為了消除精工加工中心移動(dòng)橫梁與導(dǎo)軌之間的摩擦對(duì)加工精度的影響。本文利用 電磁懸浮技術(shù)將橫梁完全懸浮起來(lái)，從而徹底消除摩擦，有效地提高了加工精度。由 于加工中心移動(dòng)橫梁是由雙電磁懸浮系統(tǒng)共同懸浮，兩個(gè)懸浮系統(tǒng)由機(jī)械橫梁聯(lián)系在 一起，因此它們之間存在著耦合關(guān)系。分析雙電磁懸浮系統(tǒng)的受力情況得出它們的耦 合關(guān)系是本文重要內(nèi)容之一。耦合的存在并不一定都是不利的?？梢岳脵C(jī)械橫梁的 協(xié)同強(qiáng)迫性增加兩個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)的同步性能，從而提高移動(dòng)橫梁水平方向懸浮的穩(wěn) 定性和零件的加工精度。耦合的不利方面體現(xiàn)在：由于兩個(gè)懸浮系統(tǒng)不可能完全相同， 因此在橫梁?jiǎn)?dòng)懸浮或穩(wěn)定運(yùn)行后其中一個(gè)懸浮系統(tǒng)受到干擾時(shí)，耦合的存在會(huì)使兩 個(gè)懸浮系統(tǒng)同時(shí)受到干擾。從解耦的角度出發(fā)設(shè)計(jì)解耦控制器將兩個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)解 耦成兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。本文還對(duì)解耦后的單電磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行了控制器的設(shè)計(jì)。針對(duì) 精工加工中心龍門(mén)磁懸浮系統(tǒng)的耦合情況的分析和單電磁懸浮系統(tǒng)的控制算法的研 究本文從以下六個(gè)方面對(duì)精工加工中心進(jìn)行介紹和說(shuō)明。
由式(2.13)可以搭建出電磁懸浮系統(tǒng)MATLAB仿真框圖，并對(duì)懸浮系統(tǒng)在沒(méi)有 任何控制器開(kāi)環(huán)情況下施加0.002m的位置階躍信號(hào)驗(yàn)證其穩(wěn)定性，仿真框圖、仿真 結(jié)果圖如圖2.3、2.4所示。 由圖2.4可以看出電磁懸浮系統(tǒng)在不加任何控制器開(kāi)環(huán)的情況下系統(tǒng)是發(fā)散的、 不穩(wěn)定的。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化后穩(wěn)定性分析，具體參數(shù)取值如下：磁極面積」= 125cm2,單 邊氣隙￡^=2111111，氣隙磁阻i? = 0.65D，線圈阻數(shù)iV = 340，橫梁一半質(zhì)量w = 284kg，真空磁導(dǎo)率^=4;ixl(r7H/m,平衡點(diǎn)電流& =7A,代入公式中進(jìn)行計(jì)算得磁懸浮
由于電磁懸浮技術(shù)具備無(wú)接觸這一優(yōu)點(diǎn)，因此消除了物體與物體之間不利摩擦的 影響，可以延長(zhǎng)機(jī)械部件的使用周期，改善運(yùn)行狀況。因此它在工業(yè)加工、機(jī)械生產(chǎn) 和交通運(yùn)輸?shù)确矫嬗兄鴱V闊的應(yīng)用。
隨著科學(xué)技術(shù)理論的不斷發(fā)展，各種控制算法相繼被人們研發(fā)出來(lái)，這為電磁懸 浮系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)提供了大量參考依據(jù)。從傳統(tǒng)的線性控制算法到先進(jìn)智能的非線 性控制算法控制理論得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。由于電磁懸浮系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，因 此線性的控制算法只能在懸浮系統(tǒng)進(jìn)行了線性化處理后才能使用。利用泰勒級(jí)數(shù)在平 衡點(diǎn)附近對(duì)非線性函數(shù)進(jìn)行展開(kāi)和反饋線性化是當(dāng)今比較成熟的線性化方法。由于線 性化處理后的非線性系統(tǒng)降低了控制難度，因此也降低了控制器設(shè)計(jì)的難度。原系統(tǒng) 的高階響應(yīng)在線性化后被忽略了。工程實(shí)踐中如果采用線性的控制算法會(huì)出現(xiàn)一定的 偏差從而不能滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。非線性控制算法則不需要精確地知道被控系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型，不需要忽略系統(tǒng)非線性高階響應(yīng)項(xiàng)。由于非線性控制可以真實(shí)的反應(yīng)系統(tǒng) 的輸出效果，所以具有很好的工程實(shí)踐意義，得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)如今非線性 控制多指先進(jìn)智能控制如模糊控制、無(wú)源控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自抗擾控制、自適應(yīng)控制、 滑模變結(jié)構(gòu)控制和魯棒控制等。
同步控制技術(shù)是將電氣傳動(dòng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、信號(hào)技術(shù)、控制工程技術(shù)和機(jī) 械技術(shù)融為一體的綜合性非常強(qiáng)的一種技術(shù)。同步控制技術(shù)的發(fā)展與其它有關(guān)技術(shù)的 發(fā)展緊緊關(guān)聯(lián)在一起的。同步控制是指實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)行裝置運(yùn)行時(shí)步伐一致，廣義上講 是指系統(tǒng)中某一物理量協(xié)調(diào)一致。通常同步偏差和同步速度要求較高的系統(tǒng)要考慮單 回路之間的互相聯(lián)系以使他們保持一致，而不只是提高單個(gè)回路控制精度的問(wèn)題[25]。 在多回路系統(tǒng)中通常會(huì)存在著強(qiáng)烈耦合和許多不確定性因素，這就需要研究新的提高 同步精度的理論算法和實(shí)現(xiàn)這一理論的方法。
在龍門(mén)精工加工系統(tǒng)中無(wú)論是針對(duì)單電磁懸浮系統(tǒng)的控制還是多電磁懸浮系統(tǒng) 的控制，其控制目標(biāo)就是為了減小電磁懸浮氣隙的輸出與給定之間的偏差，即電磁懸 浮系統(tǒng)的實(shí)際輸出的氣隙與設(shè)定的氣隙之間的偏差。懸浮氣隙的偏差是導(dǎo)致部件精度 下降的重要原因之一。由多電磁懸浮系統(tǒng)加工出來(lái)的部件其精度的高低是由多電磁懸 浮系統(tǒng)協(xié)調(diào)決定的。如果只是相對(duì)獨(dú)立的對(duì)各個(gè)單電磁懸浮系統(tǒng)的誤差進(jìn)行控制而不 考慮其它電磁懸浮氣隙的情況以及整體的運(yùn)行情況，那么加工出的部件就會(huì)存在很大 的誤差，尤其是在高速的情況下運(yùn)行，當(dāng)不同的電磁懸浮系統(tǒng)參數(shù)不一致時(shí)會(huì)因此導(dǎo) 致兩個(gè)系統(tǒng)不同步，使得加工出來(lái)的部件發(fā)生了形變。
基于無(wú)源控制理論本章介紹了單磁懸浮系統(tǒng)無(wú)源控制器的設(shè)計(jì)。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(guò)選取適當(dāng)?shù)幕ヂ?lián)陣和耗散陣來(lái)重新建立電磁懸浮系統(tǒng)的哈密爾頓方程。通過(guò)三個(gè)哈密爾頓函數(shù)約束條 件來(lái)求解偏微分方程，從而推出單電磁懸浮系統(tǒng)無(wú)源控制器的表達(dá)式。無(wú)源控制器設(shè) 計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明無(wú)源控制器加快了單電磁懸浮系統(tǒng)較強(qiáng)的響應(yīng)速度, 提高了其魯棒性，最終提高了懸浮精度。
由于時(shí)間的原因龍門(mén)精工加工中心雙電磁懸浮系統(tǒng)的耦合分析還有許多問(wèn)題有 待解決。本文只對(duì)移動(dòng)橫梁垂直方向的耦合情況進(jìn)行了分析，而沒(méi)有同時(shí)對(duì)水平方向 由于直線電機(jī)導(dǎo)向單元不同步造成的耦合情況進(jìn)行分析。今后可以在建立雙電磁懸浮 系統(tǒng)全新耦合模型、解耦算法設(shè)計(jì)以及解耦后獨(dú)立系統(tǒng)設(shè)計(jì)更先進(jìn)的控制器來(lái)改善懸 浮系統(tǒng)的魯棒性等方面進(jìn)行更深入的研究。
由于不相等，因此式(3.8)中與電磁力/相乘的矩陣非對(duì)角線元素不為零，即每一個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)的加速度表達(dá)式中都會(huì)含有與另外一個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)電磁力 相關(guān)的項(xiàng)，因此雙電磁懸浮系統(tǒng)存在一定的耦合關(guān)系。
精工龍門(mén)加工中心懸浮的機(jī)械橫梁是由雙電磁懸浮系統(tǒng)共同控制，因此本章對(duì)兩 個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)的耦合狀況進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)兩個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)的受力分析并利用 牛頓第二定律推導(dǎo)出兩個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)的耦合定量關(guān)系。耦合的存在并不都是不利 的，由于兩個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)由機(jī)械橫梁連接在一起，所以可以使兩個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)具 有強(qiáng)迫的協(xié)調(diào)同步性能，利用機(jī)械耦合可以提高兩個(gè)電磁懸浮系統(tǒng)的同步性能提高加 工精度。在耦合存在的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了氣隙、速度雙重交叉耦合同步控制來(lái)降低兩個(gè)懸 浮系統(tǒng)的同步誤差。仿真結(jié)果表明氣隙、速度交叉耦合同步控制可以很好地減小兩個(gè) 懸浮系統(tǒng)懸浮氣隙的同步偏差。
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