第五章數(shù)控加工中心龍門電磁懸浮系統(tǒng)無源
隨著科技的不斷發(fā)展,控制領(lǐng)域也獲得了長足的發(fā)展。從傳統(tǒng)的線性控制、PID 控制發(fā)展到智能控制。由于電磁力與電流之間具有二次方的關(guān)系,因此電磁懸浮系統(tǒng) 是非線性系統(tǒng)。為了實現(xiàn)對電磁懸浮系統(tǒng)的精確控制,以保證加工部件的精度,需要 對電磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計良好的控制器以達到龍門數(shù)控加工中心的性能指標。文獻[46] 利用最優(yōu)算法對懸浮系統(tǒng)控制器參數(shù)進行優(yōu)化。文獻[47]利用模糊算法對PID控制器 參數(shù)進行了整定。他們都在一定程度上滿足了懸浮系統(tǒng)的性能指標。本文為電磁懸浮 系統(tǒng)設(shè)計了無源控制器,為懸浮系統(tǒng)的控制算法庫擴充了一種新的、有效地控制算法。
5.1磁鏈控制數(shù)學模型
由第二章已經(jīng)推導出電磁懸浮系統(tǒng)數(shù)學模型,由于電流間接控制電磁力會使磁路 飽和產(chǎn)生非線性因素,因此采用磁鏈控制能直接控制電磁力,可以消除磁路飽和所產(chǎn)生的非線性因素。
5. 4仿真結(jié)果及分析
系統(tǒng)的仿真參數(shù)見第三章。平衡點磁鏈/.= 3.178。反饋控制器表示式中a, 1^兩個參數(shù)分別為20, 5000。
系統(tǒng)仿真框圖如圖5.1。
仿真1:無擾動仿真效果對比實驗
當系統(tǒng)中不加擾動時對PID控制、模糊PID控制和無源控制的仿真曲線進行比較。
從仿真圖5.2中可知無源控制使得響應(yīng)曲線在不到0.1秒就到達了設(shè)定的懸浮位 置并且沒有超調(diào)量。相比于PID控制、模糊PID控制使電磁懸浮系統(tǒng)具有了更快的 響應(yīng)速度。
仿真2:有擾動仿真效果對比實驗
在系統(tǒng)響應(yīng)第3秒時對懸浮系統(tǒng)施加500N的階躍擾動,同時觀察三種控制器的 仿真曲線,仿真曲線如圖5.3。
由圖5.3可知當系統(tǒng)受到500N階躍干擾時無源控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線相比于PID控 制和模糊PID控制的系統(tǒng)的波動超調(diào)幅度小且在0.1秒左右就恢復到了設(shè)定的位置, 因此相比于這兩種控制算法無源控制加強了系統(tǒng)的魯棒性。
仿真3:懸浮系統(tǒng)周期擾動仿真實驗
移動懸浮橫梁的水平導向單元采用的是永磁同步直線電機驅(qū)動。由于直線電機運 行時存在著紋波擾動、端部效應(yīng)等周期擾動嚴重影響到了電磁懸浮系統(tǒng)的懸浮精度和 部件的加工精度。為了能夠很好的抑制直線電機的這一缺點,因此所設(shè)計的控制器需 要使懸浮系統(tǒng)對周期擾動具有一定的抵抗性。當系統(tǒng)受到系統(tǒng)受到500N,周期為2 秒,占空比為1的脈沖周期擾動時的仿真誤差曲線如圖5.4。
由圖5.4可知當懸浮系統(tǒng)受到周期擾時懸浮氣隙偏差為6xl(T5m左右,且在0.1秒左右就恢復到設(shè)定點,由此表明無源控制器使得懸浮系統(tǒng)對周期擾動也具有一定的 魯棒性。因此可以適應(yīng)直線電機所帶來的周期干擾。
基于無源控制理論本章介紹了單磁懸浮系統(tǒng)無源控制器的設(shè)計。首先建立了電磁 懸浮系統(tǒng)的能量函數(shù),然后建立出電磁懸浮系統(tǒng)哈密爾頓方程,通過選取適當?shù)幕ヂ?lián)陣和耗散陣來重新建立電磁懸浮系統(tǒng)的哈密爾頓方程。通過三個哈密爾頓函數(shù)約束條 件來求解偏微分方程,從而推出單電磁懸浮系統(tǒng)無源控制器的表達式。無源控制器設(shè) 計簡單、易于實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明無源控制器加快了單電磁懸浮系統(tǒng)較強的響應(yīng)速度, 提高了其魯棒性,最終提高了懸浮精度。
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