基于二维气浮运动平台的PID控制研究及改进

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气浮工作台是集气浮静压支承、驱动和控制等技术于一体的运动平台,被广泛应用于精密超精密的加工和测量装备中。但在二维气浮平台中,使用传统PID控制对气浮平台的控制效果较差而且直线电机的控制系统是一个特别复杂的系统,在受到外界条件变化等扰动因素后波动较大。为了提高气浮工作台运动承载性能和运动精度,本文以气浮工作台的驱动电机作为研究对象,采用了模糊控制和传统PID控制相结合的方法来控制直线电机,旨在提高平台稳定性与降低跟踪误差。论文的研究工作如下:(1)本文依据二维气浮运动平台的总体框架建立了气浮工作台的三维模型,以二维气浮运动平台的驱动电机的控制理论为依据,对气浮平台的的结构和直线电机(PMLSM)的原理进行了详细介绍。引进了坐标变换的思想,并在旋转坐标d-q轴下建立了PMLSM的数学模型;概述了空间矢量控制方法原理(SVPWM)和建立了其仿真模型。(2)基于模糊控制的基本理论,采用Simulink建立了传统PID方式控制和模糊PID控制两种控制算法的仿真模型,制定了模糊规则且依据模糊控制器设计方法完成了模糊PID控制器的设计并对其进行仿真实验。仿真结果表明二维气浮运动平台采用模糊PID控制器,可以使系统的适应性有所提高,同时系统的动态性能和抗干扰能力也有了很大提升。(3)通过采用仿真软件对控制软件进行设计,实现了对运动控制卡进行了二次开发并设计了上位机,最后搭建了模糊PID控制驱动系统。基于气浮运动平台设计了单轴运动与两轴联动的运动实验方案,单轴运动实验取X轴作为实验轴,对不同负载下PID控制与模糊PID的控制效果进行了分析;并在此基础上设计了两轴联动实验,利用三种运行轨迹实现对控制系统稳定性的验证分析。基于模糊PID控制算法的研究,通过仿真分析与实验的方法研究了二维气浮运动平台的稳定性并进行了单轴运动与两轴联动的测试实验,验证了所设计的控制系统具有良好的自适应能力和出色的动态响应性能最终增强了气浮工作台的稳定性。通过对气浮工作台的稳定性和动态性能的研究进一步完善了二维气浮运动平台的理论体系,对我国的工业制造与控制技术领域奠定了重要的理论与技术基础。
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