【正文】 ulation analysis, find out the PID parameters of the closed loop control system of the relationship between frequency domain and time domain. And white noise is added to a PID control system, change the size of the PID3 a parameter respectively, analysis of the effect of various parameters on the control of the control system and based on the geic algorithm to optimize the servo motor control parameters. Keywords： The transfer function The servo dynamic stiffness PID control Geic algorithm to optimize 2 目 錄 1 緒論???????????????????????????????? 1 課題研究背景與意義???????????????????????? 4 數(shù)控伺服進給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀???????????????????? 4 數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類與驅(qū)動方式 ?????????????????? 5 直線電機驅(qū)動的數(shù)控伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢 ??????????? 6 本文主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排 ?????? ?????????????? 7 2 高速數(shù)控車床直線電機進給系統(tǒng)數(shù)學模型的建立 ? ???????????? 7 交流永磁同步直線電動機結(jié)構(gòu)及工作原理 ? ?????????????? 7 交流永磁同步直線電動機位置控制結(jié)構(gòu)框圖 ? ????????????? 8 高速數(shù)控車床直線電機進給系統(tǒng)數(shù)學模型的建立 ? ??????????? 9 機械執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學模型的建立 ? ??????????????????? 11 本章小結(jié) ? ???????????????????????????? 13 3 高速數(shù) 控車床直線電機進給系統(tǒng)控制特性分析 ? ????????????? 13 影響伺服動剛度的因素分析 ???????????????????? 13 伺服系統(tǒng)控制參數(shù)對伺服動剛度的影響 ??????????????? 15 位置環(huán)增益對進給系統(tǒng)伺服動剛度的影響 ????????????? 15 速度環(huán)比例放大系數(shù)對伺服動剛度的影響 ????????????? 16 速度環(huán)積分時間常數(shù)對伺服動剛度的影響 ????????????? 17 速度環(huán)濾波時間常數(shù)對伺服 動剛度的影響 ????????????? 18 電流環(huán)比例放大系數(shù)對伺服動剛度的影響 ????????????? 19 伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)對伺服動剛度的影響?????????????? 19 工作臺及負載質(zhì)量對伺服系統(tǒng)動剛度的影響 ???????????? 19 導軌粘滯阻尼對伺服動剛度的影響????????????????? 20 本章小結(jié) ? ??????????????????????????? 21 4 直線電機進給系統(tǒng)控制特性的仿真?????????????? ????? 21 PID 控制特性仿真分析??????????????????????? 22 3 白噪聲的加入對于控制特性的影響 ?????????????????? 23 PID 控制的 GUI 界面???????????????????????? 23 本章小結(jié) ???????????????????????????? 25 5 采用 遺傳算法 對 PID 參數(shù)優(yōu)化??????????? ?????????? 25 PID 參數(shù)優(yōu)化方法簡介與 ZN整定 ? ????????????????? 25 遺傳算法的簡介與應用 ??????????????????????? 27 遺傳算法的基本原理與步驟????????????????????? 28 程序編寫與仿真結(jié)果分析 ??????? ??????????????? 29 本章小結(jié) ? ???????????????????????????? 31 總結(jié)與展望 ?? ???????????????????????????? 31 參考文獻??????????????????????????????? 31 致謝 ?????????????????? ?????????????? 33 附錄 ???????????????????????????????? 33 4 1 緒論 數(shù)控技術(shù)是工業(yè)制造生產(chǎn)的重要關(guān)鍵技術(shù)之一 【 1】 。位置反饋信號和輔助動作信號及時將機床的輸出信號反饋給計算機數(shù)控系統(tǒng) 采用全閉環(huán)控制的方式，提高 了 控制精度， 使得直線電機進給系統(tǒng)，具有定位精度高、剛性好、動態(tài)特性好、進給速度及加速度高等一系列優(yōu)良特性，在應用中能很好地滿足用戶要求。同時若想得到優(yōu)良的動態(tài)性能和高的剛度 ，伺服驅(qū)動裝置必須運用 閉環(huán)控制，一般來說直線電機進給系統(tǒng)伺服驅(qū)動裝置的剛度主要取決于控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)，伺服控制系統(tǒng)要有較高的穩(wěn)定性和較強的抗干擾能力。 最后是 簡單的總結(jié)與展望、文獻綜述和附錄。 11 圖 26 系統(tǒng) 的 傳遞函數(shù)框圖 為了更好的分析和判斷系統(tǒng)的動態(tài)性能，在 直線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析過程中簡化成為線性定常系統(tǒng)，從而能夠方便而直觀的利用得到的傳遞函數(shù)來分析各個 的參數(shù)以及系統(tǒng)的動態(tài)性能，大大簡化了分析的難度。由文獻【 12】可知伺服剛度是評價系統(tǒng)控制精度的重要性能指標，它主要是系統(tǒng) 的干擾力與干擾力 所引起的位置偏差的 比 ，即 KV G2 (s) cms?1 s1 Fr xi xo 圖 29 直線電機進給系統(tǒng)傳遞函數(shù)簡化框圖 14 xFF rs ?? 其中 x? 為輸入量 ox 與輸出量 ix 之間的偏差值，其中當輸入位置指令等于零時，oxx?? ，所以在輸入量為零時，伺服剛度可以表示為 干擾力與干擾力引起的輸出之比，此時的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖為： 在速度環(huán)中包含有電流環(huán)，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 G1 (s)， 通過化簡得： G1 (s)=PIRPIR KKKK?1 ，令PIRPIR KKKK?1 = IK ，因此傳遞函數(shù) G )1( )1()(2 sTsT sTKKKsNNNPIF ? ?? K)1()( 1 011223344sbs asasasasaXFS ors ? ?????? 式中 ： 14 GmTa ? GLcTma ??3 NTKca 112 ?? )1(111 NV TKKa ?? VKKa 110 ? GLTb ?1 NPIF T KKKK ?11 在干擾力為零的情況下，直線電機位置輸入與執(zhí)行機構(gòu)位置輸出的傳遞函數(shù)可以表示為 ： 011223344110 )1()( )( asasasasa sTKksF sX NVr ?????? — — )(2 sG rF + + cms?1 V s1 ox vK S 15 由上式可知，影響直線電機進給系統(tǒng)伺服動剛度的主要參數(shù)有 :位置環(huán)增益 KV ，速 度環(huán)增益 PK ，電流環(huán)比例放大 PIK ，速度環(huán)積分時間常數(shù) TN ，速度環(huán)濾波時間常數(shù)TGL ，直線電機的電樞電阻 RA 和電樞電感 LA ]3[ ?？梢?，適當增加系統(tǒng)位置環(huán)比例增益可以使 系統(tǒng)的響應速度 得到改善 ， 并且可以使 其伺服動剛度 提高 ，但 其數(shù)值也不益提高的太大，因為其數(shù)值過大的話系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會變差。其中通過速度環(huán)的比例積分的調(diào)節(jié)控制可以使系統(tǒng)達到足夠的機械強度，從而減小其它負載下的擾動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 速度環(huán)濾波時間常數(shù)對伺服動剛度的影響 文獻【 12】對速度環(huán)濾波時間常數(shù)對伺服動剛度的影響作出了分析，指出濾波環(huán)節(jié)的參數(shù)是濾波時間常數(shù)，在速度環(huán)中設(shè)置濾波環(huán)節(jié)主要有以下兩個方面的考慮， l)限制速度環(huán)的帶寬，抑制高頻信號對系統(tǒng)的干擾 。速度環(huán)積分時間常數(shù)越小，伺服動剛度也 越大，但過大的 Kv 和過小的 Tn都會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 導軌粘滯阻尼對伺服動剛度的影響 文獻【 12】指出機床導軌 有制導精度高，精度保持性好，有足夠的剛度和良好的抗摩擦性能 。 本章小 結(jié) 本章主要對伺服動剛度進行了分析，以及對影響其參數(shù)的性能指標進行了對比與探討，伺服動剛度 主要 是由 兩部分組成，及 系統(tǒng) 位置輸入 Xi 和外部 擾動力 Fr?？傊?， PID 控制包含了偏差的過去、現(xiàn)在和未來的信息，可以對其各個階段進行有效地控制，加入修正信號。 圖 42 為 PID 控制的 GUI 界面，通過添加滑塊輸入控件、文 本輸入控件和顯示控件，并編寫相應的 M 程序可很好的實現(xiàn)傳遞函數(shù)的階躍響應，并且可以通過滑塊控件隨時改變 PID 的參數(shù)，可以很直觀的觀察改變參數(shù)后的曲線變化，這樣大大降低了 PID整定的困難，同時也可以通過文本輸入控件手動的輸入響應的數(shù)值觀察響應曲線，避免了滑塊無法準確定位相應數(shù)值的困難。 ② PID 參數(shù)優(yōu)化。 遺傳算法是一種非常有效的優(yōu)化方法，它所得的解是經(jīng)過全局搜素得到的，結(jié)果相對于其它算法精度要 高許多，并且在各方面應用很廣，也產(chǎn)生了許多的分支， 如：遺傳編程、進化編程、進化策略、分類器系統(tǒng)和人工生命。 （ 3） 確定個體適應度函數(shù)（ Fitness Function） 變量參數(shù) 編碼 種群 1 計算適配值 滿足要求 遺傳操作 種群 2 解碼 算法結(jié)束 種群 2 個體優(yōu)于種群 1 個體 復制 交叉 變異 否 是 30 適應度的編寫是程序的重中之重，它的主 要作用是 將個體編碼進行處理，依次帶入個體的適應度函數(shù)，由此來選擇優(yōu)秀個體。 圖 55遺傳算法整定模型 采用遺傳算法 優(yōu)化 PID 的 控制 參數(shù)，然后 將參數(shù)代入到控制 器 當中得到的曲線如上圖所示，由圖像分析可以看出它的 跟蹤速度快，超調(diào)量很小，彌補了傳統(tǒng) PID 控制器在調(diào)節(jié)控制參數(shù)上能力的不足，取得了較好的控制效果。 使用遺傳算法的方法整定可以方便的整定出 PID 控制的三個參數(shù) ， 避免了傳統(tǒng)整定的煩惱，而且也是控制達到了滿意的效果。 global rin yout timef %定義全局變量 G=50。 %初始化種群，編碼 Bsj=0。 %計算輸出量 end K(s,1)=(MaxX(1)MinX(1))*y1/1024+MinX(1)。 [KK,Bsj]=pid_ga(KK,Bsj)。 %取最大值 Bests=E(D2(Size),:)。 %交叉概率 n=30*pc。 if pmtemp %變異條件 if tempE(i,j)==0 tempE(i,j)=1。ylabel(39。 xlabel(39。 QA9wkxFyeQ^! djsXuyUP2kNXpRWXm Aamp。gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm6X4NGpP$vSTTamp。gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 ksv*3t nGK8!z89Am YWpazadNuKNamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。MuWFA5uxY7JnD6YWRr Wwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gj qv^$UE9wEwZQcUE%。 MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK! zn% Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZQcUE% amp。 qYpEh5pDx2zVkumamp。 MuWFA5uxY7JnD6YWRr Wwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gj qv^$UE9wEwZQcUE% amp。 MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK! zn% Mz849Gx^Gj qv^$UE9wEwZQcUE%amp。MuWFA5uxY7JnD6YWRr Wwc^vR9CpbK! zn%Mz849Gx^Gj qv^$UE9wEwZQcUE%amp。MuWFA5uxY7JnD6YWRr Wwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gj qv^$UE9wEwZQc UE% amp。 內(nèi)部資料 請勿外傳 項 目 經(jīng) 理項 目 副 經(jīng) 理 項 目 總 工