焊线机XY运动平台自适应滑模控制与前馈参数自整定
随着芯片体积越来越小，焊点间的距离日益缩短，这对芯片封装设备中运动平台的定位精度、鲁棒性等运动性能提出了更高的标准。然而，精密XY运动平台是非线性、强耦合的系统，其数学模型往往是不确定的，受干扰的影响程度也是未知的。当系统发生内部参数摄动或受到外界干扰影响时，传统的滑模变结构控制器鲁棒性不强，难以获得满意的性能。而自适应滑模变结构控制因引入自适应控制方法，使系统在抗干扰与抗参数摄动等方面的能力大大提高，其良好的鲁棒性以及具有一定的适应能力使得它比较适合应用于基于永磁直线电机的控制系统。前馈控制可以在不破坏原有系统运行稳定性的基础下进一步改善系统的性能要求，同时采用差分进化算法对前馈控制器参数进行离线自整定，减少了时间成本的花销，提高了工作的效率。本课题以滑模变结构控制理论为基础，对XY运动平台中永磁直线电机的位置闭环二自由度控制策略进行研究，主要研究内容如下： （1）调研焊线机和精密XY运动平台发展现状，并深入研究XY运动平台的“前馈+滑模控制”二自由度控制策略，结合焊线机复杂的引线键合工序流程，设计三阶S形轨迹规划，为本文后续实验应用打下基础。 （2）阐述了永磁直线电机工作原理与其非线性效应，并通过电机电压等效电路模型与机电动力学公式推导电机的数学模型。在滑模变结构控制理论的基础上，探讨了抖振产生的原因以及各种削弱抖振的方案。最后结合电机的数学模型提出基于指数趋近律的滑模变结构控制器，并采用Matlab软件进行实验分析，验证控制器的跟踪性能、抗干扰性以及抗参数摄动能力，为后续设计更优化的滑模变结构控制器提供对比分析对象。 （3）分析了等速趋近律、指数趋近律以及幂次趋近律的优缺点，并在此基础上设计了幂指数趋近律。同时，针对指数趋近律的滑模变结构控制系统存在抗干扰性能不足、抖振较大，且系统受内部参数摄动影响较大等缺点，提出了基于幂指数趋近律的滑模变结构控制器。最后通过实验表明，该控制器与基于指数趋近律的滑模变结构控制器相比，系统的抖振现象得到了削减，系统抗干扰、参数摄动性能较之更优。 （4）基于幂指数趋近律的滑模变结构控制器在系统内部参数发生摄动时，其跟踪误差变化幅度较大，而且幂指数趋近律的切换增益往往因补偿干扰值而取较大值，使得系统在稳态时产生了较大的抖振现象。因此为了减小趋近律的切换增益和提高系统的自适应能力，引入自适应方法与迭代学习对干扰项进行补偿，提出了基于“幂指数趋近律+迭代学习”的自适应滑模变结构控制策略。迭代学习补偿系统周期性的干扰，采用自适应方法补偿系统的非周期性干扰，并保证系统具有一定的适应能力。实验结果表明，将迭代学习和自适应滑模变结构控制算法结合在一起，增强了系统的鲁棒性，并且有效地减弱了抖振现象。 （5）采用基于“幂指数趋近律+迭代学习”的自适应滑模变结构控制策略的系统在抗干扰、参数摄动能力有相应的提高，其抖振现象也得到了进一步削弱，但是系统在位置跟踪性能上却稍有不足。为了进一步提高系统的定位精度，在原有控制策略的基础上加入前馈控制，并使用差分进化算法对前馈控制器的速度、加速度参数进行离线自整定。通过差分进化算法寻找最优的前馈控制器参数，减少了人力手动整定参数的成本花销，提高了工作的效率。
焊线机;精密运动平台;自适应滑模控制;迭代学习;差分进化算法;封装设备
广东工业大学
硕士
机械工程
贺云波
2021
中文
TN305.94
2021-10-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）