文档介绍：三峡大学
硕士学位论文
数控机床交流伺服控制系统的设计与仿真
姓名:李琳
申请学位级别:硕士
专业:机械制造及其自动化
指导教师:曾孟雄
20061001
内容摘要

以交流永磁同步伺服电动机(PMSM)为驱动元件的伺服系统是数控装置与机床之
间的连接环节。本文以数控机床交流伺服系统为研究对象,建立了电流、速度、位置
三闭环的 PID 控制模型,应用 PID 优化理论及模糊自适应理论对 PID 参数进行整定
优化,并用 MATLAB/SIMULINK 进行动态仿真、计算,仿真结果表明采用上述方法
提高了数控机床交流伺服系统设计整定的效率和精度、改善了系统动态响应性能。
本文首先从交流永磁同步电动机数学模型入手,对永磁同步电动机的工作原理以
及矢量控制思想进行了说明,建立了交流永磁同步电动机的控制模型及数控机床交流
伺服系统的电流、速度、位置三闭环结构仿真模型,并根据控制原理对三环结构的PID
调节器参数进行设计整定及仿真,验证了整个系统设计的正确性。接着采用基于系统
综合性能指标的最优PID整定算法,分别比较了3种常见的优化准则对PID调节器的优
化结果,得出结论:广义误差平方积分性能指标IGISE 更适合作为永磁同步电动机交
流伺服系统的优化准则,为数控伺服系统的参数优化整定提供了平台和方法。然后分
析了数控进给系统的模型,针对高精度数控机床的要求,构建一种基于MATLAB语言
的、对高阶伺服系统控制模型进行计算机辅助设计与仿真的现代分析方法,它能更精
确、更方便地反映高阶系统的时域和频域特性以及多参数变化对系统性能的影响。最
后为解决控制对象具有非线性、时变性、随机性与模糊性及难以建立精确数学模型的
问题,将一种参数在线自校正模糊控制器引入数控机床交流伺服系统中,该控制器可
以根据测量得到的偏差e及偏差的变化率ec在线自动整定PID控制器的三个参数。采用
上述方法后,可以显著提高控制系统的鲁棒性,大大降低跟踪误差。
本论文的研究结果为设计和调试数控加工伺服系统提供了更多的方法和思路。
关键词:数控机床交流伺服系统参数优化 PID控制自适应模糊控制

II
Abstract

Servo system drived by PMSM is the middle connect segment between numerical
control setting and machine tools. This paper researches on the AC servo system of
numerically controlled machine tools. The PID controller model of current circle, speed
circle and position circle in the AC servo system are established. The PID parameter
optimization theory and fuzzy adaptive control theory are applied for optimization the PID
parameters. The result of simulated by MATLAB/SIMULINK has indicated that the
efficiency and accuracy can be evidently improved and dynamic characteristic can be
greatly reformed.
This thesis first introduces the mathematic model of PMSM. Then the operation
principle of PMSM and the basic theory of Vector Control for PMSM are all illuminated.
The control model of PMSM and current circle, speed circle and position circle in the AC
servo system of numerically controlled machine tools are established. Based on these, PID
parameters of multi-closed loop system is adjusted according to the contr