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研究生:郭智瑋
研究生(外文):Jr-Wei Guo
論文名稱:高精度管型線性馬達之摩擦分析及補償器設計
論文名稱(外文):Friction analysis and compensator design for a high-precision tubular linear motor
指導教授:陳美勇陳美勇引用關係
指導教授(外文):Mei-Yung Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣師範大學
系所名稱:機電科技研究所
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:63
中文關鍵詞:管型線性馬達摩擦力適應控制模糊控制滑動觀測器
外文關鍵詞:Tubular linear motorFrictionAdaptive controlFuzzy controlSliding-mode observer
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本論文研究之目的為設計並實現新型的高精密定位平台,並且針對摩擦力進行分析與補償器的設計。摩擦力為一種非常複雜的物理現象,會降低運動控制系統的定位精度與追蹤性能。

本論文所設計的實驗平台為單軸的定位平台,行程為210mm,平台整體為52920067mm3。為了減輕定位平台重量,平台機構採用鋁合金,傳動機構採用線性滑軌,致動器則使用管型線性馬達來驅動平台。

在摩擦力補償方面,我們首先建立與分析系統之動態模型,然後利用摩擦力模型或滑動觀測針對滑軌之摩擦力做估測,分別結合PID控制器、適應控制器或適應模糊控制器來對摩擦力進行補償,消除摩擦力對定位平台的影響,由模擬與實驗結果證明此系統為可行的。
The purpose of this paper is to design and achieve a high-precision positioning platform and design a compensator by analysis of friction. Friction is a very complex physical phenomenon. And it degrades the positioning accuracy and tracking performances of the system.
This paper proposes a single axle positioning platform which travel is 210mm, and its size is as compact as 52920067mm3.The subject organization of the platform adopts the aluminum alloy material, in order to lighten the weight of the localization platform, the guiding devices adopt the linear slide rail. X axle use a tubular linear motor to drive the platform.
Firstly, the plant and dynamic model are derived and analyzed. Next, The estimation of friction is used by friction model or sliding-mode observer combined with PID controller, adaptive controller, adaptive fuzzy controller to eliminate the effect of friction. From simulation and experiment results, possible implementation, and satisfactory performances, and have been demonstrated.
總 目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
致謝 III
總目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機與目的 6
1.4 本論文之貢獻 6
1.5 論文架構 7
第二章 摩擦力行為與摩擦力模型 8
2.1 摩擦力行為 8
2.2 靜態摩擦力模型(Static friction model) 10
2.2.1古典摩擦模型(Classical friction model) 10
2.3 動態摩擦力模型(Dynamic friction model) 12
2.3.1路易摩擦力模型(LuGre friction model) 12
第三章 系統組成與模型推導 15
3.1 系統組成 15
3.2 管型線性馬達 15
3.3 量測系統 17
3.4 線性滑軌 17
3.5 定位平台整體架構 18
3.6 系統動態模型之推導 19
第四章 控制系統設計 21
4.1 PID控制器 22
4.1.1 Ziegler-Nichols 調整演算法 24
4.1.2 Chien-Hrones-Reswick調整演算法 25
4.1.3 Cohen-Coon調整演算法 26
4.1.4模擬結果 27
4.2 滑動觀測適應控制器設計 29
4.2.1滑動模式觀測器(Sliding-mode observer) 29
4.2.2適應控制器(Adaptive controller) 30
4.2.3模擬結果 32
4.3 適應模糊控制器設計 34
4.3.1模糊控制器設計 35
4.3.2模擬結果 40
第五章 實驗結果與討論 42
5.1 實驗設備 42
5.1.1定位平台 42
5.1.2 控制器介面 43
5.1.3 感測器與驅動器 49
5.2 PID控制器實驗結果 50
5.2.1 定點控制 50
5.2.2 正弦波控制 52
5.3 滑動觀測適應控制實驗結果 53
5.3.1 定點控制 53
5.3.2正弦波控制 54
5.4 適應模糊控制實驗結果 56
5.4.1 定點控制 56
5.4.2 正弦波控制 57
第六章 結論與未來展望 60
參考文獻 61


圖 目 錄
圖1-1 適應逆推控制器線性磁感馬達定位平台 2
圖1-2 管型線性同步馬達定位平台 3
圖1-3 永磁式線性馬達定位平台 4
圖1-4 高精度雙軸定位平台 4
圖1-5 定位平台控制架構圖 5
圖1-6 線性馬達定位平台 5
圖2-1 摩擦力與兩物體接觸面相對速度關係圖 9
圖2-2 古典靜摩擦力模型 11
圖2-3 路易摩擦力模型 12
圖3-1 管型線性馬達定位平台爆炸圖 15
圖3-2 管型線性馬達透視圖 16
圖3-3 管型線性馬達定子透視圖 16
圖3-4 MGW型線性滑軌結構示意圖 18
圖3-5 定位平台整體架構圖 18
圖3-6 定位平台受力之自由體圖 19
圖4-1 典型PID控制結構圖 23
圖4-2 PID控制器步階響應模擬圖 28
圖4-3 PID控制器弦波追蹤響應模擬圖 28
圖4-4 滑動觀測適應控制器步階響應模擬圖 33
圖4-5 滑動觀測適應控制器弦波響應模擬圖 33
圖4-6 模糊控制器架構 35
圖4-7 歸屬函數圖 40
圖4-8 歸屬函數圖 40
圖4-9 適應模糊控制器步階響應模擬圖 41
圖4-10 適應模糊控制器弦波響應模擬圖 41
圖5-1 管型線性馬達平台實體圖 42
圖5-2 管型線性馬達平台側邊定子支撐架實體圖 43
圖5-3 NI PXI-6289 資料截取卡 45
圖5-4 PID控制系統介面圖 46
圖5-5 PID控制程式架構圖 46
圖5-6 滑動觀測適應控制系統介面圖 47
圖5-7 滑動觀測適應控制程式架構圖 47
圖5-8 適應模糊控制系統介面圖 48
圖5-9 適應模糊控制系統架構圖 48
圖5-10 RGH-24-Y線性增量光學尺 49
圖5-11 ACP-090-09 驅動器 50
圖5-12 定點控制響應圖(PID) 51
圖5-13 定點控制輸入響應圖(PID) 51
圖5-14 正弦波控制響應圖(PID) 52
圖5-15 正弦波控制輸入響應圖(PID) 52
圖5-16 定點控制響應圖(滑動觀測適應控制器) 53
圖5-17 定點控制輸入響應圖(滑動觀測適應控制器) 54
圖5-18 正弦波控制響應圖(滑動觀測適應控制器) 55
圖5-19 正弦波控制輸入響應圖(滑動觀測適應控制器) 55
圖5-20 定點控制響應圖(適應模糊控制器) 56
圖5-21 定點控制輸入響應圖(適應模糊控制器) 57
圖5-22 正弦波控制響應圖(適應模糊控制器) 58
圖5-23 正弦波控制輸入響應圖(適應模糊控制器) 58

表 目 錄
表4-1 PID 參數與系統時域性能指標間的關係 24
表4-2 Ziegler-Nichols 調整公式 25
表4-3 設定點問題Chien-Hrones-Reswick經驗調整公式 26
表4-4 擾動抑制問題Chien-Hrones-Reswick經驗調整公式 26
表4-5 Cohen-Coon調整演算法的控制器參數 27
表5-1 電腦與控制系統規格表 44
表5-2 控制器之比較 59
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