的分析,可知要减弱惯性负载的变化对直线电机伺服性能的影响可以采纳以下方法:1 ）增大工作台的自重； 对饲服刚度的影响由图 3-8 分析可知,随着导轨阻尼系数的变化曲线并未发生变化,所以导轨阻尼的增加对直线电机进给系统伺服动刚度和系统动态特性并无显著的影响 ,

34、所以其相对于其它参数来说影响较小可以忽视不计；3.4 本章小结本章主要对伺服动刚度进行了分析,以及对影响其参数的性能指标进行了对比与探讨,伺服动刚度主要是由两部分组成,及系统位置输入 X 和外部扰动力Fr ；对直线电机伺服刚度的分析就是为了讨论系统抗击这些因素影响系统伺服性能的才能；影响系统伺服动刚度的参数主要有位置环增益系数 K,速度环增益系数,电流环比例放大系数,速度环积分时间常数 T,速度环滤波时间常数 T,直线电机的电枢电阻 R 和电枢电感 L ；其中,电枢电阻和电感是直线电机的特性常数,一旦选定电机,这两个参数就不会转变,所以伺服刚度主要受其余几个参数的影响；通过对伺服动刚度的分析可

35、以很好的对系统的传动精度进行分析,伺服动刚度的提高系统抵挡形变和扰动力也会增强,保证了输入与输出的传动精度；名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用4 直线电机进给系统掌握特性的仿真4.1 PID 掌握特性仿真分析图 4-1 直线电机进给系统 PID 掌握特性仿真PID 掌握便利简洁,易于实现,它对于偏差的掌握可以令人达到很中意的效 果,而且其易于调剂,对于受控对象的数学模型要求不是特殊苛刻,不必是特精准的数学模型,也正由于如此,其调剂方法广泛的被工业掌握人员所接受,工程应用特别的广泛,同时它

36、也是掌握领域当中历史最久、生命力最强的掌握方式；在 PID 方法掌握中, P 指的是比例环节,当一有偏差产生,就比例环节立 即产生抑制信号,使偏差得以乘以相应的系数来掌握偏差,它与偏差成比例的关系； I 指的是积分环节,它的主要作用是对偏差进行积分运算,只要静差一 直存在它就会始终对偏差起作用,从而可以排除闭环系统的静差,提高系统的无差度,但积分环节的引入会使系统的响应速度降低；D 指的是微分环节,它的作用是对偏差进行微分的运算,反映了偏差的变化速率,可以对于偏差将来 的变化进行调剂,在其变化的太大之前,增加有效的掌握信号,从而保证了控 制的精度；总之, PID 掌握包含了偏差的过去、现在和将

37、来的信息,可以对其 各个阶段进行有效地掌握,加入修正信号；通过利用 MATLAB软件对该传递函数进行仿真,从显示控件可以查看相应的掌握曲线,并将系统过程演示出来, 在 simulink建立的仿真模型当中转变P、I 、D 函数中的变量可得到不同的曲线便于对直线电机进给系统的掌握特性进行 分析；名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 从 simulink个人资料整理仅限学习使用中的仿真曲线显示可知,比例系数P 对直线进给系统的动态特性起着打算性作用,通过对P 系数的转变可使曲线发生很大的变化；积分系数I 主要是调剂系统的静

38、差,但是其对负载突变的抑制才能有限,为提高直线进 给系统的性能,应同时提高比例和积分系数,直线进给系统的稳态精度和抗干 扰才能也会随之提高,但是比例系数的进一步增加会引起系统的不稳固,积分 系数的增加也将增加系统的超调量,故比例系数和积分系数都限制在肯定的范围内；4.2 白噪声的加入对于掌握特性的影响图 4-2 白噪声加入后 PID 掌握特性仿真白噪声是各种噪声的综合,它的频点能量一般为常数,并且基本恒定,频 带较宽存在信号的整个频率带中,而且具有随机性,但由于为其不具有叠加 性,同时也不具有偏差,所以它对于掌握精度的影响并不大,并且对于 PID 控 制也不会产生太大的影响,显现的掌握偏差可以

39、忽视不计；4.3 PID 掌握的 GUI界面名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 4-2PID 掌握的 GUI 界面Matlab 的 GUI 设计工具可以简洁、便利地设计出便利、美观的界面和控件,从而可以很好的实现人机交互；GUI 图形界面设计所包含的的信息比单纯的数据信息有更强的可读性,而且信息涵盖的更广；实现 GUI 的过程包括两个基本任务：一是 GUI 界面的布局,另一个是 GUI 组件的编程； GUI 的工具箱中包含了各种输入与显示控件,可以通过拖拉的方式任意的添加所需的控件,然

40、后挑选相应的控件添加对应的回调函数编写M文件,从而实现所需的要求；图 4-2 为 PID 掌握的 GUI 界面,通过添加滑块输入控件、文本输入控件和显示控件,并编写相应的 通过滑块控件随时转变M 程序可很好的实现传递函数的阶跃响应,并且可以 PID 的参数,可以很直观的观看转变参数后的曲线变化,这样大大降低了 PID 整定的困难,同时也可以通过文本输入控件手动的输入响应的数值观看响应曲线,防止了滑块无法精确定位相应数值的困难；通过滑块和文本的输入空间可以得到相应的阶跃响应曲线,转变 PID 的参数可以便于对各个参数的分析,为后文的整定和优化做了铺垫；名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 4.3 本章小结本章主要对 PID 的掌握进行了分析,分别指出 掌握成