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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
2、置，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
3、 motor 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
4、 of 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, im
5、prove 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
6、MATLAB 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 respec
7、tively, 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
8、控伺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
9、.2.2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
10、参数优化方法简介与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
11、车床具有诸多优点，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，
12、对工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
