（控制理论与控制工程专业论文）基于神经元网络的预见控制器设计及其硬件在回路仿真.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fn e u r a ln e t w o r kb a s e dp r e v i e wc o n t r o l l e ra n dt h e s i m u l a t i o no fh a r d w a r e - i n t h e - l o o p a b s t r a c t an e u r a ln e t w o r kp r e v i e wc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d ，b a s e do nt h ec o m b i n a t i o ns t r a t e g yo f n e u r a ln e t w o r ka n dp r e v i e wc o n t r o lt h e o r y ，t oi m p r o v et h et r a c k i n ga c c u r a c yf o ras e r i e so f s p e c i a lp l a n tw h o s et r a j e c t o r yi sp r e v i e w e d ，s u c ha sm a c h i n et o o l sa n dm a n i p u l a t o r s s i m u l a t i o n a n a l y s e sa n dh a r d w a r e - i n - t h e l o o pe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs e l f - l e a r n i n g ，r a p i dr e s p o n s e ，s t r o n gr o b u s t n e s se t c t h ep r e v i e wc o n t r o l l e rt r i e st ou t i l i z et h ef u t u r ei n f o r m a t i o no fr e f e r e n c ea n dd i s t u r b a n c e e f f e c t i v e l yt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e s t r u c t u r a l l y ，t h ep r e v i e ws e r v os y s t e mi s d e r i v e df r o mt h en o r m a ls e os y s t e m s w h i c ht h ep r e v i e wf e e d f o r w a r di sa d d e df o r c o m p e n s a t i o n c o n s e q u e n t l y ，t h es t a b i l i t yi sj u s tt h es a i t l ea su s u a l f u r t h e r m o r e ，t h ef o l l o w i n g p e r f o r m a n c ei sm u c hb e t t e rj u s tb e c a u s et h ef u t u r ei n f o r m a t i o nw a su t i l i z e db e s i d e st h ee r r o r i n f o r m a t i o ni nf o r m e rm e t h o d s ，t h ec o m p e n s a t i n ga c c u r a c yh e a v i l yd e p e n d so nt h ea c c u r a c yo f m a t h e m a t i c a lm o d e l w h i l et h en e u r a ln e t w o r kh a sal o to fa d v a n t a g et h a ta p p l i c a b l et o a u t o m a t i o n s o ，u t i l i z i n gt h en e u r a ln e t w o r kt or e a l i z et h ef u n c t i o no f p m v i e wc o n t r o l l e rw i l lb e p r o p i t i o u st oi m p r o v et h ef o l l o w i n gp e r f o r m a n c e ，s e l f - l e a r n i n ga b i l i t ya n dr o b u s t n e s s a b o v ei d e aw a sv e r i f i e db ym a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e u r a l n e t w o r kp r e v i e wc o n t r o l l e rp o s s e s s e ds t r o n gs e l f - l e a m i n ga b i l i t ya n dc o m p e n s a t e dt h ed y n a m i c d e l a y ，i m p r o v e dt h ef o l l o w i n gp e r f o r m a n c ea n dr e s p o n s es p e e dg r e a t l y c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns i m u l a t i o na n dr e a l i t y ，ar e a l t i m eh a r d w a r e i n - t h e - l o o pe x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t ，i e t h ep r o p o s e ds t r a t e g yw a sv e r i f i e db yc o n n e c t i n gt h e p r o t o t y p ec o n t r o l l e rt ot h ep h y s i c a lp l a n td i r e c t l y i nt h i se x p e r i m e n t ，as i n g l ec o m p u t e rw a s u s e da sah o s ta n dt a r g e tt oc o n t r o lt h ev e l o c i t yo faa cm o t o ri nt h ee n v i r o n m e n to fr e a l t i m e w i n d o w st a r g e t k e yw o r d s ：n e u r a ln e t w o r k ，p r e v i e wc o n t r o l ，f e e d - f o r w a r dc o m p e n s a t i o n ， h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：幽日期：型! 二：! ：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：l 妇导师签名：鎏望竺 日期：训彬弓j 、 r 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 目前，高速切削应用已从航天工业扩及到模具业、木工业、电子业等，并预期将成 为合金钢、复合材料等切削加工主流。所以提高加工精度与效率一直是机械加工者所追 求的目标。所谓的高生产效率就是指如何缩短真正加工时间及非切削加工时间，为符合 此要求，n c 机床的驱动伺服系统必须具有较高的进给速率及加速度。 伺服系统是控制系统的重要组成部分，伺服系统的动态和静态性能直接影响数控机 床的定位精度、加工精度和位移速度。 伺服系统跟踪误差产生的原因主要有：进给驱动系统对参考轨迹的动态响应； 摩擦力和切削力的干扰；驱动系统的反向问隙和饱和非线性；模型误差和轴的动态 不匹配。为了适应高主轴转速，高速加工工艺，需要较高的进给速率，这就导致了 单轴跟踪误差，进而产生了更大的轮廓误差。在高速加工中所要研究的基本问题之 一就是开发新的插补算法和控制技术，通过各种先进的控制与补偿技术提高伺服轴 的动态性能，以此来减小跟踪误差，从而达到改善系统控制精度的目的。 为适应下一代高速、高精度加工的需要，研究和开发先进的伺服控制器，对加 工制造业的发展起到重大的影响和促进作用。它不但可以应用到数控机床上，以提 高精度和效率，而且可以应用到机器人和自动弧焊等与生产生活密切相关的系统 中，所以这方面的研究和应用将会给我们带来巨大的经济和社会效益。 在工业过程控制中，p i d 控制是历史最悠久，生命力最强的控制方式。这主要是因 为这种控制方式具有直观、实现简单和鲁棒性能好等一系列优点。但是，在实际生产现 场，由于条件常常受到限制，比如缺乏有关仪器，不允许附加扰动和调试时i 剐短等。因 此p i d 参数的整定往往难以达到最优状态。并且即使针对某- - 7 i i 作点获得了p i d 最优 参数，由于工业过程对象一般具有时变性，仍存在整个工作范围和保持长期工作最优的 问题。针对上述问题，已提出过多种自校正p i d 控制方法，但由于自适应控制是在被控 对象为线性对象的前提下进行研究的，面对工业过程的非线性对象，仍存在不尽人意之 曳卜。 沈阳工业大学硕士学位论文 人工神经网络具有许多适用于自动控制的特点，如能以任意精度逼迫任意连续非线 性函数：对复杂不确定问题具有自适应和自学习能力；它的信息处理的并行机制可以解 决控制系统中大规模实时计算问题，而且并行机制中的冗余性可以使控制系统具有很强 的容错能力。神经元网络控制器对被控对象模型的精度要求不高，且抗干扰能力强，可 以克服系统中非线性的影响，提高系统的性能。 对于机床和机械手等一类具有重复性的运动过程，它们的路径信息是可预知的。在 重复加工的条件下，过程中一些由机械部分产生的干扰也具有重复性质。因此通过对以 往数据的学习可以掌握干扰的特性，以便在下一次操作中对干扰进行预见抑制和路径 的预见跟踪。对于高档数控机床来说，数控系统一般采用闭环控制结构。机械系统中存 在的问隙、摩擦等因素，使得系统具有非线性；在设计控制器时只能将其近似成线性系 统。由此可见，在机床重复加工的条件下，选用基于神经元网络的轮廓预见控制器，将 会有助于提高工件的加工精度以及机械系统的鲁棒性。 鉴于此，我们考虑在传统的p i d 控制器的基础上，增加一个神经网络控制器，用此 神经网络控制器作前馈控制器，来完成预见控制器的功能。而且，这里的反馈控制器仍 然存在，一旦系统出现干扰等，反馈控制器仍然可以重新起作用。因此，采用这种前馈 加反馈的监督控制方法，不仅可确保控制系统的稳定性和鲁棒性，而且可有效地提高系 统的精度和自适应能力。 通过数字仿真及硬件在回路仿真对所提出的控制算法及控制方案进行验证。 在传统的数字仿真中，其结果的验证( v a l i d a t i o n ) 是必要的，但也是非常难以实现 的。在实际的项目中，经常需要花大量的时间从真实的过程中收集可靠数据，与仿真结 果进行比较。如果比较的结果不一致，这就需要对仿真的模型进行改进，得出的结果还 需要多次往复实验，才能最终相信仿真结果。 硬件在回路仿真的最大优势是仿真结果的验证过程是直观的，所以在一些工业过程 中，采用硬件在回路仿真的策略可以大大地缩短产品开发周期。这个硬件在回路的仿真 实验是用m a t l a b 的r e a l t i m ew i n d o w st a r g e t 来完成的。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 1 课题背景及问题的提出 1 1伺服系统发展简况 伺服系统是自动控制系统中的类，是用来控制被控对象的某种状态，使其能自动 地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律，通常是闭环控制系统。它是伴随电的应 用而发展起来的，最早出现于本世纪初。1 9 3 4 年第一次提出了伺服机构 ( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个词，随着自动控制理论的发展，到本世纪中期，伺服系统的理论 与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，持别是伴随 着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添冀突飞猛进。它的应用几 乎遍及社会的各个领域。 伺服系统在机械制造行业中用得最多最广，各种机床运动部分的速度控制、运动轨 迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动控制、直线运 动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制，如仿型机 床的控制、机器人手臂关节的运动控制等等。它们可以完成的运动控制精度高、速度 快、远非一般人工操作所能达到。 在冶金工业中，电弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位置控制，水平连铸机的拉坯运 动控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等等，都依靠伺服系统来实现，这些更是无法 用人工操作所能代替的。 在运输行业中，电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操 舵、飞机的自动驾驶，都由各种伺服系统为之效力，从而减缓操作人员的疲劳，也 大大提高了工作效率。 在军事上，伺服系统用得更为普遍，雷达天线的自动瞄准跟踪控制、高射炮、战术 导弹发射架的瞄准运动控制、坦克炮塔的防摇稳定控制、防空导弹的制导控制、鱼雷的 自动控制等等。 在计算机外围设备中，也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁 盘驱动系统等等。 。3 沈阳工业大学硕士学位论文 1 课题背景及问题的提出 1 1伺服系统发展简况 伺服系统是自动控制系统中的类，是用来控制被控对象的某种状态，使其能自动 地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律，通常是闭环控制系统。它是伴随电的应 用而发展起来的，最早出现于本世纪初。1 9 3 4 年第一次提出了伺服机构 ( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个词，随着自动控制理论的发展，到本世纪中期，伺服系统的理论 与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，持别是伴随 着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添冀突飞猛进。它的应用几 乎遍及社会的各个领域。 伺服系统在机械制造行业中用得最多最广，各种机床运动部分的速度控制、运动轨 迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动控制、直线运 动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制，如仿型机 床的控制、机器人手臂关节的运动控制等等。它们可以完成的运动控制精度高、速度 快、远非一般人工操作所能达到。 在冶金工业中，电弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位置控制，水平连铸机的拉坯运 动控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等等，都依靠伺服系统来实现，这些更是无法 用人工操作所能代替的。 在运输行业中，电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操 舵、飞机的自动驾驶，都由各种伺服系统为之效力，从而减缓操作人员的疲劳，也 大大提高了工作效率。 在军事上，伺服系统用得更为普遍，雷达天线的自动瞄准跟踪控制、高射炮、战术 导弹发射架的瞄准运动控制、坦克炮塔的防摇稳定控制、防空导弹的制导控制、鱼雷的 自动控制等等。 在计算机外围设备中，也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁 盘驱动系统等等。 。3 沈阳工业大学硕士学位论文 如今我国已成为世界上少有的几个能生产激光电视放像系统的国家，用激光将信息 录制在光盘上，一圈信息在电视机上构成一幅画面，放像过程是用很细的激光束沿信息 道读取信息，各信息道之间的间隔已达ui n 级，因此控制激光束的位置伺服系统也具有 相应的控制精度，以保证获取清晰稳定的画面。这种具有高精度伺服系统的激光电视放 像机，己丌始进入我国人民的家庭生活。 伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，可及时准确地跟踪 人造卫星的发射，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光头，从国防、工业生产、交 通运输到家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。 1 2 数控伺服系统概述 伺服系统在机械制造行业中用得最多最广，各种机床运动部分的速度控制、运动轨 迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。所以说伺服系统是数控机床的重要 组成部分。 驱动系统及位置控制系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能【1 9 。2 “。如数 控机床的最高运动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于驱动及位置控制系统 的动态与静态性能。因此，研究与开发高性能的驱动系统及位置控制系统，一直是研究 数控机床的关键技术之一。 数控机床的驱动系统主要有两种：进给驱动系统和主轴驱动系统，前者控制机床各 坐标轴的切削进给运动，后者控制机床主轴的旋转运动。驱动系统是由驱动部件如交、 直流电动机及速度检测元件和速度控制单元所组成。它的职能是提供切削过程中需要的 转矩和功率，可以任意调节运转速度。 位置控制系统又分为丌环和闭环两种。开环控帛0 不需要位置检测及反馈，闭环控制 需要位置检测和反馈。位置控制的职能是精确地控制机床运动部件的坐标位置，快速而 准确地跟踪指令运动。 闭环位置控制系统又称为位置伺服系统，它是基于反馈控制原理工作的，即把被控 变量与输入的指令值进行比较，以形成误差值，并用此误差来控制伺服机构向着消除误 差的方向运转，最终使得输出等于输入。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 如今我国已成为世界上少有的几个能生产激光电视放像系统的国家，用激光将信息 录制在光盘上，一圈信息在电视机上构成一幅画面，放像过程是用很细的激光束沿信息 道读取信息，各信息道之间的间隔已达ui n 级，因此控制激光束的位置伺服系统也具有 相应的控制精度，以保证获取清晰稳定的画面。这种具有高精度伺服系统的激光电视放 像机，己丌始进入我国人民的家庭生活。 伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，可及时准确地跟踪 人造卫星的发射，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光头，从国防、工业生产、交 通运输到家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。 1 2 数控伺服系统概述 伺服系统在机械制造行业中用得最多最广，各种机床运动部分的速度控制、运动轨 迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。所以说伺服系统是数控机床的重要 组成部分。 驱动系统及位置控制系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能【1 9 。2 “。如数 控机床的最高运动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于驱动及位置控制系统 的动态与静态性能。因此，研究与开发高性能的驱动系统及位置控制系统，一直是研究 数控机床的关键技术之一。 数控机床的驱动系统主要有两种：进给驱动系统和主轴驱动系统，前者控制机床各 坐标轴的切削进给运动，后者控制机床主轴的旋转运动。驱动系统是由驱动部件如交、 直流电动机及速度检测元件和速度控制单元所组成。它的职能是提供切削过程中需要的 转矩和功率，可以任意调节运转速度。 位置控制系统又分为丌环和闭环两种。开环控帛0 不需要位置检测及反馈，闭环控制 需要位置检测和反馈。位置控制的职能是精确地控制机床运动部件的坐标位置，快速而 准确地跟踪指令运动。 闭环位置控制系统又称为位置伺服系统，它是基于反馈控制原理工作的，即把被控 变量与输入的指令值进行比较，以形成误差值，并用此误差来控制伺服机构向着消除误 差的方向运转，最终使得输出等于输入。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 为了进行反馈，就需要有检测元件。检测元件的功能是对被控变量进行检测与信号 变换，使之变成与指令信号可比较的形式，以达到进行控制的目的。 数控机床的位置伺服系统的一般结构如图1 1 所示。这是一个双闭环系统，内环是 速度环，外环是位置环。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是由速度调节器、电 流调节器及功率放大器等各部分组成。 c n c 速度控制单元 - 岩蛛 图1 1 位置伺服系统结构图 位置环由c n c 系统中的位置控制模块与速度控制单元、位置检测及反馈控制等各 部分组成。位置控制主要是对数控机床的进给运动的坐标位置进行控制，如工作台前后 左右移动、主轴箱的上下移动、围绕某一个直线轴的旋转运动等。轴控制是数控机床上 要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和精度的控制有严格的要求，而且在多 轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。否则，会影响加工效率、加工精度和表 面粗糙度。 速度控制也是交流伺服系统中极为重要的一个环节。其控制性能是伺服性能的一个 重要组成部分，从广义上讲，速度伺服控制应具有高精度、快响应的特性，具体而高， 反映为小的速度脉动率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。系统的控制精度是 最重要的技术指标之一，一套伺服系统的控制精度，受多方面因素的影响，但其中十分 关键的是检测装置的精度( 分辨率) ，现代科学技术的发展，对高精度伺服系统的运用越 来越多。为达到这一控制要求，一般应采用分辨率高、响应速度快且纹波小的速度检测 器，采用高性能电流检测器和较高开关频率的大功率电力电子器件。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 伺服系统向数字化方向发展是适应高速、高精度机械加工的需要。系统中的电流 环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，全部伺服的控制模型和动态补偿均由高速 微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只有零点几毫秒。采用前馈与反馈结合 的复合控制可以实现高精度和高速度。近来又出现了学习控制这一种智能型的伺服控 制，在周期性的高速、高精度跟踪中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差。 数字化的软件伺服是当今的发展趋势。 伺服系统组成状况和工作状况是多种多样，可简单的用图1 1 方块图来表示它的组 成。它有检测装置，用来检测输入信号和系统的输出，有放大装置和执行部件，为使各 部件之间有效地配和使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换线路和补偿装置。 这仅指信息在系统中传递所必经的各个部分。此外，以上各部分都离不开相应的能源设 备、相应的保护装置、控制设备和其它辅助设备。 伺服系统的类型很多，被控对象多种多样，因此它们的工作伺服系统的类型很多， 被控对象多种多样，因此它们的工作状况千差万别。衡量一个系统品质的优、劣，应该 从它完成工作的质量来检验。当我们进行系统设计时，就应当把它应该完成的工作状况 和质量要求变成可以计量的品质指标。这些指标大体上可分为两类，一类是稳态品质指 标：另一类为动态品质指标。 1 3提高效率的方法与矛盾一高速、高精度 伺服系统是由若干部分组成的，检测装置、信号转换线路、放大装置、执行元件、 传动机构、再加上被控对象。尽管各个部分性能都很好，但将它们联接成一闭环系统， 就存在能否稳定的问题，即或能稳定，但是否能满足各项精度要求，是否具备所需要的 动态品质? 现代技术的发展，不少场合要求伺服系统的精度要高，快速响应要好，这往 往是矛盾的。 速度和精度是数控伺服系统的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品的 质量。近年来由于生产现场生产能力、加工精度的提高，对机床，机器人等机械系统的 控制提出了高速化、高精度化的强烈要求。但机器人之类是柔性结构的机械，机床之类 则是有较高刚性的机械，要求它们高速化、高精度化，控制机械系统的振动就成了一个 重大问题。而且伴随着高速化的实现，以往被忽视的由伺服系统的跟踪延迟引起的路径 6 沈阳工业大学硕士学位论文 伺服系统向数字化方向发展是适应高速、高精度机械加工的需要。系统中的电流 环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，全部伺服的控制模型和动态补偿均由高速 微处理器及其控制软件进行实时处理，采样周期只有零点几毫秒。采用前馈与反馈结合 的复合控制可以实现高精度和高速度。近来又出现了学习控制这一种智能型的伺服控 制，在周期性的高速、高精度跟踪中，几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差。 数字化的软件伺服是当今的发展趋势。 伺服系统组成状况和工作状况是多种多样，可简单的用图1 1 方块图来表示它的组 成。它有检测装置，用来检测输入信号和系统的输出，有放大装置和执行部件，为使各 部件之间有效地配和使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换线路和补偿装置。 这仅指信息在系统中传递所必经的各个部分。此外，以上各部分都离不开相应的能源设 备、相应的保护装置、控制设备和其它辅助设备。 伺服系统的类型很多，被控对象多种多样，因此它们的工作伺服系统的类型很多， 被控对象多种多样，因此它们的工作状况千差万别。衡量一个系统品质的优、劣，应该 从它完成工作的质量来检验。当我们进行系统设计时，就应当把它应该完成的工作状况 和质量要求变成可以计量的品质指标。这些指标大体上可分为两类，一类是稳态品质指 标：另一类为动态品质指标。 1 3提高效率的方法与矛盾一高速、高精度 伺服系统是由若干部分组成的，检测装置、信号转换线路、放大装置、执行元件、 传动机构、再加上被控对象。尽管各个部分性能都很好，但将它们联接成一闭环系统， 就存在能否稳定的问题，即或能稳定，但是否能满足各项精度要求，是否具备所需要的 动态品质? 现代技术的发展，不少场合要求伺服系统的精度要高，快速响应要好，这往 往是矛盾的。 速度和精度是数控伺服系统的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品的 质量。近年来由于生产现场生产能力、加工精度的提高，对机床，机器人等机械系统的 控制提出了高速化、高精度化的强烈要求。但机器人之类是柔性结构的机械，机床之类 则是有较高刚性的机械，要求它们高速化、高精度化，控制机械系统的振动就成了一个 重大问题。而且伴随着高速化的实现，以往被忽视的由伺服系统的跟踪延迟引起的路径 6 沈阳工业大学硕士学位论文 误差问题也表现了出来。要使路径误差变小必然要求其有大的加速度，而这又成了机械 系统发生更大振动的原因。这些技术并不是相互独立的，它们之间相互联系，相互制 约，相互促进，一个技术的进步取决于其他技术的发展。在这些方面，专家和学者做了 许多工作，现归纳如下： 1 3 1采用补偿技术 工程实践中，不容许单纯追求提高各部分元件性能，而应当依据现实条件，采取有 效补偿( 或称校正) 的办法。对系统进行补偿的方法很多，常用的有串联补偿、反馈补 偿、顺馈补偿、前馈补偿( 即复合控制) 、选择性反馈与顺馈等。除线性补偿外，还有非 线性补偿。只有充分掌握已有的补偿技术，不断地开发新的补偿技术，才能使我们设计 的伺服系统不断发展，推陈出新。 采用补偿技术方面，在数控加工中，除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补 偿等技术外，最近人们颇为注意热变形补偿 1 2 - 1 3 l 。电动机、回转主轴和传动丝杠的 发热变形会产生加工误差。文献 1 4 1 6 为减少热变形，传统的改善方法为使用绝热 材料、热平衡设计及加装冷却装置等硬件改善方法，虽然成效不错，却增加了制造 成本，而且开发周期长，容易使厂商失去快速、弹性的竞争能力。因此，很多专家 和学者都转向了第二种方法，即一方面采取减少热量，如采用流动油液对内装主轴 电动机和主轴轴承进行冷却，另方面则采取软件来实现热补偿技术，先在离线的 情况下，以切削实验方式建立热变形的误差模型，然后在在线运行时，实时补偿热 变形误差。 1 3 2前馈控制 随着高精度复杂型面零件加工的不断增长，轮廓精度已成为c n c 系统的重要精度 指标。c n c 系统的轮廓加工轨迹是多轴协调运动的合成结果，因此轮廓精度的提高涉 及到机床进给轴动态特性和参数匹配。目前在这方面进行的研究归纳起来可分为2 大 类，一类是从改善机床各进给轴的位嚣控制环的性能出发，通过各种先进的控制补偿技 术提高伺服轴的动态性能，从而达到改善系统轮廓精度的目的；另一类是直接从改善机 床轮廓误差出发，文献 1 7 1 8 1 采用耦合轮廓补偿的办法，在不改变各轴位置环的情况 下通过向各轴提供附加轮廓信息补偿的办法，对二轴的进给运动进行协调，达到减小 一7 沈阳工业大学硕士学位论文 误差问题也表现了出来。要使路径误差变小必然要求其有大的加速度，而这又成了机械 系统发生更大振动的原因。这些技术并不是相互独立的，它们之间相互联系，相互制 约，相互促进，一个技术的进步取决于其他技术的发展。在这些方面，专家和学者做了 许多工作，现归纳如下： 1 3 1采用补偿技术 工程实践中，不容许单纯追求提高各部分元件性能，而应当依据现实条件，采取有 效补偿( 或称校正) 的办法。对系统进行补偿的方法很多，常用的有串联补偿、反馈补 偿、顺馈补偿、前馈补偿( 即复合控制) 、选择性反馈与顺馈等。除线性补偿外，还有非 线性补偿。只有充分掌握已有的补偿技术，不断地开发新的补偿技术，才能使我们设计 的伺服系统不断发展，推陈出新。 采用补偿技术方面，在数控加工中，除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补 偿等技术外，最近人们颇为注意热变形补偿 1 2 - 1 3 l 。电动机、回转主轴和传动丝杠的 发热变形会产生加工误差。文献 1 4 1 6 为减少热变形，传统的改善方法为使用绝热 材料、热平衡设计及加装冷却装置等硬件改善方法，虽然成效不错，却增加了制造 成本，而且开发周期长，容易使厂商失去快速、弹性的竞争能力。因此，很多专家 和学者都转向了第二种方法，即一方面采取减少热量，如采用流动油液对内装主轴 电动机和主轴轴承进行冷却，另方面则采取软件来实现热补偿技术，先在离线的 情况下，以切削实验方式建立热变形的误差模型，然后在在线运行时，实时补偿热 变形误差。 1 3 2前馈控制 随着高精度复杂型面零件加工的不断增长，轮廓精度已成为c n c 系统的重要精度 指标。c n c 系统的轮廓加工轨迹是多轴协调运动的合成结果，因此轮廓精度的提高涉 及到机床进给轴动态特性和参数匹配。目前在这方面进行的研究归纳起来可分为2 大 类，一类是从改善机床各进给轴的位嚣控制环的性能出发，通过各种先进的控制补偿技 术提高伺服轴的动态性能，从而达到改善系统轮廓精度的目的；另一类是直接从改善机 床轮廓误差出发，文献 1 7 1 8 1 采用耦合轮廓补偿的办法，在不改变各轴位置环的情况 下通过向各轴提供附加轮廓信息补偿的办法，对二轴的进给运动进行协调，达到减小 一7 沈阳工业大学硕士学位论文 误差问题也表现了出来。要使路径误差变小必然要求其有大的加速度，而这又成了机械 系统发生更大振动的原因。这些技术并不是相互独立的，它们之间相互联系，相互制 约，相互促进，一个技术的进步取决于其他技术的发展。在这些方面，专家和学者做了 许多工作，现归纳如下： 1 3 1采用补偿技术 工程实践中，不容许单纯追求提高各部分元件性能，而应当依据现实条件，采取有 效补偿( 或称校正) 的办法。对系统进行补偿的方法很多，常用的有串联补偿、反馈补 偿、顺馈补偿、前馈补偿( 即复合控制) 、选择性反馈与顺馈等。除线性补偿外，还有非 线性补偿。只有充分掌握已有的补偿技术，不断地开发新的补偿技术，才能使我们设计 的伺服系统不断发展，推陈出新。 采用补偿技术方面，在数控加工中，除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补 偿等技术外，最近人们颇为注意热变形补偿 1 2 - 1 3 l 。电动机、回转主轴和传动丝杠的 发热变形会产生加工误差。文献 1 4 1 6 为减少热变形，传统的改善方法为使用绝热 材料、热平衡设计及加装冷却装置等硬件改善方法，虽然成效不错，却增加了制造 成本，而且开发周期长，容易使厂商失去快速、弹性的竞争能力。因此，很多专家 和学者都转向了第二种方法，即一方面采取减少热量，如采用流动油液对内装主轴 电动机和主轴轴承进行冷却，另方面则采取软件来实现热补偿技术，先在离线的 情况下，以切削实验方式建立热变形的误差模型，然后在在线运行时，实时补偿热 变形误差。 1 3 2前馈控制 随着高精度复杂型面零件加工的不断增长，轮廓精度已成为c n c 系统的重要精度 指标。c n c 系统的轮廓加工轨迹是多轴协调运动的合成结果，因此轮廓精度的提高涉 及到机床进给轴动态特性和参数匹配。目前在这方面进行的研究归纳起来可分为2 大 类，一类是从改善机床各进给轴的位嚣控制环的性能出发，通过各种先进的控制补偿技 术提高伺服轴的动态性能，从而达到改善系统轮廓精度的目的；另一类是直接从改善机 床轮廓误差出发，文献 1 7 1 8 1 采用耦合轮廓补偿的办法，在不改变各轴位置环的情况 下通过向各轴提供附加轮廓信息补偿的办法，对二轴的进给运动进行协调，达到减小 一7 沈阳工业大学硕士学位论文 系统的轮廓误差的目的。对于轮廓加工系统，轮廓精度较单轴位置精度而言更直接影响 工件的加工精度，采用轮廓误差补偿技术则是提高系统轮廓加工精度的有效途径。 1 3 3改进插补算法 计算机数控系统的一个最基本的任务，就是根据被加工零件的外形轮廓尺寸以及精 度要求编制加工程序，计算出机床的各运动坐标轴的进给指令，分别驱动各运动坐标轴 产生协调运动，以获得刀具相对于工件的理想运动轨迹。在这个处理过程中，采用的是 插补法。所谓插补，即己知运动轨迹的起点、终点、曲线类型和走向，讦算出运动轨迹 所要经过的中制点坐标。伺服系统根据插补输出的中间点坐标值控制机床运动，走出预 定的轨迹。所生成的轨迹不仅能准确地描述所期望的路径，而且必须有很好的运动学型 面，使伺服系统能够平滑地运动。为了避免驱动器过载，或激起机械结构力学问题，必 须对加速度有一定的限制。除此之外，为保证切削载荷在一定的范围之内，也应该考虑 轴进给速率的问题。即为提高工件的表面加工精度，不应该有加速度或轴进给率的波 动。由此可见，在运动控制系统中，轨迹的生成对提高工件的加工精度起着重要的作用 口”饼。文献 3 1 3 2 】用神经元网络来完成插补运算。 1 3 4 智能化方法 传统的机床控制系统以精确数学模型为基础，对影响j j j h i 精度的因素如运动轴的进 给误差、刀具磨损、机床振动、工件热变形等进行了着重处理，实时补偿加工过程中各 种不确定因素的精度误差。但是这些不确定性，导致了运动控制决策完全是非线性的， 所以传统的补偿方法有很大的局限性，通常只是对个别显著影响加工精度的因子进行静 态补偿。为了能够使控制系统能从体系结构的高度支持对所有的不确定扰动实时动态补 偿，机床的运动控制需要采用全新的控制决策模型。一般认为，智能控制理论是构建此 决策模型的理论基础。文献 3 3 3 6 】提出了一种基于模糊神经网络的机床运动控制决策模 型，并对其功能、结构、训练算法等进行了深入的讨论。 1 4 课题的提出及意义 个时期以来，自动控制e 作者面临着如下两个方面的问题：一方面是控制对象愈 来愈复杂，存在着多种不确定性以及难以确切拙述的非线性特性；另一方面是对控制系 统的要求愈来愈高，迫切要求提高控制系统的智能化水平。智能控制具有很强的适应于 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 系统的轮廓误差的目的。对于轮廓加工系统，轮廓精度较单轴位置精度而言更直接影响 工件的加工精度，采用轮廓误差补偿技术则是提高系统轮廓加工精度的有效途径。 1 3 3改进插补算法 计算机数控系统的一个最基本的任务，就是根据被加工零件的外形轮廓尺寸以及精 度要求编制加工程序，计算出机床的各运动坐标轴的进给指令，分别驱动各运动坐标轴 产生协调运动，以获得刀具相对于工件的理想运动轨迹。在这个处理过程中，采用的是 插补法。所谓插补，即己知运动轨迹的起点、终点、曲线类型和走向，讦算出运动轨迹 所要经过的中制点坐标。伺服系统根据插补输出的中间点坐标值控制机床运动，走出预 定的轨迹。所生成的轨迹不仅能准确地描述所期望的路径，而且必须有很好的运动学型 面，使伺服系统能够平滑地运动。为了避免驱动器过载，或激起机械结构力学问题，必 须对加速度有一定的限制。除此之外，为保证切削载荷在一定的范围之内，也应该考虑 轴进给速率的问题。即为提高工件的表面加工精度，不应该有加速度或轴进给率的波 动。由此可见，在运动控制系统中，轨迹的生成对提高工件的加工精度起着重要的作用 口”饼。文献 3 1 3 2 】用神经元网络来完成插补运算。 1 3 4 智能化方法 传统的机床控制系统以精确数学模型为基础，对影响j j j h i 精度的因素如运动轴的进 给误差、刀具磨损、机床振动、工件热变形等进行了着重处理，实时补偿加工过程中各 种不确定因素的精度误差。但是这些不确定性，导致了运动控制决策完全是非线性的， 所以传统的补偿方法有很大的局限性，通常只是对个别显著影响加工精度的因子进行静 态补偿。为了能够使控制系统能从体系结构的高度支持对所有的不确定扰动实时动态补 偿，机床的运动控制需要采用全新的控制决策模型。一般认为，智能控制理论是构建此 决策模型的理论基础。文献 3 3 3 6 】提出了一种基于模糊神经网络的机床运动控制决策模 型，并对其功能、结构、训练算法等进行了深入的讨论。 1 4 课题的提出及意义 个时期以来，自动控制e 作者面临着如下两个方面的问题：一方面是控制对象愈 来愈复杂，存在着多种不确定性以及难以确切拙述的非线性特性；另一方面是对控制系 统的要求愈来愈高，迫切要求提高控制系统的智能化水平。智能控制具有很强的适应于 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 系统的轮廓误差的目的。对于轮廓加工系统，轮廓精度较单轴位置精度而言更直接影响 工件的加工精度，采用轮廓误差补偿技术则是提高系统轮廓加工精度的有效途径。 1 3 3改进插补算法 计算机数控系统的一个最基本的任务，就是根据被加工零件的外形轮廓尺寸以及精 度要求编制加工程序，计算出机床的各运动坐标轴的进给指令，分别驱动各运动坐标轴 产生协调运动，以获得刀具相对于工件的理想运动轨迹。在这个处理过程中，采用的是 插补法。所谓插补，即己知运动轨迹的起点、终点、曲线类型和走向，讦算出运动轨迹 所要经过的中制点坐标。伺服系统根据插补输出的中间点坐标值控制机床运动，走出预 定的轨迹。所生成的轨迹不仅能准确地描述所期望的路径，而且必须有很好的运动学型 面，使伺服系统能够平滑地运动。为了避免驱动器过载，或激起机械结构力学问题，必 须对加速度有一定的限制。除此之外，为保证切削载荷在一定的范围之内，也应该考虑 轴进给速率的问题。即为提高工件的表面加工精度，不应该有加速度或轴进给率的波 动。由此可见，在运动控制系统中，轨迹的生成对提高工件的加工精度起着重要的作用 口”饼。文献 3 1 3 2 】用神经元网络来完成插补运算。 1 3 4 智能化方法 传统的机床控制系统以精确数学模型为基础，对影响j j j h i 精度的因素如运动轴的进 给误差、刀具磨损、机床振动、工件热变形等进行了着重处理，实时补偿加工过程中各 种不确定因素的精度误差。但是这些不确定性，导致了运动控制决策完全是非线性的， 所以传统的补偿方法有很大的局限性，通常只是对个别显著影响加工精度的因子进行静 态补偿。为了能够使控制系统能从体系结构的高度支持对所有的不确定扰动实时动态补 偿，机床的运动控制需要采用全新的控制决策模型。一般认为，智能控制理论是构建此 决策模型的理论基础。文献 3 3 3 6 】提出了一种基于模糊神经网络的机床运动控制决策模 型，并对其功能、结构、训练算法等进行了深入的讨论。 1 4 课题的提出及意义 个时期以来，自动控制e 作者面临着如下两个方面的问题：一方面是控制对象愈 来愈复杂，存在着多种不确定性以及难以确切拙述的非线性特性；另一方面是对控制系 统的要求愈来愈高，迫切要求提高控制系统的智能化水平。智能控制具有很强的适应于 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 复杂环境和多目标控制要求的自学习能力并具有以任意精度逼近任意非线性连续函数 的特性。由此可见，智能控制理论和方法必定是全面提升机床运动控制性能的根本途 径。 为适应下一代高速、高精度加工的发展，研究、开发先进的伺服系统，对我国 的加工业的发展意义重大，我国在先进伺服系统的研究和开发方面，一直落后于 日，德，美等发达国家，例如，b 前国产的机床伺服系统采用的多为安川、西门子 等国外的产品。为在下一个世纪与国外公司共同竞争中国大市场，我们应该在引进 的同时，加强理论研究和新技术开发。 先进伺服控制器的研究和开发，对加工制造业的发展起到重大的影响和促进作 用。它不但可以应用到数控机床上，以提高精度和效率，而且可以应用到机器人和 自动弧焊等与生产生活密切相关的系统中，所以这方面的研究和应用将会给我们带 来巨大的经济和社会效益。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 2 基于神经元网络的最优预见控制器的设计 现代制造业的发展对数控伺服系统的控制速度和精度提出了更高的要求。在工业过 程控制中，p i d 控制是历史最悠久，生命力最强的控制方式。这主要是因为这种控制方 式具有直观、实现简单和鲁棒性能好等一系列优点。但是，在实际生产现场，由于条件 常常受到限制，比如缺乏有关仪器，不允许附加扰动和调试时间短等。因此p i d 参数的 整定往往难以达到最优状态。并且即使针对某一工作点获得了p 1 d 最优参数，由于工业 过程对象一般具有时变性，仍存在整个工作范围和保持长期工作最优的问题。针对上述 问题，已提出过多种自校正p i d 控制方法，但由于自适应控制是在被控对象为线性对象 的前提下进行研究的，面对工业过程的非线性对象，仍存在不尽人意之处。针对上述问 题，已提出过多种自校正p i d 控制方法，但由于自适应控制是在被控对象为线性对象的 前提下