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研究生:周冠謙
研究生(外文):Kuan-Chien Chou
論文名稱:以實體化模型為基礎之微米級高速工具機伺服控制
論文名稱(外文):SOLID MODELING BASED SERVO SYSTEM DESIGN FOR A HIGH SPEED MICRO GRINDING MACHINE
指導教授:顏家鈺顏家鈺引用關係
指導教授(外文):Jia-Yush Yen
學位類別:博士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:機械工程學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:108
中文關鍵詞:順滑模態控制伺服控制整合設計PDF控制器
外文關鍵詞:sliding mode controllerintegrated servo control system designPDF controller
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由於工具機加工時,非線性因素會對加工精度造成影響,因此在控制策略的選擇上,選用對系統不穩定性具有強韌性的順滑模態控制,做為我們的控制理論基礎以實現降低加工誤差的需求。
我們利用實體化模擬軟體來進行伺服控制整合設計,先將加工機平台的模型匯入,並加入適當的物理性質作為約束條件,建立一個較為趨近真實平台模型條件的實體化模型,接著,以系統整合模擬的方式來設計順滑模態控制器,以模擬在順滑模態控制器的作用下,工具機加工的情形。接著,本文將模擬在受到空氣阻力、摩擦力以及共振模態影響下的工具機,經由順滑模態控制之後,所得到的結果與先前由福裕公司所調整的PDF控制器所得到的結果進行評估與比較,並解釋兩種控制法則產生的結果之差異性。最後,將設計的控制器經由參數轉換,套用至實際機台上的PDF控制器上進行實機驗證,以證明本文所設計之控制器優於傳統之PDF控制器。
The flourishing hi-tech industry development has prompted the need to carry out high performance servo design and testing without actually having to construct a prototype system. However, the complicated mechanical structure and the nonlinear effects in many of the high performance systems have made it very difficult to carry out the design without a suitable model. In recent years, the software advances has achieved very accurate dynamic simulation result. It is also possible to integrate the control synthesis with the dynamic simulation. This study examines the possibility of performing the servo design within the system design environment and then applies the result to a realistic platform model. The robust sliding mode controller is employed to deal with the nonlinear characteristics in the grinding machine. The dynamic model included the multi-degree of freedom behavior and the friction effects. The simulation results also show that the sliding mode controller is able to suppress the structure resonances and achieve high accuracy control under plant uncertainties. Finally, we apply the sliding mode controller to the realistic platform to replace the traditional PDF controller, and get the satisfied achievement.
目錄
第一章、前言 8
1.1研究動機 8
1.2論文貢獻 10
第二章、順滑模態控制理論 12
2.1順滑模態控制理論簡介 12
2.2順滑模態控制之原理 13
第三章、實體化模型之建立 22
3.1平台模型介紹 22
3.2使用軟體介紹 26
3.3動力學方程式之建立 32
第四章、伺服控制設計 40
4.1實體化模型與MATLAB之整合 40
4.2控制迴路整合機台振動模態 41
4.3 PDF控制器設計 43
4.3.1 PDF控制器與PID控制器的差異 43
4.3.2 PDF控制器的設計 46
4.3.3 模擬分析結果 46

4.4 順滑模態控制器設計 52
4.4.1狀態空間模型的建立 52
4.4.2順滑模態控制器設計 54
4.4.3模擬分析結果 58
第五章、實體化模型與真實機台之整合 65
5.1控制器參數轉換 65
5.2 PDF控制器架構之調整 66
5.3 轉換參數測定 70
5.3.1實驗原理 70
5.3.2實驗架構設計 70
5.4 轉換參數測定 75
5.5 模擬結果比較 79
5.6 SMC參數轉換PDF參數控制器之實機驗證 82
第六章、結果討論與建議 101
6.1結果討論 101
6.2未來展望 103
參考文獻 104
附錄:福裕公司的精密模床原型機台照片 108

圖表目錄
圖 2 - 1:順滑模態控制 15
圖 2 - 2:修正後的控制訊號示意圖 21
圖 3 - 1:修正後的控制訊號示意圖 22
圖 3 - 2:磨床平台之實體化模型 23
圖 3 - 3:線性馬達示意圖 24
圖 3 - 4:線性馬達配置圖 25
圖 3 - 5:線性馬達配置圖 25
圖 3 - 6:Working Model軟體介面操作圖 31
圖 3 - 7:運動平台示意圖 32
圖 3 - 8:平台上視圖 32
圖 3 - 9:平台自由體圖(FBD) 33
圖 3 - 10:滑塊1之示意圖 34
圖 3 - 11:滑塊2之示意圖 35
圖 3 - 12:滑塊3之示意圖 36
圖 3 - 13:滑塊4之示意圖 36
圖 3 - 14:等效彈簧之示意圖 37
圖 4 - 1:MSC.Desktop與Simulink整合之Function 40
圖 4 - 2:vNPlant function之參數設定方塊圖 41
圖 4 - 3:控制迴路內含機台的振動模態之示意圖 42
圖 4 - 4:“Base”之展開圖 43
圖 4 - 5:PDF控制器結構圖 44
圖 4 - 6:PID控制器結構圖 44
圖 4 - 7:一階系統的PDF速度控制器 44
圖 4 - 8:一階系統的PI速度控制器 45
圖 4 - 9:PDF控制架構 46
圖 4 - 10:平台質心之X方向位移對時間圖 47
圖 4 - 11:平台質心之Y方向位移對時間圖 47
圖 4 - 12:平台質心之Z方向位移對時間圖 48
圖 4 - 13:平台質心之X方向角度對時間圖 48
圖 4 - 14:平台質心之X方向角度對時間圖 49
圖 4 - 15:平台質心之Z方向角度對時間圖 49
圖 4 - 16:不同的施力作用點下Z軸角度比較圖 51
圖 4 - 17:順滑模態控制架構 56
圖 4 - 18:Subsystem HA 57
圖 4 - 19:Subsystem K 57
圖 4 - 20:Subsystem F 58
圖 4 - 21:狀態空間軌跡圖 59
圖 4 - 22:平台質心之X方向位移對時間圖 59
圖 4 - 23:平台質心之Y方向位移對時間圖 60
圖 4 - 24:平台質心之Z方向位移對時間圖 60
圖 4 - 25:平台質心之X方向角度對時間圖 61
圖 4 - 26:平台質心之Y方向角度對時間圖 61
圖 4 - 27:平台質心之Z方向角度對時間圖 62
圖 4 - 28:不同負重下之平台質心之X方向位移對時間圖 62
圖 4 - 29:不同增益下之平台質心之X方向位移對時間圖 63
圖 5 - 1:FANUC控制器架構 67
圖 5 –2:Simulink內的PDF控制架構 67
圖 5 - 3:Simulink內的控制架構 69
圖 5 - 4:FANUC SERVO GUIDE中frequency response量測方法 71
圖 5 - 5:輸入信號頻率為50Hz時輸入及輸出圖形 72
圖 5 - 6:經過單位變換後的圖.5-6 72
圖 5 - 7:驗證La、Ra所使用的simulink架構 74
圖 5 - 8:參數轉換後的初步控制結果 75
圖 5 - 9:參數轉換後在降低增益後之控制結果速度對位移圖 76
圖 5 - 10:質心位移對時間圖(x方向) 77
圖 5 - 11:質心位移對時間圖(y方向) 77
圖 5 - 12:質心位移對時間圖(z方向) 78
圖 5 - 13:平台質心之X方向角度對時間圖 78
圖 5 - 14:平台質心之y方向角度對時間圖 79
圖 5 - 15:平台質心之z方向角度對時間圖 79
圖 5 – 16(a):平台質心之x方向位移對時間圖 80
圖 5 – 16(b):平台質心之x方向位移對時間圖 81
圖 5 - 17:模擬與實機驗證比較圖(ㄧ) 84
圖 5 - 18:模擬與實機驗證比較圖(二) 85
圖 5 - 19:模擬與實機驗證比較圖(三) 86
圖 5 - 20:模擬與實機驗證比較圖(四) 87
圖 5 - 21:模擬與實機驗證比較圖(五) 88
圖 5 - 22:模擬與實機驗證比較圖(六) 89
圖 5 - 23:模擬與實機驗證比較圖(七) 90
圖 5 - 24:模擬與實機驗證比較圖(八) 91
圖 5 - 25:SMC參數轉PDF控制器與PDF控制器之比較(ㄧ) 93
圖 5 - 26:SMC參數轉PDF控制器與PDF控制器之比較(二) 94
圖 5 - 27:SMC參數轉PDF控制器與PDF控制器之比較(三) 95
圖 5 - 28:SMC參數轉PDF控制器與PDF控制器之比較(四) 96
圖 5 - 29:SMC參數轉PDF控制器與PDF控制器之比較(五) 97
圖 5 - 30:SMC參數轉PDF控制器與PDF控制器之比較(六) 98
圖 5 - 31:SMC參數轉PDF控制器與PDF控制器之比較(七) 99
圖 5 - 32:SMC參數轉PDF控制器與PDF控制器之比較(八) 100
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