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1、河北工业大学城市学院毕 业 论 文作 者： 学 号： 105236 系： 机械工程 专 业： 测控技术与仪器 题 目： 基于MATLAB的直线电机 进给系统控制特性仿真研究 指导者： 评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 年 月 日毕业设计（论文）中文摘要题 目基于MATLAB的直线电机进给系统控制特性仿真研究摘要：高速数控车床进给系统要求不仅具有高速度、高的进给加减速度，而且对数控伺服系统提出了更高的要求，须具有高响应特性、高精度和高稳定性，采用直线电动机直接驱动的方式可以最大限度地降低进给驱动系统的惯量、移动部件的质量和提高电机的进给驱动力，实现工作台的直线进给，而不需要中间传动转换装置
2、，能满足高速数控车床快速进给的要求，提高动态响应、定位精度和较好的稳定性。本课题在对高速直线电机进给系统控制原理分析的基础上，对直线电机进给系统传递函数及其伺服动刚度的影响因素进行研究，利用MATLAB对直线电机进给系统的控制特性进行仿真分析，找出PID参数对闭环控制系统的频域与时域之间的关系；以及当PID控制系统中加入白噪声，分别改变PID3个参数的大小，分析各参数对控制系统的控制效果的影响；最后通过遗传算法优化伺服电机控制参数。关键词： 传递函数 伺服动刚度 PID控制 遗传算法毕业设计（论文）外文摘要Title The control characteristic of linear m
3、otor feed system based on MATLAB simulation research AbstractHigh-speed CNC lathes feed system requires not only has high speed and high feed add and subtract, and puts forward higher requirements on nc servo system, must have a high response, high precision and high stability, and with the method o
4、f linear motor direct drive can minimize feed drive system of inertia, moving parts and improve the quality of the feed motor drive, realize the workbench linear feed, without the need for intermediate transmission conversion device, can meet the requirements of high speed CNC lathe rapid feed, impr
5、ove the dynamic response, positioning accuracy and good stability. This topic in high speed linear motor feed system based on the analysis of the control principle, transfer function and its servo feed system of linear motor through the research of the influence factors of dynamic stiffness using MA
6、TLAB control characteristics of linear motor feed system simulation analysis, find out the PID parameters of the closed loop control system of the relationship between frequency domain and time domain. And white noise is added to a PID control system, change the size of the PID3 a parameter respecti
7、vely, analysis of the effect of various parameters on the control of the control system and based on the genetic algorithm to optimize the servo motor control parameters.Keywords： The transfer function The servo dynamic stiffness PID control Genetic algorithm to optimize目 录1 绪论11.1 课题研究背景与意义41.2 数控伺
8、服进给系统的研究现状41.3 数控伺服系统的分类与驱动方式 51.4 直线电机驱动的数控伺服系统研究现状及发展趋势61.5 本文主要研究内容和章节安排72 高速数控车床直线电机进给系统数学模型的建立72.1 交流永磁同步直线电动机结构及工作原理72.2 交流永磁同步直线电动机位置控制结构框图82.3 高速数控车床直线电机进给系统数学模型的建立92.4 机械执行机构数学模型的建立112.5 本章小结133 高速数控车床直线电机进给系统控制特性分析133.1 影响伺服动刚度的因素分析 133.2 伺服系统控制参数对伺服动刚度的影响 15 3.2.1位置环增益对进给系统伺服动刚度的影响 15 3.2
9、.2速度环比例放大系数对伺服动刚度的影响 16 3.2.3速度环积分时间常数对伺服动刚度的影响 173.2.4速度环滤波时间常数对伺服动刚度的影响 18 3.2.5电流环比例放大系数对伺服动刚度的影响 193.3伺服系统执行机构参数对伺服动刚度的影响19 3.3.1工作台及负载质量对伺服系统动刚度的影响 193.3.2导轨粘滞阻尼对伺服动刚度的影响203.4 本章小结 214 直线电机进给系统控制特性的仿真214.1 PID控制特性仿真分析224.2 白噪声的加入对于控制特性的影响234.3 PID控制的GUI界面234.4 本章小结 255 采用遗传算法对PID参数优化255.1 PID参数
10、优化方法简介与Z-N整定 255.2 遗传算法的简介与应用275.3 遗传算法的基本原理与步骤285.5 程序编写与仿真结果分析295.6 本章小结31总结与展望31参考文献31致谢 33附录 331 绪论 数控技术是工业制造生产的重要关键技术之一【1】。数控系统越来越广泛应用于工业设备中，为了提高动态响应、定位精度和较好的稳定性，一般高速数控车床进给系统应用直线电动机直接驱动的方式来实现工作台的直线进给，而不需要中间传动转换装置，与传统的伺服进给系统相比直线电机进给系统具有具有刚度大、精度高、速度快、加减速度大等一系列优点，它的应用是工业生产上的一次飞跃。11 课题研究背景与意义高速数控车床
11、具有诸多优点，同时采用直线电机伺服进给系统可实现“零传动”，大大提高了传动的精度，能满足高速数控车床快速进给的要求，提高动态响应、定位精度和较好的稳定性。本课题在对高速直线电机进给系统控制原理分析的基础上，对直线电机进给系统传递函数及其伺服动刚度的影响因素进行研究，利用MATLAB对直线电机进给系统的控制特性进行仿真分析，找出PID参数对闭环控制系统的频域与时域之间的关系；以及当PID控制系统中加入白噪声，分别改变PID3个参数的大小，分析各参数对控制系统的控制效果的影响；并且对比了直线电机伺服传动系统和传统的进给伺服系统，分析了PID控制参数对偏差的影响，并通过遗传算法对参数进行了优化，对工
12、业控制具有重要的影响。12 数控伺服进给系统的研究现状 一般指用数字化的信息对机械运动和过程进行控制的技术称为是数控技术【2】。通常指采用了数字控制的机床称为数控机床，其中数控机床进给系统是数控机床的重要组成部分，它是用于实现对数控机床进给位置的控制和主轴转速的控制，对于加工的精度其起着重要的作用。总而言之，数控进给伺服系统是数控机床的核心部位，直接影响着机床的加工性能，它能准确的定位与跟踪从而将信号反馈到系统以调节进给的速度与位置，虽然各种数控机床所要完成的任务不一样，它们对进给伺服系统的要求也都不一样，一般可以概括为：调节范围广、控制精度高、稳定性能好、响应速度快等要求。数控机床一般由信息
13、载体、计算机数控系统、伺服系统和机床本体组成，其基本机构框图如图1-1所示位置反馈信号信息载体计算机数控系统伺服系统机床辅助动作信号 图1-1 基本机构框图图1-2 直线电机进给伺服系统控制框图由图1-2可知直线进给单元控制系统主要由CNC控制器和数字控制模块组成，其采用全数字控制。位置反馈信号和辅助动作信号及时将机床的输出信号反馈给计算机数控系统采用全闭环控制的方式，提高了控制精度，使得直线电机进给系统，具有定位精度高、刚性好、动态特性好、进给速度及加速度高等一系列优良特性，在应用中能很好地满足用户要求。13 数控伺服系统的分类与驱动方式文献【3】对于伺服系统的分类做出了详细的分析，一般来说
14、有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统，各有各的优点，也各有各的用途，在工业控制当中一般主要有滚珠丝杠进给伺服系统和直线电机进给伺服系统，其中前者主要是通过齿轮、皮带等中间传动件或直接驱动滚珠丝杠，然后将电机的转动变为直线的运动，进而控制执行部件【4】。直线电机进给系统采用数字全闭环控制方式,采用直接传动，彻底废除了进给传动链中一切机械，提高进给单元刚度和定位精度【5】。文献【4】针对滚珠丝杠进给系统进行了分析，指出滚珠丝杠进给系统机械部件主要由滚珠丝杠、螺母、支承轴承、螺母支架、传动齿轮或联轴器等机械零部件组成，滚珠丝杠进给系统有开环进给系统、半闭环进给系统和闭环进给系统，对于滚珠丝杠
15、进给系统的加工精度和性能起着重要影响的主要是它的机械刚度。文献【5】针对直线电机进给系统进行了分析，提出对于直线电机进给系统来说，驱动件(直线电机)与执行件(工作台+电机动子)浑然一体，无需任何的传动部件，提高了控制与加工的精度，是其响应的速度也相应的提高，但直线电机进给系统的伺服刚度主要取决于其伺服驱动装置的刚度，但分析评价其伺服刚度首先要从整个控制系统着手，然后分析各个参数对于伺服动刚度的影响。与滚珠丝杠进给系统相比，直线电机给给系统具有控制精度高、响应速度快、加减速度大等一系列优点，它采用直接传动，彻底废除了进给传动链中一切机械传动部件，避免了机械结构对进给系统伺服性能的影响，直线电机在
16、数控机床进给系统上的应用是数控机床结构和性能上的一次飞跃。14 直线电机驱动的数控伺服系统研究现状及发展趋势文献【6】针对国内直线电机伺服进给系统的发展现状做了分析，对于现在的工业控制与加工的要求传统的滚珠丝杠传动方式已经不能很好的满足要求，其加工的性能与控制精度急需提高，而相比之下，直线电动机的速度要比滚珠丝杠的速度快的多，因为它废除了中间的一切传动环节，进而达到了“零传动”，并且它也是被公认的高速、高精度和最有发展前途的进给伺服系统，它解决了前者控制精度不高的问题，在工业控制当中取得了很好的效果。直线电机进给伺服系统相比于传统的伺服进给系统它消除了反向间隙、弹性变形和刚度不足等缺点，使其具
17、备了高速度、高刚度、高精度、高响应性等一系列优点，进给系统的刚度主要取决于其伺服驱动装置的刚度。同时若想得到优良的动态性能和高的刚度，伺服驱动装置必须运用闭环控制，一般来说直线电机进给系统伺服驱动装置的刚度主要取决于控制系统的结构和控制参数，伺服控制系统要有较高的稳定性和较强的抗干扰能力。直线电机驱动的数控伺服系统具有诸多优点，所以其在工业生产中应用很广泛，并且因为这些独特的优点广泛的被应用在航空航天，精密加工与制造，车削加工，军事、交通等重要的领域当中，它也一直被公认是精密机械加工的关键部件之一，但国内在这方面的研究还不太充分，也对直线电机的特性了解的不太深入，其重要的核心技术仍然被国外所掌
18、握，仍然需要继续努力。1.5 本文主要研究内容和章节安排本文主要对直线电机的控制特性经行仿真分析，构建系统的传递函数，并通过PID对其偏差进行控制，并通过遗传算法进行优化PID的三个参数。本文的章节安排如下： 第一章阐明介绍课题研究的背景与意义，分析现在对于直线电机的研究现状。第二章分析直线电机的工作原理并构建系统的传递函数。第三章研究各个因素对于伺服动刚度的影响，并找出影响伺服动刚度的主要因素。第四章为方便整定设计Matlab的GUI用户界面。第五章简述关于PID参数的优化方法，将Z-N经验整定与遗传算法经行对比，最后应用遗传算法经行参数的优化。最后是简单的总结与展望、文献综述和附录。2 高
19、速数控车床直线电机进给系统数学模型的建立2.1 交流永磁同步直线电动机结构及工作原理交流永磁同步直线电动机结构简单，优点显著，在工业控制中一直被广泛的应用，其体积小，运行安全可靠，耗能少并且功率高，一般可分为正弦波永磁同步电机(PMSM)和梯形波永磁同步电机(BLDC)两种，其中正弦波永磁同步电机主要由定子和转子组成，如图2-1所示，定子由三相绕组组成，三相绕组依次产生相应的电动势进而系统转子不停地转动，转子旋转的同时不停地切割磁感线产生正弦的输出电压，对于其分类一般可以分为凸装式、嵌入式和内埋式三类。梯形波永磁同步电机相电流为梯形波，它的永磁体的弧极其180度，而且永磁体发出的磁场呈梯形波散
20、布。 图2-1 直线电机的构造正弦波永磁同步电机的转子采用的是永磁体，一般都是以铷铁硼作为永磁材料，三相绕组在空间上呈120度对称分布，当有电流接入时可产生磁场吸引转子转动，一般有自控式和他控式两种，其结构原理图如图22所示，外部50HZ的电经过整流后由逆变器给电机的三相绕组供电，三相绕组进而产生电动势吸引转子不停地转动。 图2-2结构原理图2.2 交流永磁同步直线电动机位置控制结构框图 文献【11】针对交流永磁同步直线电动机的位置控制，直线电机进给系统传动精度要比传统进给系统高许多，废除了中间的传动机构但是要实现其高精度的控制必须采用全闭环的控制系统，以便准确的控制其进给的速度与位置，图3-
21、3是本进给单元的定位测量和反馈控制系统框图，它是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环外环是位置环。位置输出CNC位置输出位置控制单元速度控制单元电机与工作台位置测量位置测量图2-3 直线电机控制系统框图它的速度控制单元一般是由速度调节器、电流调节器和功率驱动放大器来组成，并且文献指出为了改善系统性能，应还有一些如加速度前馈、高速进给单元的结构和特点矩、摩擦、干扰补偿环节等辅助环节。2.3高速数控车床直线电机进给系统数学模型的建立文献【12】针对直线电机进给系统数学模型的构建做出了详细的分析，进而得出了直线电机伺服系统对于执行机构传递函数的模型，如图2-4所示，其中影响最后控制精度的各个参
22、数的取值大小如表2-5，有分析可知速度滤波环节具有滤波作用，它可以滤掉系统的干扰信号，并使速度保持平稳性，而外环采用了简单的比例(P)校正环节，增加系统的增益，提高响应速度，从而达到了响应速度快、精度高的特点。图2-4 直线电机进给系统控制结构原理图表2-5 直线电机进给系统控制参数的取值范围表 参数 单位（m/min）/mmmA/(m/min)mssV/AN/Ams取值范围0.129.006553506553.550655350.01655.35309.6备注电机电枢时间常数=9.6ms,1/=0.8A/V,=1.2mH 为了分析方便，并且限幅环节也属于非线性环节，所以先不及于考虑，因此将图
23、2-4控制框图转化成传递函数框图，如图2-6所示，参数见图2-5所示。x0电流环Sxi 图2-6 系统的传递函数框图为了更好的分析和判断系统的动态性能，在直线伺服控制系统的设计和分析过程中简化成为线性定常系统，从而能够方便而直观的利用得到的传递函数来分析各个的参数以及系统的动态性能，大大简化了分析的难度。2.4 机械执行机构数学模型的建立为了得到完整的传递函数，需要对执行机构进行数学建模，文献12针对机械执行机构数学模型的建立做出了分析，指出直线电机进给系统执行机构简图及其工作时的受力状况如图2-7所示。 图2-7 执行机构受力分析图设滚动导轨的阻尼系数为c，写出进给单元的动力学方程:m+c=
24、F-F并且为了计算的简单，将摩擦力算入到干扰力中，然后经过拉氏变换可以得到：（ms+cs）X(s)=F(s)最后得到直线电机进给系统机械执行部件的传递函数可表示为:G(s)=其传递函数框图2-8为xF图2-8 执行部件传递函数框图从上式可以看出直线进给系统执行部件的传递函数相对来说比较简单，它主要包含了惯性环节与积分环节，是由这两个环节的乘积而得到的，这是由于直线电机进给系统本身为零传动，系统特性参数主要是移动部件的质量和导轨的阻尼。由直线电机进给的传递函数可以看出，电流环在有干扰输入之前，为了简化运算，令K=1/R，其中化简后电流环的传递函数为:G(s)=再将电流环前面的速度环PI调节、滤波
25、环节和电流环化简后的传递函数与电流环闭环传递函数G(S)进行合并，结果为:G(s)=将直线电机进给系统的传递函数框图中相关的传递框图用上式中的G(S)代替，并将速度反馈简化为单位反馈，简化后的控制系统传递函数框图如图2-9所示。图2-9直线电机进给系统传递函数简化框图KG(s)F-xx-当则传递函数= 2.5本章小结 本章介绍了直线电机的工作原理，指出同步电机主要由定子和转子组成，其中三相绕组依次产生相应的电动势进而系统转子不停地转动，转子旋转的同时不停地切割磁感线产生正弦的输出电压，进而对电机的传递函数进行推导，由直线电机的说明得出电机的传递函数，而后对电机的执行机构进行数学建模，得到执行机
26、构的传递函数与电机的控制函数相连得到整体输入与输出的传递函数，为后面的分析与控制做好了准备。3 高速数控车床直线电机进给系统控制特性分析3.1 影响伺服动刚度的因素分析对系统的传递函数分析可知，系统的输入由伺服系统给定位置输入X和外界扰动力Fr两部分组成。外界扰动包括切削力、风阻力、摩擦力等。对直线电机伺服刚度的分析就是为了研究系统抵抗这些因素影响系统伺服性能的能力。由文献【12】可知伺服刚度是评价系统控制精度的重要性能指标，它主要是系统的干扰力与干扰力所引起的位置偏差的比，即其中为输入量与输出量之间的偏差值，其中当输入位置指令等于零时，所以在输入量为零时，伺服刚度可以表示为干扰力与干扰力引起
27、的输出之比，此时的传递函数结构框图为：+VS在速度环中包含有电流环，电流环的闭环传递函数是G(s)，通过化简得：G(s)=，令=，因此传递函数G K 式中： 在干扰力为零的情况下，直线电机位置输入与执行机构位置输出的传递函数可以表示为：由上式可知，影响直线电机进给系统伺服动刚度的主要参数有:位置环增益K，速度环增益，电流环比例放大，速度环积分时间常数T，速度环滤波时间常数T，直线电机的电枢电阻R和电枢电感L。其中，电枢电阻和电感是直线电机的特性常数，一旦选定电机，这两个参数就不会改变，所以伺服刚度主要受其余几个参数的影响。3.2伺服系统控制参数对伺服动刚度的影响为了更好的分析各个参数对伺服动刚
28、度的影响，采用单因素分析的方法，即在每一次的实验当中只改变其中的一个参数，而其它参数的数值不改变，由此来观察此参数对伺服动刚度的影响，为了便于观察采用Matlab进行仿真，观察伺服动刚度的倒数，并对其阶跃响应做相对的分析，其中影响伺服动刚度的参数如表4-1所示。表3-1 伺服控制系统的设置参数参数（m/min）/mmmA/(m/min)mssV/AN/AmsmKg取值2.550000450016309.63803.2.1位置环增益对进给系统伺服动刚度的影响文献【4】指出位置环增益是影响系统伺服动刚度的重要参数之一，在一般情况下，随着伺服系统的位置环增益数值的不断提高，其位置跟踪误差不断减小，在
29、输入的进给速度发生突变时，其输出也会发生强烈的变化，系统的机械负载所受的冲击力会变大，而且增益越高，系统的幅值裕度越小，稳定性越差。在位置环增益减小时，系统的伺服动刚度也相应的变小，系统容易达到稳定，调整起来也比较方便，但是当位置环增益过低时，系统的伺服动刚度的位置跟踪误差就会比较大，在进行轮廓的加工时，就会形成较大的加工误差，无法保证相应的加工精度。图3-2a所示，曲线是系统在25Kg阶跃干扰力输入下的响应，位置环比例增益分别为0.5（m/min）/mm、2.5（m/min）/mm、7.5（m/min）/mm时系统伺服动刚度的阶跃仿真曲线，图3-2b是在同样的增益条件下，系统的位置阶跃输入响
30、应。 (a) (b)图3-2位置环增益(Kv:()对伺服动刚度和动态特性的影响曲线表示的是系统伺服动刚度的倒数曲线，从图3-2a中可以看出，随着位置环增益Kv数值的不断提高，曲线的数值不断变小，所以系统伺服动刚度也相应的提高，但振荡次数也增多，系统的稳定性降低。从图3-2b对动态特性的影响中可以看到，随着Kv的增大，曲线达到峰值的时间逐渐减少，响应速度也相应的提高，但是曲线开始出现超调量。可见，适当增加系统位置环比例增益可以使系统的响应速度得到改善，并且可以使其伺服动刚度提高，但其数值也不益提高的太大，因为其数值过大的话系统的稳定性就会变差。3.2.2速度环比例放大系数对伺服动刚度的影响速度环
31、比例放大系数K是影响速度环PI控制的一个重要参数，速度控制器的重要作用其实是对速度进行控制，使其保持一定的速度而稳定的进行运动，在定位时保证其不产生振荡。而且为了更好的对系统进行位置的控制，还需要速度环有高的响应速度，同时在系统达到稳态时具有很好的硬度保持特性，以对各种扰动有很好的抑制，从而保证了转动的精度。通过文献的查询可知，提高速度环比例的增益，可以使系统的开环增益提高，同时也可以使速度环的带宽增加，提高速度环的响应速度，但是如果速度环的比例增益过大会使系统产生振动，影响系统的稳定性，图3-3a是曲线是系统在25Kg阶跃干扰力输入下的响应，在速度环比例增益分别为30000mA/(m/min
32、)、40000mA/（m/min）、50000mA/（m/min）时，图3-3b是在同样的增益条件下，系统的位置阶跃输入响应。 (a) (b) 图3-3 速度环比例增益(K:)对伺服动刚度和动态特性的影响曲线表示的是系统伺服动刚度的倒数曲线，从图3-3a中可以看出，随着系统系统速度环比例增益Kp数值的不断提高，曲线的数值不断变小，所以系统伺服动刚度也相应的提高，振荡次数不断减小，系统的稳定性不断提高，调整时间也相应减小。从图3-3b中分析可知，系统阶跃响应曲线的超调量也随着其数值的增加而逐渐的变小，所以从曲线可以看出其控制特性在不断的变好。通过对上面图像的分析与比较，为了提高伺服动刚度，提高控
33、制的精度应使速度环增益提高，进而使系统的控制性能变好。3.2.3速度环积分时间常数对伺服动刚度的影响系统在达到稳定的速度时，凡是实际速度与指令速度的差值称为是静差，并且一般在PID控制当中，单纯的比例环节无法消除静差，速度环的积分环节和速度环比例环节一起构成速度PI控制器，对速度进行无静差的调节控制。其中通过速度环的比例积分的调节控制可以使系统达到足够的机械强度，从而减小其它负载下的扰动，提高系统的稳态性能。其中积分环节的主要作用是整定偏差，如若系统的偏差一直存在则节分环节一直起作用，知道系统无偏差为止。通过对文献的分析，可知积分时间短，积分作用就增强，系统响应快;积分时间长，积分作用就弱。但
34、是积分时间过短，则积分作用就会太强，便会容易引起系统振荡，进而会影响系统的稳定性。图3-4a是系统在25Kg阶跃干扰力输入下的响应曲线，它的在速度环积分增益的数值为2ms、4ms、8ms时，图3-3b是在相应的输入下，系统的位置阶跃输入响应。 (a) (b) 图3-4 速度环积分时间常数（Tn：ms）对伺服动刚度和动态特性由图3-4可知，随着速度环积分时间的减少，积分作用的不断增强，曲线的数值不断变小，所以系统伺服动刚度也相应的提高，响应时间加快，但振荡次数增加，系统的稳定性变差，调整时间变长，单位阶跃输入下的超调量也不断增加。如果继续减少积分时间，系统可能会失稳。3.2.4速度环滤波时间常数
35、对伺服动刚度的影响文献【12】对速度环滤波时间常数对伺服动刚度的影响作出了分析，指出滤波环节的参数是滤波时间常数，在速度环中设置滤波环节主要有以下两个方面的考虑，l)限制速度环的带宽，抑制高频信号对系统的干扰;2)抑制伺服控制系统中由A/D、D/A环节所引入的量化效应，量化效应会影响位置误差和速度误差。图3-5是速度环滤波时间常数分别为1000s、750s、500s时，系统的25Kg阶跃干扰力输入响应和单位阶跃位置输入响应。 (a) (b)图3-5速度环滤波时间常数(:s)对伺服动刚度和动态特性的影响曲线表示的是系统伺服动刚度的倒数曲线，从图3-5a中可以看出，随着系度环滤波时间常数的不断增加
36、，曲线的数值不断变大，所以系统伺服动刚度也相应的变小，振荡次数增加，系统的调整时间变长，这是因为，随着的增加，系统的滤波环节通频带不断的下降，限制了速度环的带宽。3.2.5电流环比例放大系数对伺服动刚度的影响为了优化伺服系统的抗干扰性能，一般在速度环内加入电流反馈来控制电流的幅值与相位。图3-6是当电流环比例放大系数分别为16V/A、32V/A、64V/A时，系统的25Kg阶跃干扰力输入响应和单位阶跃位置输入响应。 (a) (b)图3-6电流环比例增益(:V/A)对伺服动刚度和动态特性的影响由上图的曲线观察可知，电流环比例放大系数对伺服动刚度和单位阶跃位置输入响应的影响不是太大，综上分析可知，
37、结合以上所有参数来看，位置环比例增益Kv、速度环比例增益KP、速度环积分时间常数Tn三个参数对于系统伺服动刚度和动态特性的影响相对于其它参数来说都要大。位置环比例增益和速度环比例增益越大，系统伺服动刚度也就越大。速度环积分时间常数越小，伺服动刚度也越大，但过大的Kv和过小的Tn都会影响系统的稳定性。3.3伺服系统执行机构参数对伺服动刚度的影响伺服系统的执行机构是进给伺服系统的控制对象，因为直线进给电机废除了中间的穿动环节，从而实现了零传动，所以在执行机构的参数当中，其参数对于伺服系统的性能可能会产生重要的影响，其中主要的两个影响因素是工作台的载重和导轨的阻尼。 3.3.1工作台及负载质量对伺服
38、系统动刚度的影响 工作表和负载质量与其他因素相比，工作台与载重质量也是一个重要的因素，因为直线电机进给系统的负载质量和传动部件和直线电机无速度减速器，所以工作台及其负载的质量变化对伺服系统的性能有较大的影响。图3-7是当运动部件质量分别为340Kg、460Kg、560Kg时，系统的25Kg阶跃干扰力输入响应和单位阶跃位置输入响应。 (a) (b) 图3-7移动部件质量(m:Kg)对伺服动刚度和动态特性的影响从图中3-7a可以看出，随着运动部件质量的增加，曲线的数值不断增加，进给系统的伺服动刚度降低，同时随着运动部件质量的增加，系统的响应曲线系统的过渡过程振荡幅度加大，振荡次数增多，系统稳定性变
39、差。由图3-7b可知超调量和调整时间也相应增加，系统动态品质下降。通过对文献【12】的分析，可知要减弱惯性负载的变化对直线电机伺服性能的影响可以采用以下方法:（1）增大工作台的自重。（2）改变机床结构，工件保持不动，用刀具运动来完成切削。3.3.2导轨粘滞阻尼对伺服动刚度的影响文献【12】指出机床导轨有制导精度高，精度保持性好，有足够的刚度和良好的抗摩擦性能。适合的阻尼还可以进步进给体系的定位精度。图3-8是阻尼分别为0 Nsm、0.0025 Nsm、0.0005 Nsm时，系统的单位阶跃位置响应。 图3-8 粘滞阻尼系数(Nsm)对饲服刚度的影响由图3-8分析可知，随着导轨阻尼系数的变化曲线
40、并未发生变化，所以导轨阻尼的增加对直线电机进给系统伺服动刚度和系统动态特性并无显著的影响,所以其相对于其它参数来说影响较小可以忽略不计。3.4 本章小结本章主要对伺服动刚度进行了分析，以及对影响其参数的性能指标进行了对比与探讨，伺服动刚度主要是由两部分组成，及系统位置输入X和外部扰动力Fr。对直线电机伺服刚度的分析就是为了研究系统抵抗这些因素影响系统伺服性能的能力。影响系统伺服动刚度的参数主要有位置环增益系数K，速度环增益系数，电流环比例放大系数，速度环积分时间常数T，速度环滤波时间常数T，直线电机的电枢电阻R和电枢电感L。其中，电枢电阻和电感是直线电机的特性常数，一旦选定电机，这两个参数就不
41、会改变，所以伺服刚度主要受其余几个参数的影响。通过对伺服动刚度的分析可以很好的对系统的传动精度进行分析，伺服动刚度的提高系统抵御形变和扰动力也会增强，保证了输入与输出的传动精度。4 直线电机进给系统控制特性的仿真4.1 PID控制特性仿真分析图4-1直线电机进给系统PID控制特性仿真 PID控制方便简单，易于实现，它对于偏差的控制可以令人达到很满意的效果，而且其易于调节，对于受控对象的数学模型要求不是特别苛刻，不必是特精准的数学模型，也正因为如此，其调节方法广泛的被工业控制人员所接受，工程应用非常的广泛，同时它也是控制领域当中历史最久、生命力最强的控制方式。在PID方法控制中，P 指的是比例环
42、节，当一有偏差产生，则比例环节立即产生抑制信号，使偏差得以乘以相应的系数来控制偏差，它与偏差成比例的关系。I指的是积分环节，它的主要作用是对偏差进行积分运算，只要静差一直存在它就会一直对偏差起作用，从而可以消除闭环系统的静差，提高系统的无差度，但积分环节的引入会使系统的响应速度降低；D指的是微分环节，它的作用是对偏差进行微分的运算，反映了偏差的变化速率，可以对于偏差未来的变化进行调节，在其变化的太大之前，增加有效的控制信号，从而保证了控制的精度。总之，PID控制包含了偏差的过去、现在和未来的信息，可以对其各个阶段进行有效地控制，加入修正信号。通过利用MATLAB软件对该传递函数进行仿真，从显示控件可以查看相应的控制曲线，并将系统过程演示出来,在 simulink建立的仿真模型当中
