直线电机精密定位平台轨迹跟踪控制器设计

为了实现直线电机精密定位平台的位置和速度的轨迹跟踪控制,本文基于内模控制（IMC）的基本原理,在直线电机精密定位平台参数辨识的基础上,设计了定位平台速度环的模型状态反馈（MSF）控制器和基于位置环PID和速度环MSF的级联控制器。将PID/MSF级联控制器与速度/加速度前馈控制（VFC/AFC）相结合,构成了PID/MSF+VFC/AFC的复合轨迹跟踪控制器。该复合轨迹跟踪控制器通过整定速度前馈的增益来改善位置环偏差控制的跟踪滞后现象和动态响应,增加控制系统的稳定性和伺服精度;通过整定加速度前馈的增益在不减小级联控制器位置环增益的前提下,减小速度前馈带来的超调量,提高轨迹跟踪精度。基于MATLAB/dSPACE实时仿真控制平台,实现了某直线电机平台的轨迹跟踪控制。仿真和实验结果表明,该轨迹跟踪控制器的轨迹跟踪精度为±0.028 mm,定位精度为±4 μm,满足直线电机精密定位平台轨迹跟踪控制的要求。     

光刻机超精密运动台数据驱动MIMO定结构前馈控制

超精密多输入多输出(Multiple-input multiple-output, MIMO)运动台是集成电路制造装备——光刻机的核心部件之一,其轨迹跟踪性能是保证光刻机产率和分辨率的关键。提出一种高效的数据驱动MIMO定结构前馈控制方法,有效补偿参考轨迹引入的伺服误差,降低各自由度间的耦合,从而提高光刻机超精密运动台对不同轨迹跟踪任务的适应性及跟踪性能。采用多项式对MIMO前馈控制器进行参数化,以保证前馈控制器的固有稳定性及其对变轨迹的鲁棒性。利用脉冲响应实验法无偏估计过程灵敏度函数矩阵的马尔可夫参数,进而建立高效的数据驱动参数优化算法,根据伺服系统的输入-输出数据迭代优化MIMO前馈控制器参数。所提方法无需对光刻机运动台建模,且每次迭代仅需一次轨迹跟踪实验。将所提方法应用于课题组自主研发的光刻机硅片台,2种参考轨迹的跟踪实验结果验证所提方法在有效提高轨迹跟踪性能的同时降低各自由度间的耦合。     

基于虚拟样机的挖掘机器人轨迹规划控制仿真和优化技术研究

阐述了用虚拟样机技术进行挖掘机器人轨迹规划控制的仿真和优化的必要性;提出了轨迹规划控制的实现方案,分析了关键技术及其解决方法,重点研究了用挖掘机器人虚拟样机进行控制系统参数优化和轨迹规划仿真实验的方法,并以动态响应特性的仿真为例,用物理样机的相应实验结果验证了虚拟样机轨迹规划控制仿真实验模型的正确性;借助在虚拟样机上的仿真实验,分析了液压系统流量分配对轨迹规划效果的影响,提出了轨迹规划的改进措施,用以提高轨迹规划的速度和轨迹跟踪的精度。     

基于差分进化遗传优化的移动机器人轨迹跟踪控制

为了提高轮式移动机器人的轨迹跟踪精度,提出了一种基于差分进化遗传优化的轮式移动机器人轨迹跟踪控制器。首先,针对四轮机器人建立了运动学模型;接着,以移动机器人的侧向距离和航向偏角作为控制变量,构建了机器人的轨迹跟踪PID控制器;最后,利用差分进化遗传算法实现了控制器参数的整定优化。轨迹跟踪测试结果表明,与其他控制器相比,基于差分进化遗传优化的控制器的控制精度得到了进一步提高,从而验证了控制器的有效性。     

轮式移动机器人路径跟踪的模糊自整定PID控制

本文建立了二自由度轮式移动机器人路径跟踪的动力学模型，并设计了自整定模糊PID控制器，利用模糊推理的方法，对PID控制器的参数进行自动整定。仿真实验用常规增量式PID控制和自整定模糊PID控制算法结合进行航向跟踪，结果表明该算法与常规PID算法相比，系统误差减少了20%左右，响应时间减小到原来的0.4,有效地改善了控制器的动态性能，同时表现出了较好的自适应能力，路径跟踪仿真结果表明，轮式移动机器人能够迅速向目标路径靠拢，并能平稳地践踏规划路径。     

一种基于粒子群算法的二自由度PID控制器优化设计

粒子群算法在解决复杂问题的优化设计上具有算法简单,计算速度快的优点,将粒子群算法引入到二自由度PID控制器的参数整定中,用于改进二自由度PID控制器参数整定的效率并进行了仿真实验,仿真结果表明,系统同时具有了最优的目标值跟踪特性和干扰抑制特性.     

直线电机精密工作台扰动观测器设计

针对直线电机驱动、气浮导轨支撑的精密工作台没有机械阻尼、抗扰动性能差的特点,为了在较短的位置伺服周期内(110μs)抑制工作台上的线缆扰动以及直线电机推力波动的影响,提高工作台的轨迹跟踪精度,采用了基于精密工作台名义模型的方法设计扰动观测器,构成PD+扰动观测器的运动控制结构。通过实验,与没有扰动观测器的PD控制相比较,工作台静态定位精度提高了0.3μm,以120 mm/s匀速运动时工作台的轨迹跟踪精度提高了2μm。结果表明,该控制方法计算量小,抑制外部扰动效果好,有利于工作台综合性能的提高。     

基于随机森林贝叶斯优化的机械臂运动参数优化研究

机械臂作为生产系统中的重要物流设备之一,在新产品投产前,需要对其未知的上下料轨迹及其运动参数进行寻优配置或整定,以找到适应于该产品的最优物流参数配置方案;但目前在机械臂的运动参数优化方面仍存在着优化时间成本较高、优化效果欠佳的问题。面向机械臂安装燃料电池极板工作场景,以机械臂的运动平稳性、绝对定位精度、物流效率的综合归一值为优化目标,采用基于随机森林概率代理模型的贝叶斯优化算法,以ABB IRB 1410机械臂为例,对其关键运动参数进行寻优。将其与高斯过程代理的贝叶斯算法在相同条件下所得实验结果进行了对比。实验表明,在机械臂运动参数优化问题上,随机森林贝叶斯算法相较于高斯贝叶斯算法,综合效果提升了15%。     

基于FANUC31i的精密卧式加工中心伺服系统优化技术

本文基于FANUC31i伺服驱动系统的伺服优化技术,研究了提高THM46100精密卧式加工中心的动态响应性能及加工精度的方法,通过对各进给轴的三环伺服PI参数的优化,实现机械传动系统和运动系统的最佳匹配,并通过调试整定反冲加速、静摩擦补偿和双轴驱动同步误差补偿参数等,减少因机械系统的缺陷而引起的轮廓误差。实验证明,经进行伺服优化调试后产品的精度及性能有了较大程度的提高。     

X-Y数控工作台伺服系统的整定与建模

为了保证机床进给系统的定位精度、静态和动态性能的稳定性,简化调试过程,以X-Y工作台作为平面定位机械系统的动态模型,通过对X-Y工作台伺服系统进行三环整定计算,利用MATALAB/Simulik软件进行建模,研究了虚拟样机仿真分析的方法,采用虚拟样机开发软件ADAMS完成参数化样机模型的构建,利用ADAM内含的系统函数创建运动约束,实现了对系统运动学仿真的分析.     

基于Galil控制器六自由度机械手的开发与应用

研究了基于Galil运动控制器的六自由度机械手控制系统软硬件方案。控制系统采用"PC+Galil"硬件构架平台,以PC机作为上位机,实现运动控制、轨迹规划及后台管理与运算等工作,以Galil作为下位机实现前台实时运动控制与检测。利用GalilTools软件在线整定了伺服系统的PID参数,优化系统的性能。利用微软的Visual Studio 2010软件开发了上位机人机操作界面,实现上位机与Galil运动控制卡之间的数据通信。实验结果展示控制系统具有良好的动态性能。     

PCB数控钻床工作台的结构分析与优化

随着印刷电路板(PCB)钻孔精度要求的提高,对由直线电机驱动的工作台提出了多孔结构设计的新思路。论文对比分析了原有工作台的结构(加强筋结构)和改进后的工作台蜂窝结构。结果表明,多孔蜂窝结构在静力学分析和模态分析都优于原结构。同时,在此基础之上,对蜂窝结构进行参数优化,参数优化后的机床工作台更加的轻量化和高比刚度。将蜂窝结构运用到机床工作台中,提高PCB数控钻床的加工精度和效率有很好的效果,具有重要的工程实际意义。     

基于优化ADRC的单臂机器人轨迹跟踪研究

针对机器人在不确定环境下受到内外界挠动的影响，末端执行器不能跟踪已规划的轨迹运行，以Kinova MICO2机器人为例，研究轨迹自抗挠跟踪模型。建立了机器人关节空间运动模型，根据挠动特点构造了二阶ADRC框架模型，解决了末端执行器偏离规划轨迹的问题。分析了机器人ADRC参数对轨迹跟踪的意义，为了确保系统跟踪的动态稳定性，建立GA-RBF网络优化了原始ADRC。最后分析轨迹跟踪前后的离散点绝对误差，验证机器人轨迹跟踪的可靠性。实验结果表明，GA-RBF优化的ADRC使得机器人实际轨迹能较好收敛于理想的规划轨迹，为工业应用中对轨迹要求较高的任务提供算法参考。     

用于曲面光栅刻蚀的工作台轨迹拟合及测试误差分析

制作高闪耀角一致性的曲面闪耀光栅需要工作台能够进行曲线拟合运动,因此针对曲面闪耀光栅离子束刻蚀机三维工作台的控制算法开展研究。首先,介绍了曲面闪耀光栅离子束刻蚀机三维工作台的原理方案。接着,根据曲面刻蚀机的实际使用要求,给出了工作台运动轨迹的理论计算方法。然后,提出了一种适用于工作台的圆弧拟合算法,实现了工作台所需的曲线拟合运动。最后,在多组工作参数下开展了三维工作台运动轨迹的测量实验,并将理想轨迹与实测轨迹进行了对比。实验结果表明:工作台进行15个周期的直线拟合运动的累积定位误差小于0.218mm,角度误差小于0.02°;进行40个周期的曲线拟合运动的累积定位误差小于0.2mm,转角误差在-0.2°~0.1°。此方法实现了三维运动工作台扫描刻蚀与摆动刻蚀的功能,工作台的稳定性、精度、抗干扰能力满足设备使用要求。     

面向激光跟踪仪跟踪恢复的伺服运动角度计算方法

为了解决激光跟踪仪跟踪恢复过程中快速精确的获取伺服运动角度问题,提出了一种面向激光跟踪仪跟踪恢复的伺服运动角度计算方法。首先阐述了基于主动红外探测的激光跟踪仪跟踪恢复原理与合作目标靶球视觉目标检测特点,并分析了跟踪恢复过程中光轴视轴非共轴不平行问题所导致的伺服运动角度非线性变化问题;其次,构建了目标距离、目标像素偏差值与伺服运动角度关系的计算模型,完成了基于整定数据的模型参数整定;最后,开展了验证实验并进行了精度分析。实验结果表明,计算模型得到的跟踪恢复角度与实际跟踪恢复角度差值不大于0.007 7°,最大偏移距离误差小于2 mm,满足激光跟踪仪跟踪恢复的应用要求。     

改进蜻蜓算法的快速反射镜自抗扰控制

为了提高天基激光武器光电跟瞄系统中快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)的跟踪精度和抗干扰能力,建立了基于改进自抗扰控制器(Improved Active Disturbance Rejection Control,IADRC)的FSM闭环控制系统,对系统中IADRC的参数整定方法进行研究。由于试凑法整定效率低,传统优化算法整定易陷入局部最优,本文将蜻蜓算法用于IADRC参数整定,并对蜻蜓算法的惯性因子、列队因子和聚集因子的调整方式进行了改进,且在蜻蜓算法前期引入末位淘汰策略,后期引入贪婪策略,以进一步增强算法的全局搜索和局部开发能力。最后,在考虑卫星平台振动的情况下用基于改进前后蜻蜓算法的IADRC、基于粒子群优化算法的IADRC、基于遗传算法的IADRC、基于试凑法的IADRC和PID控制器分别控制FSM。实验结果表明:在FSM跟踪高频正弦信号时,基于改进蜻蜓算法的IADRC控制的FSM,其跟踪误差的均方根值为7.596μrad,与其它5种控制器相比跟踪精度明显提升,基本满足激光武器领域中对FSM跟踪精度的要求。     

一种全闭环中走丝电火花线切割机床数控系统

研究了中走丝电火花线切割机床脉冲放电特性,提出了一种高速数字化采样和间隙跟踪方法,同时建立了智能型放电工艺数据库,提高了切割过程放电效率。为改进切割精度和表面粗糙度,工作台运动采用了一种闭环位置控制方案,基于双平面同步插补法实现了4轴协调运动控制,并采用C补偿原理解决了多次切割控制问题。基于嵌入式操作系统,设计并实现了可视化编程与控制集成软件。实际切割实验数据显示,采用这种数控系统后,中走丝线切割机床的可靠性和加工精度有了显著提高。     

基因芯片PCR温度模糊自整定PID控制算法的研究

在核酸扩增反应仪中,基因芯片核酸扩增反应过程要求实现温度高精度快速跟踪控制,常规温控方案和算法难以实现.将模糊推理系统与常规PID控制方式相结合,采用模糊自整定PID控制算法实现了温度快速跟踪控制.实验结果表明:模糊自整定PID控制算法比常规PID算法具有更强的鲁棒性,能够克服控制对象热惯性参数时变性的影响,降低了输出温度最大超调量,提高了稳态精度.     

一种新型6自由度运动平台的控制研究

针对一种新型6自由度运动平台的控制问题,提出基于改进型自抗扰控制器的高性能轨迹跟踪控制算法。采用基于运动学的控制方法对6自由度运动平台进行控制研究,利用参考加速度前馈量对常规自抗扰控制器进行改进,在Matlab/Simulink中进行仿真研究,分析经典比例积分微分控制器、常规自抗扰控制器和改进型自抗扰控制器对正弦轨迹的跟踪性能及其对系统参数变化和外部扰动的抑制能力,并构建基于dSPACE的运动控制试验系统。对比仿真和试验结果表明,改进型自抗扰控制器能有效提高轨迹跟踪精度,使新型6自由度运动平台较好地实现给定的目标运动。     

运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正方法

运动助力机械臂的轨迹跟踪控制是实现高精度工作的关键。由于运动助力机械臂参数存在的不确定性等因素，导致运动助力机械臂轨迹跟踪误差较高，为此，提出了运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正方法。分析运动助力机械臂空间位置和变换关系，根据运动助力机械臂关节与连杆之间的空间坐标矩阵变换过程，构建齐次坐标变换矩阵，获取机械臂末端执行器的空间位姿矩阵。通过定义机械臂轨迹的相关性特征集，得到机械臂轨迹跟踪误差的校正指标。基于置信概率计算，确定机械臂轨迹跟踪误差校正的约束范围，构建约束参量分析模型。采用遗传算法的原理，求解运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正参数，实现运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正。实验结果表明，所提方法的运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正效果较好，能够有效提高运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正精度。