两轴运动平台交叉耦合控制系统研究与分析.pdf

第 2 9卷第 9期 2 O O 8年 9月 ， 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e l v 0 1 ． 2 9 No ． 9 S 印 ． 2 008 两轴 运 动 平 台交 叉 耦合 控 制 系统 研 究 与分 析 蔡 家斌 贵州大学 机械工程学院，贵阳 5 5 0 0 0 3 摘要 针对两轴运动 系统的实际情况， 设计 了相应的交叉耦合控制 系统 ， 并对该交叉耦合控 制系统的效果进行 了分析和研 究。仿真实验表 明， 交叉耦合控制 系统在 两轴运动平台的控制 中取 得 了良好 的效果 ， 有效地减小了系统的轮廓误差。 关键词 两轴运动平台；交叉耦合控制；控制 系统分析 中图分类号T H1 3 2 文献标志码A文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 8 0 9 ． 0 0 5 0 ． 0 3 Re s e a r c h a n d An a l y s i s o n Cr o s s Co u p l i n g Co n t r o l S y s t e m o f Two ．a x i s M o t i o n Pl a t f o r m CAI J i ab i n f C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， G ni z h o u U n i v e r s i t y ， G ni y a n g 5 5 0 0 0 3 。 C h i n a } Ab s t r a c t A i ms a t t h e p r a c t i c a l s i t u a t i o n o f the t w oa x i s mo t i o n s y s t e m，a c r o s s c o u p l i n g c o n t r o l s y s t e m f o r the t woa x i s mo t i o n s y s t e m i s d e s i g n e d a n d the n a n a l y z e s i t s c on t r o l e ffe c ti v e n e s s ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l ts i n ． d i e a t e s the c r o s s c o u p l i n g c o n t r o l s y s t e m o f the two ． a x i s mo t i o n s y s t e m o b t a i n s b e t t e r p e r f o r ma n c e than C O H V ． ． e n ti o n a l con t r o l l e r ，and e ff ect i v e l y r e d u c e the s y s t e m con t o u r e I T O r ． Ke y wo r d s t woa x i s mo t i o n p l a tf o r m ；C roS S co u p l i n g con t r o l ；c o n t r o l s y s t e m an aly s i s 0引言 传统的多轴运动系统通常采用各轴单独控制 ， 使用 P I D控制器加前馈控制器来控制系统达到较高 的位置控制精度 。但此种控制方式需要利用参数判 别的方法来控制运动， 由于实 际中多轴运 动系统 的 运动参数较难准确测出，因此难于达到理想 的控制 身弯曲角度方向和大小有关 ， 以及二级叶片 叶顶处 的回流强度 比较大； 2 叶片分离器的加入 ， 使工业利用区的压力值 在相同流量下都出现下降， 下降的范围为 2 0 2 0 0 P a ， 同样也存在着负角度小叶片的下降幅度比正角 度小的情况 ； 3 分离器的分流效果跟分离器到动 叶前缘距 离 Z 值也有关 系， Z 值越小 ， 分 离稳 流效果越好 ， 但 这样就要求更高的加工精度； 4 叶片分离器的加入 ， 有效地控制小流量叶顶 产生 的回流 ， 从而改善两级电机的效率分配， 提高风 机的运行安全性 ， 在试验过程 中， 也能直观地感觉 到， 由于叶片分离器的加入 ， 对旋式轴流通风机在小 工况运行比较平稳， 但噪声有所增大。 参考文献 [ 1 ] 刘宝杰， 于宏军． 用三维 P I V技术研究压气机转子尖部的非定常 复杂流动 [ J ] ． 科学技术 与工程 ， 2 O O 3 ， 3 2 1 7 51 7 8 ． [ 2 ] 王军 ． 矿用对旋风机的设计 、 内流模拟及试验研究 [ D] ． 西 北工业 大学， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 袁莉 ， 柴光远 ． 对旋式轴流 通风 机新设计 方法的提 出[ J ] ． 煤 矿机 械 ， 2 O 0 3 ， 2 4 7 68 ． [ 4 ] 李嘉薇 ， 郭楚文 ． 叶片分离器 改善对旋式 轴流通风机 小流量特性 研究[ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 O 6 ， 2 7 9 4 3 4 4 ． [ 5 ] 孟德华 ． 轴流 风机 的最 佳设计 [ J ] ． 机 电工 程 技术 ，2 0 O 2 ， 7 3 1 6 061 ． [ 6 ] 张广勋 ． 高性能 对旋 轴流式 通 风机 的研 究 [ J ] ． 风机 技术 ，1 9 9 9 5 69 ． [ 7 ] 张惠忠 ． 防爆 对旋式轴流局部通 风机 的研 制 [ J ] ． 风机技术 ，1 9 9 9 6 1 0 1 4． [ 8 ] 苏成 山． B D K 6 1 8 ～8一N 0 ． 高效 节能矿 用防爆 对旋 式主通 风机研 制报告[ J ] ． 电气防爆， 2 o o 2 2 l 一 7 ． [ 9 ] 邢庆贵 ， 高风强 ． 对旋风 机的改 进设计 [ J ] ． 煤炭科 学技术 ， 1 9 9 8 ， 2 6 1 o 3 8 4 0 ． [ 1 O ] 王晓林 ． 对旋式通 风机两级 叶轮最佳 流动匹配条件 的探讨 [ J ] ． 矿业 安全与环保 ， 2 0 0 3 ， 3 o 5 2 82 9 ． [ 1 1 ] 梁锡智 ， 赵真 ． 轴流对旋 风机的设计 和实验研 究 [ J ] ． 煤 炭学报 ， 1 9 9 9 ， 2 4 1 9 49 7 ． [ 1 2 ] 刘拥军， 张元银 ． 对旋式通风机叶片安装角的变化对气动性能的 影响[ J ] ． 矿业 安全与环保 ， 2 O O O ， 2 7 5 4 7 4 8 ． [ 1 3 ] 王军， 宋文艳． 对旋风机两级功率特性的对比研究[ J ] ． 流体机 械，2 O O O ， 2 8 1 1 57 ． [ 1 4 ] 王军． 对旋式轴流风机的轮毂结构优化设计研究[ J ] ． 流体机械， 2 O O O ， 2 8 7 l 82 o ． 作者简介向阳 1 9 5 9 一 ， 湖北秭归人， 平顶山瑞平煤电有限公 司高级工程师， 长期从事矿山机电技术管理工作， 电子信箱 x i a n g y a n g q d c 1 6 3． c o i n． 一 5 0一 收稿 日期 ． 2 0 0 8 ． 0 5 ． 0 4 维普资讯 第2 9 卷第 9 期 两轴运动平鱼 塑合控 丕 堑二二鏊 效果 。特别是一旦系统是非线性 的时变系统 ， 则更 难有效地改善系统运 动的轮廓误差。因此 ， 提 出了 交叉耦合控制理论 ， 是通过将多轴运动系统作为一 个单一的运动系统 ， 利用各轴之间的相互影 响来进 行控制 以达到减小由于系统各轴联动造成的轮廓误 差的 目的。本文对两轴运动系统的交叉耦合控制系 统进行 了分析和研究 。 1 交叉耦合控制在两轴运动系统中的应用分析 分别 以两轴运动系统 中直线运动和圆弧运动来 对此种控制系统的轮廓误差进行介绍。 1 直线运动 图 1 中 P是系统的指令位置， 其坐标为 、 Y ， A为当前系统实际位置 ， 其坐标为 、 Y A ， 直线为理 想的运动轨迹轮廓 。 图 1 直线运动轮廓误差关系图 图 1 运动 中的轮廓误差 e E C O S 0一E s i n 0 为理想直线与 轴的夹角 ， 且此误差在 和Y方向 的分量 e s i n 0 E y C O S 0 s i n 0一E x s 0 1 e e C O S 0EC O S 2 0一E x C O S 0 s i n 0 2 式 1 和式 2 也可表示为 【 e x ] 一 一 三 n ㈥ 分析式 3 可知 当运动为单一 的线性直线运动 时 0为定值 ， 只需对 、 Y方 向进行 固定 的补偿 即 可 。但当系统运动轨迹中 0是不断变化 的时候 ， 就 可以利用 以上分析通过不断地 改变 0值来达到补 偿运动 中轮廓误差并得到较高控制精度的目的。 2 圆弧运动 图 2中 P是 系统 的指令位置 ， 其坐标为 却、 Y ， A为当前系统实际位置 ， 其坐标为 、 Y A ， 圆弧为理 想的运动轨迹轮廓。 图 2 圆弧运动轮廓误差关系图 分析图 2可知 ， 系统两轴作 圆弧运动时实际位 置与理想轮廓之间的轮廓误差 e ／ j y j R ／ R s i n 0 一 R c o s 0 一E 一R RN／ 1 - 2 - z s in 一 鲁 c o s 一 R 4 式 中R 理想 圆弧半径 。 由于式 4 在进行即时控制计算时， 计算量较大 因此将其通过二项式定理展开并化简后忽 略掉 R 以上的高次项后可得最终的计算式 e c o s 0 2 R E y 一 s i n 0一 5 分析式 5 可知系统在进行圆弧运动时 ， 随着指 令位置的不断变化 ， 的值也在不断地变化 ， 此时可 以通过交叉耦合理论计算出即时位置的轮廓误差并 进行补偿。 实际应用 当中根据数控加工 的特点和插 补理 论 ， 每段圆弧其实都 可以看作 由不同斜率 的直线插 补而成 ， 因此可利用直线运动分析中的结论来进行 圆弧加工的控制 ， 这样也就简化了控制 中的计算过 程。同时也可推广到其他 的由多个不同斜率直线组 成 的曲线运动控制中。 2 两轴运动系统的架构及控制方案 在实践中为得到更 高的控制精度和速度 ， 往往 将交叉耦合控制和其他控制方法结合起来。例如 ， 在系统 中综合利用交叉耦合控制、 前馈控制、 P I D控 制等组成控制系统来实现高精度和高速度 的控制。 整个 系统 的硬件架构可采用工控机加 D S P运动控 制芯片来完成控制 ， 此种系统 由于其 良好的开放性 可以对各种控制方案针对需要进行组合。其系统硬 件架构如图 3 所示。 国 图 3 系统硬件架构图 在系统控制中可 以利用不同控制方案的组合来 实现运动 的控制 ， 本例 中可采用 P I D控制器 前馈 控制器 交叉耦合控制器的控制方案进行控制。其 控制系统如图 4所示。 3 控制系统控制效果分析 ’ 在开放性很 强的 D S P控制系统 中可 以比较容 易地对控制的效果进行 比较和分析， 图 5是对某开 放式架构的两轴运动系统的 2种不同控制方案中一 一 51 一 一 一 一 一 维普资讯 第 2 9卷第 9期 2 0 O 8年 9 月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e J 、 r0 1 ． 2 9 N o． 9 S 印 ． 2 00 8 基于虚拟仪器的高速铣刀现场动平衡测试系统研究* 李鹏南 。 。郭迎福。 。张永忠 1 ． 中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ；2 ． 湖南科技大学 机电工程学院，湖南 湘潭 4 1 1 2 0 1 摘要成功构建 了一个基 于虚拟仪器技术的高速铣 刀现场动平衡测试 系统。说明 了高速铣 刀现场动平衡测试原理和 系统组成， 阐述 了基于 I ．a b V I E W 技术的模 块化软件 系统的层次安排和功 能特点。通过系统测试实验表明， 该系统具有检测方便、 运行可靠、 界面友好的特点， 能够满足高速 铣刀动平衡测试的要求。 关键词 虚拟仪器；高速铣 刀；动平衡 ；测试 系统 中图分类号T HI 1 3 ． 2 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 8 0 9 0 0 5 2 0 3 S t u d y o f F i e l d D y n a mi c B a l a n c e T e s t i n g S y s t e m B a s e d o n Vi r t u a l I n s t r u m e n t f o r Hi g h s p e e d M i l l i n g To o l L I P e n g n a i l 1 。G U OY i I I g f I ，Z H A N GY o n g z l l 0 n g J 1 ． C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l ect r o n i c E n g i n e e r i n g ， C h i n a U ni v e r s i t y of M i ni n g and T ech n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 - C h i n a ； 2 ． Col l e g e of M ech a n i c a l and Elect r o ni c E n g i n e e r i n g 。 H u n a n U ni v e rs i t y of S c i e n c e and T ech n o l o g y - X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 -C h i n a Ai t s t r a e t Th e fie l d d y n a mi c b a l a n c e t e s t i n g s y s t e m b a s e d o n v i r t u al i n s mma e n t f o r h i g h s p e e d mi l l i n g t o o l懈 b u i l t s u c c e s s f u l l y． Th e fie l d d y n a mi c b alan c e t e s t i n g p rin c i p l e an d c o mp o s i t i o n o f t h e s y s t e m i s d i s c u s s e d b r i e f - l y．the n the s t r u c t u r e an d f u n c t i o n c h a r a c t e ris t i c o f mo d u l a r s o f t wa r e s y s t e m b a s e d o n L a b V正IW i s d e s c r i b e d． T est i n g e x p e rime n t p r o v e s t h a t the s y s t e m f e a t u r e s c o n v e n i e n t t e s t i n g，r e l i a bl e o p e r a t i o n an d f rie n d l y i n t e rf a c e． S o the p r o po s ed s y s t e m i s ab l e t o s a t i s f y the t e s t r e q ui reme n t s o f the h i g hs p e d mi mn g t oo l d y n a mi c b a l anc e． Ke y wo r d s v i r t u al i ns t r u me n t ；I l i g h s pe e d mi l l i n g t oo l ；d y n a mi c b alan c e；t e s t i n g s y s t e m 0引言 *湖南省自然科学基金资助 晒J J 3 0 o 8 0 ； 湖南省火炬计划项 目 200 7 G K 3 1 2 6 。 虚拟仪器测试技术为开发现场动平衡仪器提供 了有力的工具。虚拟仪器是计算机技术与仪器技术 深层次结合产生 的全新概念 的仪器 ， 是计算机资源 和仪器硬件与用于数据分析 、过程通讯及图形用户 图 4 控制系统方块图 个菱形运动轨迹控制效果的比较 虚线为理想轮廓 ， 实线为实际运动轮廓 ， 图 5 a 为普通前馈 控制加 反馈控制方案 中运动控制效果 ， 图 5 b 是在前面控 制方案中加入交叉耦合控制系统后的控制效果 。可 看出加入交叉耦合控制后运动中的轮廓误差得到了 很好 的改善 ， 在运动开始后通过加入交叉耦合控制 很快地降低了运动的轮廓误差。 0 2 o 。 。4 o 。 。0 0 0 0 8o 。 。l 0o 。 。1 2 o 。 。 o。伽4伽6 8伽1 o伽船 伽 a b 图 5 运动控制效果 比较 参考文献 [ 1 ] 曹洋， 徐心和． 一种基于交叉耦合的速度控制器[ J ] ． 东北大学学 报 自然科学版 ， 2 0 0 B 5 ． [ 2 ] K o r e nY，L o C c ； V a r i a b l e g a i n C 1“O 8 c o u p in g c o n t r o ll e r f o r c 0 n l 叫r i n g 『 M] ． A r m a l s o f t h e C I R P ；1 9 9 1 ． 作者简介 蔡 家斌 1 9 7 4 一 ， 贵州贵 阳人 ， 1 9 9 7年毕 业于湖南大 学， 研究方向 机电一体化系统、 现代制造技术 ， 电子信箱 c j b 2 3 4 t o m ． c0 r n． 一 5 2一 收稿日期 2 0 0 8 ． 0 4 ． 1 1 维普资讯