实验超精密车床振动控制系统设计.ppt

* 现代控制理论基础 上机实验之一 亚微米超精密车床振动控制系统 的状态空间法设计 工程背景介绍 超精密机床是实现超精密加工的关键设备，而环境振动又是影响超精密加工精度的重要因素。为了充分隔离基础振动对超精密机床的影响，目前国内外均采用空气弹簧作为隔振元件，并取得了一定的效果，但是这属于被动隔振，这类隔振系统的固有频率一般在2Hz左右。 这种被动隔振方法难以满足超精密加工对隔振系统的要求。为了解决这个问题，有必要研究被动隔振和主动隔振控制相结合的混合控制技术。其中，主动隔振控制系统采用状态空间法设计，这就是本次上机实验的工程背景。 实验目的 通过本次上机实验，使同学们熟练掌握： 控制系统机理建模 时域性能指标与极点配置的关系 状态反馈控制律设计 MATLAB语言的应用 4个知识点。 工程背景的物理描述 床身 空气弹簧 作动器 作动器 工件 地基 控制器 地 基 床身 传感器 传感器 机床质量 空气弹簧粘性阻尼系数 空气弹簧刚度系数 主动隔振系统作动器（不表示参数） 机床位移 地基位移 上图表示了亚微米超精密车床隔振控制系统的结构原理，其中被动隔振元件为空气弹簧，主动隔振元件为采用状态反馈控制策略的电磁作动器。 上图表示一个单自由度振动系统， 一般弹性支承的低通滤波特性，其主要作用是隔离较高频率的基础振动，并支承机床系统； 空气弹簧具有 具有高通滤波特性，其主要作用是有效地隔离较低频率的基础振动。主、被动隔振系统相结合可有效地隔离整个频率范围内的振动。 主动隔振系统 床身质量的运动方程为： 空气弹簧所产生的被动控制力 作动器所产生的主动控制力 假设空气弹簧内为绝热过程，则被动控制力可以表示为： 参考压力下空气弹簧的总面积 标准压力下的空气弹簧体积 相对位移（被控制量） 空气弹簧的参考压力 参考压力下单一弹簧的面积 绝热系数 电磁作动器的主动控制力与电枢电流、磁场的磁通量密度及永久磁铁和电磁铁之间的间隙面积有关，这一关系具有强非线性。 由于系统工作在微振动状况，且在低于作动器截止频率的低频范围内，因此主动控制力可近似线性化地表示为： 力-电流转换系数 电枢电流 其中，电枢电流 满足微分方程： 控制回路电枢电感系数 控制回路电枢电阻 控制回路反电动势 控制电压 某一车床的已知参数 * * *