【正文】 39。Best J39。 else tempE(i,j)=0。 for i=1:2:(Size1) temp=rand。 % *********** 選擇算子 ************ fi_sum=sum(fi)。 % 調(diào)用 Bsji(s)=Bsj。 %解碼，計(jì)算 Kp 的取值 m2=m(CodeL+1:2*CodeL)。 for k=1:G %迭代次數(shù) time(k)=k。 %迭代次數(shù) Size=30。 盡管遺傳算法應(yīng)用廣泛且具有很好的發(fā)展前景，但它卻有大量的問題需繼續(xù)研究，首先，其變量多，搜索效率低，需要準(zhǔn)備的工作量大，另外，其只是對(duì)最優(yōu)解的估計(jì)無法準(zhǔn)確的定位最優(yōu)解的值，最后，它還有一些不確定的因素存在。 31 本章小結(jié) 通過本章的研究，分析了 PID 整定的幾種方法，主要介紹了 ZN 整定和遺傳算法整定兩種方法，對(duì)比了兩種方法，指出 ZN 整定方法簡(jiǎn)單，但是帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性，而遺傳算法則是一種全局尋優(yōu)的方法，結(jié)果要比上述方法精確了很多，采用遺傳算法整定 PID 的三個(gè)參數(shù)，提高了 PID 的控制精度，對(duì)于直線電機(jī)的控制曲線達(dá)到了很好的控制效果。 上式適應(yīng)度的 Matlab 程序?qū)崿F(xiàn)如下： for i=1:1:P Ji(i)=*abs(error(i))+*u(i)^2。 文獻(xiàn)【 18】 對(duì) 遺傳算法 的應(yīng)用做了詳細(xì)的介紹，指出它 在機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 28 工業(yè)優(yōu)化控制、生物學(xué)、社會(huì)科學(xué)等方面 都有著重要的有應(yīng)用 ：在優(yōu)化問題方面的應(yīng)用，如巡回推銷員問題、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、鐵路運(yùn)輸計(jì)劃的優(yōu)化。 PID 參數(shù)優(yōu)化是 主要應(yīng)用一些算法和控制目標(biāo)來計(jì)算 PID 參數(shù)，它的優(yōu)化算法一般比較高，結(jié)果一般比經(jīng)驗(yàn)整定的方法精確，通過人們的不斷研究與探索，至今在工業(yè)優(yōu)化方法當(dāng)中一般有 粒子群優(yōu)化算法，單純形法，差分進(jìn)化算法，免疫算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，遺傳算法等。通過滑塊和文本的輸入空間可以得到相應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線，改變 PID 的參數(shù)可以便于對(duì)各個(gè)參數(shù)的分析，為后文的整定和優(yōu)化做了鋪墊。 通過利用 MATLAB 軟件對(duì)該傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真 ， 從顯 示控件可以查看相應(yīng)的控制曲線 ，并將系統(tǒng)過程演示出來 ,在 simulink 建立的 仿真模型 當(dāng)中 改變 P、 I、 D 函數(shù)中的變量可得到不同的曲線便于對(duì)直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的控制特性進(jìn)行分析。對(duì)直線電機(jī)伺服剛度的分析就是為了研究系統(tǒng)抵抗這些因素影響系統(tǒng)伺服性能的能力。 適合的阻尼還可以進(jìn)步進(jìn)給體系的定位精度。 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制對(duì)象，因?yàn)橹本€進(jìn)給電機(jī)廢除了中間的 20 穿動(dòng)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了零傳動(dòng)，所以在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)當(dāng)中，其 參數(shù)對(duì)于伺服系統(tǒng)的性能可能會(huì)產(chǎn)生重要的影響，其中主要的兩個(gè) 影響因素是工作臺(tái) 的載重 和導(dǎo)軌的阻尼。2)抑制伺服控制系統(tǒng)中由 A/D、 D/A 環(huán)節(jié)所引入的量化效應(yīng)，量化效應(yīng)會(huì)影響位置誤差和速度誤差。其中積分環(huán)節(jié)的主要作用是整定偏差，如若系統(tǒng)的偏差一直存在則節(jié)分環(huán)節(jié)一直起作用，知道系統(tǒng)無偏差為止。 速度環(huán)比例放大系數(shù)對(duì)伺服動(dòng)剛度的影響 速度環(huán)比例放大系數(shù) Kp 是影響速度環(huán) PI 控制的一個(gè)重要參數(shù)，速度控制器的重要作用其 實(shí)是對(duì)速度進(jìn)行控制，使其保持一定的速度而穩(wěn)定的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在定位時(shí)保證其不產(chǎn)生振蕩。其中，電樞電阻和電感是直線電機(jī)的特性常數(shù)，一旦選定電機(jī)，這兩個(gè)參數(shù)就不會(huì)改變，所以伺服 剛度主要受其余幾個(gè)參數(shù)的影響。 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立 為了得到完整的傳遞函數(shù)，需要對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，文獻(xiàn) [12]針對(duì)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立做出了分析，指出直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖及其工作時(shí)的受力狀況如圖 27所示。 2 高速數(shù)控車床直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 交流永磁同步直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 交流永磁同步直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)點(diǎn)顯著，在工業(yè)控制中一直被廣泛的應(yīng)用，其體積小，運(yùn)行安全可靠，耗能少 并且功率高，一般可分為正弦波永磁同步電機(jī) (PMSM)和梯形波永磁同步電機(jī) (BLDC)兩種，其中正弦波永磁同步電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，如圖 21 所示，定子由三相繞組組成，三相繞組依次產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)而系統(tǒng)轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同時(shí)不停地切割磁感線產(chǎn)生正弦的輸出電壓，對(duì)于其分類一般可以分為凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式三類。 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn) ， 所以其在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛，并且因?yàn)檫@些獨(dú)特的優(yōu) 點(diǎn)廣泛的被應(yīng)用在航空航天，精密加工與制造，車削加工，軍 7 事、交通等重要的領(lǐng)域當(dāng)中， 它也 一直被 公認(rèn)是精密機(jī)械加工的 關(guān)鍵部件之一，但 國(guó)內(nèi)在這方面的研究還不太充分，也對(duì)直線電機(jī)的特性了解的不太深入，其重要的核心技術(shù)仍然被國(guó)外所掌握， 仍然需要繼續(xù)努力。 1． 3 數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類與驅(qū)動(dòng)方式 文獻(xiàn)【 3】對(duì)于伺服系統(tǒng) 的分類做出了詳細(xì)的分析，一般來說有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，各有各的優(yōu)點(diǎn)，也各有各的用途，在工業(yè)控制當(dāng)中一般主要有滾珠絲杠進(jìn)給伺服系統(tǒng)和直線電機(jī)進(jìn)給伺 服系統(tǒng)， 其中前者主要是通過齒輪、皮帶等中間傳動(dòng)件或直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠， 然后將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本€的運(yùn)動(dòng) ，進(jìn)而控制執(zhí)行部件 【 4】 。 數(shù)控系統(tǒng)越來越廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備中， 為了 提 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、定位精度和較好的穩(wěn)定性，一般高速數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用 直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式 來 實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的直線進(jìn)給，而不需要中間傳動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，與傳統(tǒng)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)相比直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)具有具有剛度大、精度高、速度快、加減速度大等一系列優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用是工業(yè)生產(chǎn)上的一次飛躍。 1． 1 課 題研究背景與意義 高速數(shù)控車床具有諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”，大大提高了傳動(dòng)的精度，能滿足高速數(shù)控車床快速進(jìn)給的要求，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、定位精度和較好的穩(wěn)定性。 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)采用數(shù)字全閉環(huán)控制方式 ,采用直接傳動(dòng)，徹底廢除位置反饋信號(hào) 信息載體 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 伺服系統(tǒng) 機(jī)床 輔助動(dòng)作信號(hào) 6 了進(jìn)給傳動(dòng)鏈中一切機(jī)械，提高進(jìn)給單元?jiǎng)偠群投ㄎ痪?【 5】 。 本文主要研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排 本文主要對(duì)直線電機(jī)的控制特性經(jīng)行仿真分析，構(gòu)建系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并通過 PID對(duì)其偏差進(jìn)行控制，并通過遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化 PID 的三個(gè)參數(shù)。 梯形波永磁同步電機(jī)相電流為梯形波，它的永磁體的弧極其 180 度，而且永磁體發(fā) 出的 磁場(chǎng)呈梯形波散布。 圖 27 執(zhí)行機(jī)構(gòu)受力分析圖 設(shè)滾動(dòng)導(dǎo)軌的阻尼系數(shù)為 c，寫出進(jìn)給單元的動(dòng)力學(xué)方程 : v? sn snp ?? ???? 1 sRl???11 1p? 101??sR 電流 環(huán) f? 執(zhí)行機(jī)構(gòu) S Fr xi x0 12 m?22dtxd +cdtdx =FFL 并且為了計(jì)算的簡(jiǎn)單，將摩擦力算入到干擾力中，然后經(jīng)過拉氏變換可以 得 到 ： （ m? s2 +c? s） X(s)=F(s) 最后得到直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械執(zhí)行部件的傳遞函數(shù)可表示為 : G(s)=)()(sFsX=)( 1 cmss ? 其傳遞函數(shù)框圖 28 為 圖 28 執(zhí)行部件傳遞函數(shù)框圖 從上式可以看出直線進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行部件的傳遞函數(shù)相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，它主要包含了慣性環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)，是由這兩個(gè)環(huán)節(jié)的乘積而得到的， 這是由于 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng) 本身 為零傳動(dòng)，系統(tǒng)特性參數(shù)主要是移動(dòng)部件的質(zhì)量和導(dǎo)軌 的 阻尼。 伺服系統(tǒng)控制參數(shù)對(duì)伺服動(dòng)剛度的影響 為了更好的分析各個(gè)參數(shù)對(duì)伺服動(dòng)剛度的影響，采用單因素分析的方法，即在每一次的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中只改變其中的一個(gè)參數(shù)，而其它參數(shù)的數(shù)值不改變，由此來觀察此參數(shù)對(duì)伺服動(dòng)剛度的影響，為了便于觀察采用 Matlab 進(jìn)行仿真，觀察伺服動(dòng)剛度的倒數(shù)，并對(duì)其階躍響應(yīng)做相對(duì)的分析，其中影響伺服動(dòng)剛度的參數(shù)如表 41 所示。而且為了更好的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行位置的控制，還需要速度環(huán)有高的響應(yīng)速度，同時(shí)在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)具有很好的硬度保持特性，以對(duì)各種擾動(dòng)有很好的抑制，從而保證了轉(zhuǎn)動(dòng)的精度。通過對(duì)文獻(xiàn)的分析，可知積分時(shí)間短，積分作用就增強(qiáng)，系統(tǒng)響應(yīng)快 。 圖 35是速度環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)分別為 1000μ s、 750μ s、 500μ s時(shí)，系統(tǒng)的 25Kg 階躍干擾力輸入響應(yīng)和單位階躍位置輸入響應(yīng)。 工作臺(tái)及負(fù)載質(zhì)量對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)剛度的影響 工作表和負(fù)載質(zhì)量與其他因素相比，工作臺(tái)與載重質(zhì)量也 是一個(gè)重要的因素，因?yàn)?直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載質(zhì)量和傳動(dòng)部件和直線電機(jī)無速度減速 器 ，所以工作臺(tái)及其負(fù)載的質(zhì)量變化對(duì)伺服系統(tǒng)的性能有較大的影響。 圖 38 是阻尼分別為 0 N影響系統(tǒng)伺服動(dòng)剛度的參數(shù)主要有位置環(huán)增益系數(shù) KV ，速度環(huán)增益系數(shù) PK ，電流環(huán)比例放大系數(shù) PIK ，速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù) TN ，速度環(huán)濾波時(shí)間常數(shù) TGL ，直線電機(jī)的電樞電阻 RA 和電樞電感 LA 。 從 simulink 中的仿真曲線顯示可知，比例系數(shù) P 對(duì)直線進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性起著決定性作用，通過對(duì) P 系數(shù)的改變可使曲線發(fā)生很大的變化；積分系數(shù) I 主要是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜差，但是其對(duì)負(fù)載突變的抑制能力有限，為提高直線進(jìn)給系統(tǒng)的性能，應(yīng)同時(shí)提高比例和積分系數(shù)，直線進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和抗干擾能力也會(huì)隨之提高，但是 23 比例系數(shù)的進(jìn)一步增加會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn) 定，積分系數(shù)的增加也將增加系統(tǒng)的超調(diào)量，故比例系數(shù)和積分系數(shù)都限制在一定的范圍內(nèi) ]15[ 。 25 本章小結(jié) 本章主要對(duì) PID 的控制進(jìn)行了分析，分別指出 PID 的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)于信號(hào)偏差的控制效果 和加入白噪聲對(duì)控制特性的影響 ，介紹了 Matlab 的仿真與 GUI 用戶界面設(shè)計(jì)，方便了后面 PID 參數(shù)的整定與優(yōu)化，同時(shí)可以很直觀的觀察 PID 各個(gè)參數(shù)對(duì)于階躍響應(yīng)曲線的影響。 其中常見的經(jīng)驗(yàn)整定方法是 ZN 整定 法， 文獻(xiàn)【 17】指出 ZN 方法是 Ziegler 與Nichols(1942)提出了調(diào)節(jié) PID 控制器的參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式， 因?yàn)檫@一方法簡(jiǎn)單而方便，整定效果一般令人滿意，所以被工作人員廣泛使用， 這一調(diào)節(jié)器可根據(jù)帶有時(shí)滯環(huán)節(jié)的一階近似模型的階躍響應(yīng)或頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)來設(shè)定。 遺傳算法的基本原理與步驟 遺傳算法 是一種仿生優(yōu)化算法，它 所采用的步驟有 ：編碼、選擇、復(fù)制、交叉、變異和解碼。 B=B+Ji(i)。 總結(jié)與 展望 高速數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)要求不僅具有高速度、高的進(jìn)給加減速度，而且對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)提出了更高的要求，直線電機(jī)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一種新型的機(jī)床傳動(dòng)方式，它摒棄了傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過中間機(jī)械傳動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)變換來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的方法，實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”，從而消除傳統(tǒng)控制中存在的反向間隙、彈性變形及剛度不足等缺點(diǎn)采用直線電機(jī)直接實(shí)現(xiàn)了機(jī)床進(jìn)給的直線運(yùn)動(dòng)。所以對(duì)于遺傳算法，還需要進(jìn)一步研的數(shù)學(xué) 理論 研究。 %種群大小 CodeL=10。 34 for s=1:Size m=E(s,:)。 for i=1:CodeL y2=y2+m2(i)*2^(i1)。 % 最優(yōu)代價(jià)值 end [O,D]=sort(Bsji)。 fi_size=(O2/fi_sum)*Size。 if pctemp %交叉條件 for j=n:1:1 tempE(i,j)=E(i+1,j)。 end end end end tempE(Size,:)=Bests。)。)。849Gx^Gj qv^$UE9wEwZQcUE%amp。MuWFA5ux^Gj qv^$UE9wEwZQcUE% amp。 849Gx^Gj qv^$UE9wEwZQcUE%amp。 MuWFA5ux^Gj qv^$UE9wEwZQcUE%amp。 6a*CZ7H$dq8Kqqf HVZFedswSyXTyamp。849Gx^Gj qv^$UE9wEwZQcUE%amp。MuWFA5ux^Gjqv^$UE9wEwZQcUE% amp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm6X4NGpP$vSTTamp。 UE9aQGn8xp$Ramp。 gTXRm6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。rin,yout39。r39。 end BJ,Bestfi,KK figure(1),plot(time,Bestj)。 end end