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本论文研究的主要目标是实现一条多轴生产线的自动化,为绕制国际热核聚变实验堆(ITER)校正场线圈(CC)提供一个控制平台。针对校正场线圈的结构特点,将解决问题的关键集中在了以下三个方面:绕制生产线工艺分析及各轴位置关系计算,多轴交流伺服系统的实现及其控制算法以及控制系统硬件部分的组建和软件的编写。
绕制生产线的关键部分为六个相互关联的运动轴。这六根轴的运动关系取决于线圈的形状,为此首先建立了描述各轴之间位置关系的微分方程。由于这一微分方程难以求得解析解,并且对于不具有统一解析表达式的分段线圈而言,求得解析解后也难以在实际中获得运用,因此,此处采用了四阶Runge-Kutta法对方程进行求解,并以B/TCC线圈为例,计算出了各主要轴的位置关系。由于所得位置关系将会导致部分轴的运转速度不连续,产生刚性冲击,又采用Beizer样条曲线对过渡段进行了平滑处理,使各轴的加速度限制在了比较合理的范围。
各轴的控制策略的选取以及它们之间的联动是实现设备精确控制的关键之一。本文在建立好交流伺服电动机动态数学模型的基础上,以交流永磁同步伺服电机(PMSM)为例,设计了位置、速度和电流三闭环PI控制系统,并应用遗传算法对系统的参数进行优化,利用Matlab/Simulink仿真的结果表明控制系统能够获得良好的响应性能。同时还进一步将模糊控制理论引入到控制器设计中来,设计了模糊控制器用来取代位置、速度环的PI控制器对PMSM进行控制,利用Matlab/Simulink仿真的结果表明模糊控制器性能较好。在研究了单轴控制系统的基础上,进一步对多轴联动系统的控制策略和插补方式做出了简要的分析。
通过工艺过程的分析与控制策略的仿真,选取了适合本绕制生产线要求的控制器和伺服系统,同时进行了控制程序设计以及人际界面的开发。