基于麦克斯韦力的FTS控制算法研究

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光学自由曲面作为新一代的光学元器件,已在航空航天、生物医疗等领域中得到越来越广泛的应用。超精密加工技术是光学自由曲面制造的关键技术。在众多超精密加工方法中,快速刀具伺服加工能快速加工结构复杂、高频变化的阵列结构,器件的面形精度可达亚微米级,表面粗糙度达纳米级。FTS目前面临两大技术难题:高频响伺服电机的设计及优化与采用有效控制算法设计的控制器。基于麦克斯韦力快速刀具伺服系统(MFTS)能实现更高频响和更大加速度,是快速刀具伺服加工的研究热点。本文针对已开发MFTS系统的轨迹跟踪控制问题,开展控制策略和仿真方法的研究。主要研究工作如下:1.分析了MFTS系统的基本原理、机械结构与功率驱动器,建立了系统模型。搭建了实验平台,根据系统辨识的步骤完成辨识实验。通过对辨识实验中测试信号的处理,得到系统的数学模型,为控制系统设计提供分析依据。2.针对MFTS系统的输入信号一般为周期性重复信号的特点,同时主轴的跳动也会引起周期变化的干扰信号。选择自适应前馈抵消(AFC)控制算法进行MFTS控制器的设计,将这些周期性的信号分解为一系列频率已知、傅里叶级数未知的组成项进行控制,以提高系统的跟踪精度及抗干扰能力。3.针对MFTS系统存在着电磁惯性等动态项,FTS系统的输出存在一定的相位延迟,不能实时地反应输入控制信号的变化的问题,在AFC控制算法基础上添加零相位误差跟踪控制(ZPETC)方法。通过将被控系统函数进行逆处理,对系统输出的相位延迟进行补偿,最终使系统在较宽的频率范围内的相位误差为零。通过设计AFC+ZPETC综合控制系统,能够充分发挥两者控制方法的优点,使系统具有良好的控制效果。仿真实验结果表明,设计的基于MFTS的综合控制系统能够实现轨迹跟踪的精确控制,具有很好的抗干扰能力。
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