双轴联动系统广义预测交叉耦合位置控制

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1、双轴联动系统广义预测交叉耦合位置控制GeneralizedPredictiveCross-couplingPositionControlofBiaxialMotionSystem学科专业：电气工程作者姓名：刘旭指导教师：陈炜副教授天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的

2、说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要双轴联动系统被广泛应用于数控机床精密加工、机械臂循迹运行、雷达定位等各个位置跟踪、定位控制领域中。现代装备制造业的迅速发展对系统的位置控制精度以及控制性

3、能提出了更高的要求。而实际工作过程中，跟踪轨迹转折、双轴负载不平衡、摩擦力等因素会导致较大的轮廓误差，影响位置跟踪效果，从而导致产品加工次品率增加、机械臂偏离轨迹、定位准确度下降等一系列问题，严重的情况下甚至会导致设备的损坏。因此研究双轴联动系统的位置跟踪控制策略对工业技术以及经济发展有重要的意义。在双轴位置控制系统中，当任一单轴受到扰动或遇到转折点时该轴的输出位置会出现较大跟踪误差，从而导致双轴位置偏离给定轨迹而产生较大轮廓误差。为提高位置跟踪精度，一方面需要提高单轴跟踪能力，即提高单轴动态性能，从而减小单轴跟踪误差，继而减小轮廓误差；另一方面需要加强两轴间的

4、协调能力，通过双轴相互配合加快轮廓误差收敛速度，减小轮廓误差。传统PID交叉耦合位置控制系统中的每一轴均采用位置—速度—电流三闭环级联控制结构，交叉耦合控制器将轮廓误差反馈到各轴的输入端进行位置补偿。该级联控制结构响应速度慢，当轨迹转折或遭受扰动时，存在误差较大，收敛缓慢的问题。本文提出了广义预测交叉耦合鲁棒控制，采用GPC算法对传统方法的位置环与速度环整体建模，提高单轴的响应速度，同时利用交叉耦合将轮廓误差进行反馈，使得GPC的给定轨迹能够实现自修正，通过广义预测算法的在线预测和优化计算得到修正后的控制量，提高双轴的协调能力。同时当系统中存在负载扰动时，通过负

5、载转矩观测器对系统负载进行观测与补偿，来提高系统的鲁棒性能。在搭建的双轴联动系统实验平台上进行了传统PID交叉耦合控制、GPC控制、GPCCC控制与加入负载观测器之后的实验。最后，实验效果证明了所提出的控制策略在保证了轨迹跟踪精度的同时，提高了转折处和负载扰动处的动态响应速度，减小了轮廓误差。关键词：双轴联动，广义预测交叉耦合控制，轨迹跟踪，负载观测器IABSTRACTBiaxiallinkagesystemiswidelyusedinprecisionmachiningCNCmachinetools,mechanicalarmtrackingoperation

6、,radartracking,positioningandothervariouspositioningcontrolfield.Therapiddevelopmentofmodernequipmentmanufacturingindustryputsforwardhigherrequirementsforthepositioncontrolprecisionandcontrolperformanceofthesystem.Butintheactualworkprocess,trackturning,biaxialloadimbalance,frictionan

7、dotherfactorswillleadtothecontourerror,positiontrackingeffect,whichleadstoaseriesofproblems,increasetherateofdefectiveproductsprocessingmachinery,armtrackpositioningaccuracydecline,severecasesmayevencausedamagetotheequipment.Therefore,theresearchofpositiontrackingcontrolstrategyofdua

8、laxislinkage