國立臺灣師範大學機電科技系精密運動控制實驗室論文系統


論文名稱:	高精度管型線性馬達之摩擦分析及補償器設計
	Friction analysis and compensator design for a high-precision tubular linear motor
研究生:	郭智瑋 Jr-Wei Guo
指導教授:	陳美勇 Mei-Yung Chen
學位類別:	碩士(Master)
學校名稱:	國立臺灣師範大學
記錄編號:	GN0696730055
系所名稱:	機電科技研究所
畢業學年度:	99
語文別:	中文
關鍵字:	管型線性馬達 Tubular linear motor
	摩擦力 Friction
	適應控制 Adaptive control
	模糊控制 Fuzzy control
	滑動觀測器 Sliding-mode observer
全文說明:	電子全文
論文頁數:	63
摘要:	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.
論文目次:	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
參考文獻:	[1] A. Helouvry, B. P. Dupont and C. Canudas de Wit “A survey of models, analysis tools and compensation methods for the control of machines with friction,” Automatica, Vol. 30, No. 7, pp. 1083-1138. 1994.
	[2] C. Canudas de Wit, H.Olsson, K. J. Astrom, and P. Lischinsky “A new model for control of systems with friction” IEEE transactions on automatic control, Vol. 40, pp. 419-425, 1995.
	[3] C. I. Huang, and L. C. Fu “Adaptive approach to motion controller of linear induction motor with friction compensation” IEEE/ASME transactions on mechatronics, Vol. 12, No. 4, pp. 480-490, 2007.
	[4] F. Cupertino, D. Naso, E. Minino, and B. Turchiano “Sliding-mode control with double boundary layer for robust compensation of payload mass and friction in linear motors” IEEE transactions on industry applications, Vol. 45, No. 5, pp. 1688-1696, 2009
	[5] S. L. Chen, K. K. Tan, S. Huang, and C. S. Teo “Modeling and compensation of ripples and friction in permanent-magnet linear motor using a hysteretic relay,” IEEE transactions on mechatronics, Vol. 15, No. 4, pp. 586-594, 2010
	[6] A. Amthor, S. Zschaeck, and C. Ament “High precision position control using an adaptive friction compensation approach” IEEE transactions on automatic control, Vo1.55, No 1, pp. 274-278, 2010.

	[7] T. H. Lee, K. K. Tan, and S. Huang “Adaptive friction compensation with dynamic friction model,” IEEE/ASME transactions on mechatronics, Vol. 16, No. 1, pp. 133-140, 2011.
	[8] http://www.hiwin.com.tw/
	[9] 韓曾晉編著，「適應控制系統-Control Systems of Adaptive」，科技圖書股份有限公司，37~346頁，民國八十一年六月初版。
	[10] S. Peng and S. Shyh-Pyng,“Robust H∞ control for linear discrete-time systems with norm-bounded nonlinear uncertainties, ” IEEE transactions on automatic control, Vol. 44, pp. 108-111, 1999.
	[11] 陳永平、張浚林編著，「可變結構控制設計」，全華科技圖書股份有限公司，1-1~8-52頁，民國九十一年九月二版。
	[12] D. G. Ren and D. Howe, “Robust magnetic bearing control via eigenstructure assignment dynamical compensation,” IEEE transactions on control systems technology, Vol. 11, pp. 204-215, 2003.
	[13] H. S. Kyung and R. Langari, “Robust fuzzy control of a magnetic bearing system subject to harmonic disturbances,”IEEE transactions on control systems technology, Vol. 8, pp. 366-371, 2000.
	[14] K. H. Ang, G. Chong, and Y. Li, “PID control system analysis, design, and technology,” IEEE transactions on control systems technology, Vol. 13, no. 4, 2005.


	[15] J. C. Basilio and S. R. Matos, “Design of PI and PID controllers with transient performance specification,” IEEE transactions on Education, Vol. 45, no. 4, 2002.
	[16] J. Jacques, E. Slotine, and W. Li, Applied nonlinear control, Prentice Hall, 1990.
	[17]M. Y. Chen and C. H. Jou, “Design and control for a 2-DOF high- precision positioning platform using electrical-magnetic device,” 碩士論文，國立台灣師範大學2008.
	[18] L. X. Wang, “Stable adaptive fuzzy control of nonlinear systems,” IEEE transactions on fuzzy system, Vol. 1, no. 2, pp. 146-155, 1993.

	[19] C.C. Lee, “Fuzzy logic in control systems: fuzzy logic controller, parts I and II,” IEEE transactions on systems, Vol. 20, no. 2, pp. 404-435, 1990.
	[20] L. X. Wang and J. M. Mendel, “Fuzzy basis functions universal approximation, and orthogonal least squares learning,” IEEE transactions on neural network, Vol. 3, no. 5, pp. 807-814, 1992.