交流伺服系统变负载下参数自适应调整方法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 4.47MB 71 页 15积分
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摘要
数控机床特别是高档数控机床，其最基础的、最关键的支撑技术就是高性能
的交流驱动技术。对于交流伺服系统这样的非线性系统，一般使用传统 PID 参数
调整的方法调整驱动器参数，进而控制伺服系统的精度和速度。这种方法主要有
以下缺点：只能一次调整参数使系统性能最优，而对于不同的应用、不同的工况
下，系统的负载转动惯量各不相同或者系统转动惯量是未知的情况下，参数就不
能很好的依据负载变化而确定，从而电机的控制效果比较差。
由于驱动器参数和负载转动惯量不能很好的匹配，一般会导致数控机床在使
用过程中往往会出现运行不平稳,响应慢,振动,出现尖叫声及振动噪音等现象，大大
影响了加工效率。基于以上原因，我们提出了在线自适应调整参数的算法以适应
负载的变化。
外部出现扰动或负载发生变化时，首先辨识出对伺服系统影响较大的负载转
动惯量和负载转矩这两个变量，本论文提出了最小二乘辨识算法、加减速离线辨
识算法辨识出负载转动惯量，并设计负载转矩的辨识和补偿方法。
搭建了变负载参数自整定的试验台，在辨识出不同的负载转动惯量的情况下，
通过和代表世界最先进水平的驱动器的实验对比，调整国产驱动器参数，使其实
验结果逼近高水平的驱动器。保存不同负载惯量值以及其所对应的驱动器参数值，
建立他们的数学关系，查表以达到参数自整定的目的。
在变负载的大量实验中发现，速度控制器体现出较强的抗负载扰动能力，速
度控制器算法的好坏决定了变负载情况下系统的精度和速度。因此，在除了实验
实现的参数自整定方法之外，通过研究模糊控制理论，运用模糊控制理论设计速
度控制器，并提出了自适应确定速度控制器 PID 参数的算法。
运用 Simulink 中Fuzzy Logic Toolbox 建立基于模糊 PID 控制的速度控制器的
模型，给出了算法的程序，以仿真图的形式验证了模糊 PID 控制算法确定速度控
制器参数的正确性。
关键词：交流伺服系统 变负载 辨识 模糊控制 自适应 驱动器参数
交流伺服系统变负载下参数自适应调整方法研究
ABSTRACT
As we all know, the most critical technology of the high-end CNC machine
especially for the numerical control machine, is the exchange of high-performance drive
technology. Generally we use the conventional PID parameter adjustment method of
adjusting the drive parameters, and then control the accuracy and speed of the a
non-linear servo system. But this method has the following disadvantages: You can only
adjust the parameters once as an optimal system performance, but for different
applications, different operating conditions, the system moment of inertia of the load
varies, or moment of inertia of the system is unknown circumstances, the parameters not
be able to get a good basis for determining the load changes, thus the motor control
effects are relatively poor.
As the drive parameters and load moment of inertia can not match well, in general
it would lead the process of CNC machine run unsmoothly, response to slow, vibration,
noise and other phenomena which greatly affects the processing inefficiency. For these
reasons, we propose an online adaptive algorithm for adjusting parameters to adapt to
load changes.
When there is an external disturbance or load change occurs, firstly, we identify a
greater impact on the servo system load moment of inertia and load torque of these two
variables. This paper presents a least-squares identification algorithm, acceleration and
deceleration off-line identification algorithms to identify the load moment of inertia, and
design load torque identification and compensation.
In this research, a variable load parameters self-tuning test system has been set up.
in the identification of different moment of inertia of the load cases, the adoption and on
behalf of the world's most advanced drives experimental contrast, adjustment of
domestic drive parameters to experimental results close to a high level of drive .
Different loads are used to save money, as well as its corresponding drive parameter
value, build their mathematical relationship, look-up table in order to achieve the
purpose of self-tuning parameters.
In this paper, by changing a large number of experiments we found that speed
controller demonstrated strong anti-disturbance capacity of the load. The quality of
speed control algorithm determines the variable load conditions the system accuracy
and speed. Thus, in addition to the parameters of experimental realization of self-tuning
methods, by studying the fuzzy control theory, the use of fuzzy control theory and
design speed controller, and proposed an adaptive speed controller PID parameters to
determine the algorithm.
The Simulink has been used in this research. Fuzzy Logic Toolbox is used to
establish control based on fuzzy PID speed controller model. The algorithm is given
procedures to verify the simulation diagram in the form of fuzzy PID control algorithm
to determine the accuracy of the speed controller parameters.
Keywords: AC Servo System, Identification of Fuzzy Control, Adaptive,
Variable load, drive parameters
目 录
摘要
ABSTRACT
目 录 .................................................................................................................I
第一章 绪 论 .......................................................................................................... 1
§1.1 课题的背景及意义 .................................................................................... 1
§1.2 交流伺服系统参数自调整国内外研究现状 ............................................ 2
§1.3 本文研究的主要内容 ............................................................................... 3
第二章 变负载参数自调整实验台的搭建和原理 ................................................ 5
§2.1 实验台的搭建 ........................................................................................... 5
§2.1.1 搭建实验台的主要思想 .................................................................5
§2.1.2 实验台的控制系统介绍 ..................................................................5
§2.1.3 交流伺服驱动器主控回路 ..............................................................6
§2.2 实验的目的 ............................................................................................... 7
§2.3 实验台的基本特点 ................................................................................... 7
§2.3.1 半闭环伺服系统 ..............................................................................7
§2.3.2 位置控制形式 ..................................................................................8
§2.4 实验台的基本组成及其原理 ................................................................... 9
§2.4.1 永磁同步电机的数学模型 .............................................................9
§2.4.2 光电编码器 ...................................................................................11
§2.4.3 矢量控制方法 ...............................................................................12
§2.4.4 位置、速度、电流三环结构 .......................................................13
§2.5 交流伺服系统基本要求 ......................................................................... 13
§2.6 本章小结 ................................................................................................. 14
第三章 负载的辨识和控制器控制策略研究 ...................................................... 15
§3.1 负载转动惯量辨识的必要性 ................................................................. 15
§3.2 辨识的基本原理 ..................................................................................... 15
§3.3 交流伺服系统转动惯量的辨识算法研究 ............................................. 16
§3.3.1 最小二乘法 ...................................................................................16
§3.3.2 离线式加减速法 ...........................................................................18
§3.4 交流伺服控制器的结构及控制策略 ...................................................... 20
交流伺服系统变负载下参数自适应调整方法研究
§3.4.1 交流伺服驱动器的结构 ...............................................................20
§3.4.2 永磁交流伺服系统电流控制器 ...................................................20
§3.4.3 永磁交流伺服系统速度控制器 ...................................................22
§3.4.4 永磁交流伺服系统位置控制器 ...................................................24
§3.5 负载转矩辨识与速度补偿原理 .............................................................. 24
§3.5.1 负载转矩的辨识 ...........................................................................24
§3.5.2 速度补偿原理 ...............................................................................25
§3.6 本章小结 ................................................................................................. 27
第四章 速度控制器参数自适应调整方法研究 .................................................. 29
§4.1 PID 参数的模糊自整定方法研究 ...........................................................29
§4.1.1 PID 参数的模糊自整定的基本原理 ............................................ 29
§4.1.2 模糊控制系统的基本原理 ...........................................................30
§4.1.3 模糊控制系统的设计 ...................................................................31
§4.2 参数自整定的速度控制器设计 .............................................................. 37
§4.2.1 速度控制器结构 ............................................................................37
§4.2.2 控制器参数初值的确定 ...............................................................38
§4.2.3 速度控制器的设计 .......................................................................38
§4.3 速度控制器的仿真分析 ......................................................................... 41
§4.3.1 MATLAB /S imulink 简介 ............................................................ 41
§4.3.2 速度环参数自适应调整的仿真实验 ............................................42
§4.3.3 仿真结果说明 ...............................................................................47
§4.4 本章小结 ................................................................................................. 47
第五章 变负载参数自调整实验 ........................................................................ 48
§5.1 变负载参数自调整实验台 ..................................................................... 48
§5.2 参数调整的方法 ..................................................................................... 49
§5.2.1 参数调整的基本原理 ...................................................................49
§5.2.2 负载和电机惯量比的调整 ...........................................................50
§5.2.3 位置环增益的调整 .......................................................................51
§5.2.4 速度环增益的调整 .......................................................................53
§5.2.5 速度环积分时间常数的调整 .......................................................54
§5.3 实验对比 ................................................................................................. 55
§5.4 参数调整的步骤 ..................................................................................... 56
§5.5 参数调整的结果 ..................................................................................... 56
§5.6 负载转动惯量的辨识结果 ..................................................................... 57
§5.7 负载惯量和主要参数的数学关系 .......................................................... 58
§5.8 本章小结 ................................................................................................. 60
第六章 结论与展望 .............................................................................................. 61
§6.1 总结 ......................................................................................................... 61
§6.2 展望 ......................................................................................................... 62
参考文献 ................................................................................................................ 63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................................... 66
致谢 ........................................................................................................................ 67
摘要：

摘要数控机床特别是高档数控机床，其最基础的、最关键的支撑技术就是高性能的交流驱动技术。对于交流伺服系统这样的非线性系统，一般使用传统PID参数调整的方法调整驱动器参数，进而控制伺服系统的精度和速度。这种方法主要有以下缺点：只能一次调整参数使系统性能最优，而对于不同的应用、不同的工况下，系统的负载转动惯量各不相同或者系统转动惯量是未知的情况下，参数就不能很好的依据负载变化而确定，从而电机的控制效果比较差。由于驱动器参数和负载转动惯量不能很好的匹配，一般会导致数控机床在使用过程中往往会出现运行不平稳,响应慢,振动,出现尖叫声及振动噪音等现象，大大影响了加工效率。基于以上原因，我们提出了在线自适应调...

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