极限运行工况下直线伺服系统高频柔性模态的分析、建模与抑制研究

This project focuses on suppressing high-frequency flexible modes in linear motor driven system under the extreme working conditions. A dynamic model including rapid time-varying and high-frequency flexible modes is established in light of the rigid-flexible coupled dynamics. Secondly, the forming mechanism of high-frequency flexible modes and their effects on motion system performance is analyzed in detail. Finally, the fast suppression and stability criterion of high frequency flexible modes is put forward to deal with the issue. The research contents of this project are as follow: (1) An effective parameterized model including electromagnetic model, dynamic model of platform and high-frequency flexible modes is successfully established and model parameters identification methods are discussed. (2) The influence of inner parameters perturbations on fast time-varying characteristic of high-frequency flexible modes is quantitatively revealed and their effects on motion system performance are fully analyzed. (3) A fast suppression strategy and stability analysis method for high frequency flexible modes of linear motor driven system is presented, and fault tolerance and self-tuning technique of control parameters are also discussed. (4) A dedicated embedded motion controller is designed and developed, in which the relevant algorithms are programmed and implemented. The proposed theory and method are verified by the experimental results. The research results of this project will give theoretical and technical support for dissussing the high precision tracking and fast positioning of modern precision positioning systems.

本项目研究速度、加速度等物理极限运行工况下直线伺服系统高频柔性模态的分析、建模与抑制问题，建立刚-柔耦合系统动力学体系下有效包含多阶时变高频柔性模态的动力学模型，分析高频柔性模态机理及其对系统性能的影响规律，探索高频柔性模态的快速抑制控制及稳定性分析。研究内容包括：(1) 构建面向控制的有效包含高频柔性模态、直线电机电磁模型、平台动力学模型的直线伺服系统模型，探讨参数高精度辨识方法；(2) 定量揭示系统内部参数摄动对高频柔性模态时变特征的影响，分析高频柔性模态对系统伺服性能的影响规律；(3) 提出直线伺服系统高频柔性模态的快速抑制策略与稳定性分析方法，探讨控制方法的容错能力与控制参数自调谐技术；(4) 开发专用嵌入式运动控制器，并移植和实施相关的算法，实验验证提出的理论与方法的正确性、有效性。项目预期成果将为现代精密运动系统的高精密跟踪和快速高精度定位提供新的控制策略和技术实施手段。

面向高端芯片封装、数控机床等核心运动部件的高精密跟踪与快速高精度定位需求，本项目围绕临近系统速度、加速度物理极限运行工况下直线伺服系统高频柔性模态的剖析、建模与抑制问题展开了详细的研究：（1）提出了一种含多阶时变高频柔性模态的系统动力学建模方法，有效包含直线电机的电磁模型、平台动力学模型及高频柔性模态，通过正弦扫频法获取直线伺服系统的幅频特征和相频特征，并采用最小二乘法分频段拟合所建立的高阶模型参数。（2）构建了面向控制的基于Simulink等效仿真实验平台，通过直线伺服系统的仿真分析，研究机械共振模态对高加速度直线伺服系统性能的影响。以具有不同加速度平台和不同固有频率的两大类系统模型为研究对象，通过点到点运动仿真分析低频模态和高频共振模态对高加速度直线伺服系统性能的影响。（3）探索了参考输入信号的实时规划、平滑及最优化问题，提出了一种基于预测-修正-评价-修正-评价算法的实时参数插值器，该插值器可有效地计算过渡曲线的参考点。通过分析该算法的收敛条件，保证了计算的稳定性，能够很好地实现插补精度与插补效率的平衡。（4）优化面向控制的直线运动系统宽频多模态动力学模型的降阶优化，提出基于位置反馈的继电反馈时域辨识方法，有效解决频域方法主谐波近似问题。提出基于力-位干扰观测器的前馈补偿精密运动控制方法，并结合自适应障碍滑模控制，改进经典的低通滤波器，避免了谐振峰值对外部干扰的激励，进一步减小残余微振动，实现高频柔性模态的快速主动抑制。（5）开发了一款基于CPCI总线和“DSP+FPGA”架构方式的专用嵌入式运动控制器，并将提出的高频柔性模态快速抑制研究算法进行移植和实施，编写直线伺服系统的动力学建模、控制与参数调谐软件系统，通过点到点运动分析了极限工况下直线伺服系统高频柔性模态主动抑制技术的有效性。相关研究成果，为现代精密定位系统的高精密跟踪和快速高精度定位提供新的控制策略和技术实施手段。