基于模糊 PID 控制的微位移平台监控系统设计.pdf

2013年 11月 机械设计与制造工程 NOq．2Ol3 第42卷 第 11期 MachineDesignandManufacturingEngineering Vo1．42No．11 DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2013．11．018 基于模糊 PID控制的微位移平台监控系统设计 王建红 ，陈耀忠 ，陆宝春 ，张建华 ，黄家才 1．南京工程学院 自动化学院，江苏 南京 211167 2．北方信息控制集团有限公司，江苏 南京 211153 3．南京理工大学 机械学院，江苏 南京 210094 摘要：针对微细电化学加工的加工状况，利用压电陶瓷作为微位移器件，将高性能嵌入式微处理 器、大规模可编程逻辑器件以及模糊PID算法应用于微位移平台监控系统的开发，设计并实现了 微细加工控制领域的模糊PID微位移平台监控 系统。实验结果表明，微位移平台监控 系统采用 模糊 PID控制算法，系统稳态误差明显减小。 关键词：电化学加工；微位移平台；监控系统；模糊 PID控制 中图分类号：11P273．4 文献标识码 ：A 文章编号：2095—509X 2013 ll一0o72—04 微细电化学加工利用电化学反应去除材料，最 压电陶瓷微位移器件具有位移分辨率高、出力大、 终得到所需要的复杂形状…。加工过程 中，材料 响应快、功耗小、无噪声、不发热等优点，是 目前最 以离子方式去除 ，无需在工件或零件表面施加 具有前途的微位移执行器件 。 切削力，无材料熔除与变形，具有其他微细加工方 本系统中的大位移通过交流伺服电机带动滚 法无可比拟的优势，在微细精密成型、化学合成、纳 珠丝杠实现，简称宏平台；微米量级的小位移及间 米结构的形成等领域得到广泛应用 J。 隙调整通过压电陶瓷实现，简称微平台；极间电压 由于微细电化学加工零件尺寸较小，对机床的 的脉宽监测通过可编程器件实现，极间电压幅值通 进给精度要求较高，一般要求小于 1Ixm，随之而来 过高速A／D检测；电流幅值通过加工回路中串联 的问题是，由于材料去除在极小空间内进行，同时 精密 电阻、测量电阻两端电压间接得到。加工中滚 受到加工微位移结构——压电致动器的非线性、迟 珠丝杠的速度、位移控制 由可编程逻辑器件完成。 滞的影响以及加工间隙内流场与电场分布的复杂 宏微两级平台的配合遵循以下原则：进给过程中， 性等制约l4J，加工间隙的数学建模十分困难，因 位移超过 50 xm，压电陶瓷位移器 回复初始状态， 此微位移平台实际位置的测量与控制成为微细 电 滚珠丝杠移动。 化学加工的一大难题 。 本文在微细电化学加工过程 中检测到微位移 2 微位移平台监控系统硬件设计 平台的实际位置，基于高性能嵌入式系统设计基于 本文设计的微位移平台监控系统，微位移机构 模糊PID的控制器，形成一个控制间隙大小的闭环 有三路，每路可控，能完成三轴控制要求。位移精 控制系统 ，通过调整阴极进给速度或加工电压来调 度可达到纳米级，达到超微细加工的要求 。 节微位移平台的运动位置，使之稳定地保持在小间 监控系统结构如图1所示。电源模块给整个 隙状态，从而实现了对整个加工过程 的良好控制 。 控制系统供 电，处理器选择 32位高速处理器 $3C2410A，负责所有控制算法的实现，控制模块 由 1 系统的总体结构