實(shí)驗(yàn)1-超精密車床振動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁
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現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上機(jī)實(shí)驗(yàn)之一亞微米超精密車床振動(dòng)控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間法設(shè)計(jì)1工程背景介紹超精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超精密加工的關(guān)鍵設(shè)備,而環(huán)境振動(dòng)又是影響超精密加工精度的重要因素。為了充分隔離基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)超精密機(jī)床的影響,目前國(guó)內(nèi)外均采用空氣彈簧作為隔振元件,并取得了一定的效果,但是這屬于被動(dòng)隔振,這類隔振系統(tǒng)的固有頻率一般在2Hz左右。2這種被動(dòng)隔振方法難以滿足超精密加工對(duì)隔振系統(tǒng)的要求。為了解決這個(gè)問題,有必要研究被動(dòng)隔振和主動(dòng)隔振控制相結(jié)合的混合控制技術(shù)。其中,主動(dòng)隔振控制系統(tǒng)采用狀態(tài)空間法設(shè)計(jì),這就是本次上機(jī)實(shí)驗(yàn)的工程背景。3實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本次上機(jī)實(shí)驗(yàn),使同學(xué)們熟練掌握:控制系統(tǒng)機(jī)理建模時(shí)域性能指標(biāo)與極點(diǎn)配置的關(guān)系狀態(tài)反饋控制律設(shè)計(jì)MATLAB語言的應(yīng)用4個(gè)知識(shí)點(diǎn)。4工程背景的物理描述床身空氣彈簧作動(dòng)器作動(dòng)器工件地基5控制器地基床身傳感器傳感器機(jī)床質(zhì)量空氣彈簧粘性阻尼系數(shù)空氣彈簧剛度系數(shù)主動(dòng)隔振系統(tǒng)作動(dòng)器(不表示參數(shù))機(jī)床位移地基位移6上圖表示了亞微米超精密車床隔振控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理,其中被動(dòng)隔振元件為空氣彈簧,主動(dòng)隔振元件為采用狀態(tài)反饋控制策略的電磁作動(dòng)器。上圖表示一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng),一般彈性支承的低通濾波特性,其主要作用是隔離較高頻率的基礎(chǔ)振動(dòng),并支承機(jī)床系統(tǒng);空氣彈簧具有具有高通濾波特性,其主要作用是有效地隔離較低頻率的基礎(chǔ)振動(dòng)。主、被動(dòng)隔振系統(tǒng)相結(jié)合可有效地隔離整個(gè)頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)。主動(dòng)隔振系統(tǒng)7床身質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方程為:空氣彈簧所產(chǎn)生的被動(dòng)控制力

作動(dòng)器所產(chǎn)生的主動(dòng)控制力假設(shè)空氣彈簧內(nèi)為絕熱過程,則被動(dòng)控制力可以表示為:8參考?jí)毫ο驴諝鈴椈傻目偯娣e標(biāo)準(zhǔn)壓力下的空氣彈簧體積相對(duì)位移(被控制量)空氣彈簧的參考?jí)毫⒖級(jí)毫ο聠我粡椈傻拿娣e絕熱系數(shù)9電磁作動(dòng)器的主動(dòng)控制力與電樞電流、磁場(chǎng)的磁通量密度及永久磁鐵和電磁鐵之間的間隙面積有關(guān),這一關(guān)系具有強(qiáng)非線性。由于系統(tǒng)工作在微振動(dòng)狀況,且在低于作動(dòng)器截止頻率的低頻范圍內(nèi),因此主動(dòng)控制力可近似線性化地表示為:力-電流轉(zhuǎn)換系數(shù)電樞電流10其中,電樞電流滿足微分方程:控制回路電樞電感系數(shù)控制回路電樞電阻控制回路反電動(dòng)勢(shì)控制電壓11某一車床的已知參數(shù)12閉環(huán)系統(tǒng)的性能指標(biāo)閉環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的:超調(diào)量不大于5%;過渡過程時(shí)間不大于0.5秒()。13實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建立車床振動(dòng)系統(tǒng)的開環(huán)狀態(tài)空間模型;根據(jù)時(shí)域設(shè)計(jì)指標(biāo)求出閉環(huán)極點(diǎn)的希望位置;求出狀態(tài)反饋控制律的數(shù)學(xué)表達(dá)式;編寫MATLAB程序,對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行單位階躍響應(yīng)的數(shù)字仿真,并檢驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo);撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。14實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求(1)封面格式如下(A4紙單面打印、左側(cè)裝訂)15(2)報(bào)告正文內(nèi)容1.系統(tǒng)的工程背景及物理描述;2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.性能指標(biāo);4.實(shí)際給定參數(shù);5.開環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過程;166.狀態(tài)反饋控制律的設(shè)計(jì)過程,包括指標(biāo)轉(zhuǎn)換和極點(diǎn)配置等內(nèi)容;7.閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)字仿真的MATLAB編程

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