（测试计量技术及仪器专业论文）数控机床伺服系统智能测控算法研究.pdf

摘要摘要数控机床是当今机械加 中必不可少的重要设备，它的加工精度直接关系到产品质量。但是实际加工的过程是复杂多变的，由于其存在参数时变、负载扰动以及交流伺服电机本身的非线性、强耦合等不确定性因素，所以有必要对伺服系统的控制策略提出更高的要求。本文介绍了数控机床伺服系统的结构和分类，然后建立了伺服系统的数学模型，并在此基础上研究提高位茕伺服系统精度的模糊控制方法。首先提出一种新的位置控制算法，设计了常规模糊控制器代替传统的p i d 控制器，并在此基础上，设计了利用草个神经元在线调整常规模糊控制器的控制查询表的自适应模糊控制器，将神经元的自学习特性和模糊控制器能够充分利用人类知识的特性有机的结合起来，达到了比较满意的控制效果；为了解决摩擦力对伺服系统精度的影响这一问题，本文在分析摩擦力特性的基础上提出了一种基于智能控制思想的摩擦补偿方法，即基于自调整量化因子和规则因子的模糊控制器的摩擦补偿方法，克服了模糊控制器规则制定中的不确定性，从而提高了控制系统的鲁棒性，并通过增加积分环节的方法提高了系统的稳态精度；最后用v b 语言进行软件编程以实现部分算法。仿真结果表明，同常规模糊控制方法相比，这两种算法具有较高的控制精度和鲁棒性能。关键词伺服系统；自适应模糊控制器；神经元；位置控制；摩攘补偿些些叁堂兰兰堡圭堂笪兰苎a b s t r a c tn cm a c h 协ei si 1 1 d i s p e n s a b l ea n dc r i t i c a le q u i p m e n ti i lm o d e r nm e c h a i l i c a lm a c h i n i n ga n di t sm a c h i n m ga c c u r a c yh a sag r e a te 丘b c to nt h ep r o d u c t i o nq u a l i t y s h 他et h em a c h i n i 芏l gp r o c e s si sq u i t ec o m p l i c a t e da n dt h e r ea r em a n yf a c t o r se x e r t i n gi n n u e n c e so nt h ep r o c e s ss u c ha st r a n s i e mp a r a m e t e rv a r i a t i o n ，l o a dd i s t l l r b a n c e ，n o n 1 血e a r i t yo fa cs e r v os t e p m o t o ra n dh i g hc o u p l 迦a n d s oo 巩t h em o r ee 恐c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h es e r v os y s t e mi sr e q u e s t e d t h es t r u c t u r ea n dc l a s s i f i c a t i o no ft h es e r v os y s t e mf o rn cm a c h i l l ei sf i r s t 芦e s e n t e di nt h i sp a p e ra n d 也e nt h em 砒l e m a t i c a lm o d e lo ft h es e r v os v s t e mi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l 向五可c o m r o lm c t h o df o rp r o m o t i l l gt h ea c c u r a c yo fp o s i t i o n i n gs e r v os y s t e mi ss t u d i e d t h ep o s i t i o n i n gc o n t r o la l g o r i t h mi sf l r s tp i o p o s e d c o v e n t i o n a lf u z z yc o r 缱r o l l e r ，w h i c hr e p l a c e st r a d i t i o n a lp i dp o s i t i o nc o n n _ o u e r ，i sd e s i g n e d t h e f e f o r e t h es e l 仁a d 印t i v ef u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt h a to n - l i i l ea d j u s t sc o m r 0 1q u e r yt a b l eo fc o n v e m i o n a lf u z z yc o m r o u e lu s 协gs i n g kn e u r o n t h ec o n t f o l l e rc o m b i n e st h es i n 9 1 en e u r o nt h a tc a ns t u d yb yi t s e l fa n dt h ef u z z yc o n t r o l t h a tc a nt a l ( eg o o du s eo ft h eh u m a nk n o w l e 姑e t 士l i sm c t h o di 1 p r o v e st h ec h a r a c t e r i s t i co f t h es y s t e me 伍c i e m l y i no r d e rt os o l v et h ed r o b l e mo fh o wt ot a k ei n t oa c c o u n tt h ei n n u e n c eo f行i c t i o no nt h ea c c u r a c yo ft 1 1 es e r v os y s t e m ，丘i c t i o nc h a r a c t 盯i s t i ci sa n a l y z e df i r s t l ya n d 仔i c t i o nc o m p e n s a t i o n 印p r o a c hb a s e do nt h ec o n c e p to f 硫e l l i g e mc o m m li sp u tf o n v a r d t h i sm e t h o dc a nc o n q u e rt h ei n n u e n c eo ft h eu n c e r t a i l lr u l e sw h i c hi m p r o v et h er o b u s t n e s so ft h es y s t e m t h es t a t i cp r e c i s i o ni sh e i g h t e n e dt l l r o u g ha n m t e g r a lp a n f 协a l l yp a n i a la l g o r i t h mi sp r o 苷a m m e du s 吨t h e1 a n g u a g en 锄e dv b t h es i m u l a t i o nr e s u h si 1 1 d i c a t et h tt h e s et w oa l g o r “h n l sp o s s e s sh i g h e rc o m r o la c c l l r a c ya n dr o b u s tp c r f o r m a n c e 1 1摘要k e yw o r d ss e r v oc o n t r o l ：s e l f _ a d a p t i v e 如z z yc o m r o l ；n e u r o n ；p o s i t i o nc o m r o l ；f r i c t i o nc o m p e n s a t j o ni i i第1 章绪论第1 章绪论1 1 研究的意义和目的在数控机床的高精度伺服系统中，在控制对象参数时变以及存在摩擦等非线性因素影响下，仍能保持良好的动态特性和稳态跟踪精度，是伺服系统研究面临的一个重要问题。具有参数和规则自调整的模糊控制算法在本课题中的使用，解决了这一具有非线性、时变性、随机性与模糊性的复杂对象难以建立精确数学模型的问题，并且提高了伺服系统的性能，有效的降低了摩擦力对伺服系统精度的影响。1 2 模糊控制理论的发展概况1 2 1 模糊理论发展的历史回顾“模糊”( f u z z y ) 英语注释为“l i k ef u z z ”或“i n d i s t i n c t ”，即“绒毛状的”、“形状( 或轮廓) 不清晰的”，都有比喻为“轮廓变得含糊不清”之意。由于人类的思维是极其粗略的，语言表达是暧昧的，它的逻辑是定性的 1 】，毫不在乎地容纳着许多矛盾，因此“模糊概念”更适合于人们的观察、思维、理解与决策，也更适合于客观现象和事物的模糊性( 血z z i n e s s ) 。模糊数学和模糊控制的概念由美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h l 2 1 在他的f u z z ys e t s 、f u z z y a l g o r “h m 和a r a t i o n n a l ef o rf u z z yc o m r o l 等著名论著中首先提出的。模糊数学的引入，可将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而使对复杂系统作出合乎实际的、复合人类思维方式的处理成为可能，为经典模糊控制的形成奠定了理论基础。而模糊逻辑控制成为非线性系统建模和控制的一种有效的方法p 。1 ，在实际工程中得到了许多成功的应用。1 9 7 5 年，英国的k i i l g 及m a 瑚d a n i 利用模糊控制器控制一个反应炉搅1燕山大学工学硕士学位论文拌池的温度。1 9 7 6 年，荷兰学者k i c k e r t 等人通过模糊控制器”懈决了热交换过程中非线性、干扰、非对称增益特性和时滞的控制问题，收到了最佳p i 控制的效果。同年，英国学者t o n g 对压力容器内部的压力和液面进行模糊控制，控制的难点在于非线性、强耦合以及时间常数相差太大，而用模糊控制收到了较好的效果。此后，他发表了多篇模糊控制理论方面的文章，对于模糊控制的发展起了促进作用。1 9 7 9 年，英国的i j p r o c y k 和e h m a m d a i l i 研究一种自组织的模糊控制器n 这种控制器在控制过程中能不断地修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断完善。自组织模糊控制器的出现，标志着模糊控制器由低级向高级阶段发展的开始。自组织模糊控制器已经在一定程度上具有了“智能”，因此它属于“智能控制器”的范畴。1 9 8 4 年，美国推出“模糊推理决策支持系统”。8 0 年代末，在日本兴起的模糊控制技术是高科技领域的一次革命，其成果已被广泛应用于各个领域，使得日本的模糊控制理论研究和应用水平处于世界领先地位。与此同时，其它国家也不甘示弱，美国也投入了相当大的人力和财力，支持模糊控制理论与应用的研究。目前美国国家航天局( n a s a ) 正在考虑把模糊系统用于太空和航空系统【8 i 。国家原子能机构( i a e a ) 和国际工业应用系统机构( i i a s a ) 也准备在大型系统高速推理上应用模糊系统理论。在航天器空间对接的研究中，国外已经将模糊控制应用于绕飞和最后逼近阶段的控制，克服了难以建立精确数学模型的困难。在空间机器人的控制系统中应用模糊控制，使其对负载和工作条件的变化具有很强的适应性。我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快。1 9 7 9 年，北京控制工程研究所李宝绶、刘志俊应用模糊集合论设计出一类典型的模糊控制器，并对用模糊理论测辨系统的模型进行了研究。1 9 8 0 年，北师大汪培庄和上海铁道学院楼世博首先提出了模糊控制器的可响应性的概念。1 9 8 1 年，李宝绶对模糊动力系统进行了分析。在这期间，中国科技大学陈国权对模糊控制器算法进行了研究；北方交通大学宋大鹤对模糊控制器的数学模型和算法进行了分析；华中工学院邓聚龙研究了模糊控制的稳定性问题，后来他又对模糊量化控制律的某些代数特征进行了分析研究；中国科学院自动化所应行仁采用最大隶属度决策方法，对模糊逻辑控制器进行第1 章绪论了分析和仿真。近些年来，国内在工业过程控制中，尤其是在工业炉、窑的控制中应用模糊控制取得了不少成果。从以上介绍的部分有代表性的研究情况来看，模糊控制的理论研究和推广应用工作在我国已经有了一个良好的开端h 。模糊控制从诞生到现在仅仅经历了二、三十年的时间，就已在经济、医学、军事尤其是工业应用方面取得了巨大的发展1 0 j 。当前模糊逻辑已经被广泛应用于人们的生产和生活的各种领域，模糊逻辑得到了众多工程人员的欢迎，各种新应用、新产品层出不穷。相对于精确逻辑，模糊逻辑在工程应用上还具有如下特点：( 1 ) 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。( 2 1 控制系统的鲁棒性强，适于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。( 3 ) 以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。相比于神经网络，模糊逻辑建立在已经熟悉相关系统的专家基础上，更能充分利用现有的专家知识。f 4 1 控制推理采用“不精确推理”。推理过程模仿人的思维过程，由于介入了人类的经验，因而能够处理复杂系统。( 5 ) 模糊逻辑是柔性的。对于给定的系统，很容易处理以及直接增加新的功能，而不需要从头做起。易于与传统的控制技术相结合。模糊系统不需要替代传统的控制方法，在很多情况下，只是在原有的控制方法上做简单的修改。1 2 2目前存在的主要问题虽然经典模糊控制理论已在工程上获得了许多成功的应用，但目前仍处于发展过程的初级阶段，还存在大量有待解决的问题j ：( 1 ) 建立一套系统的模糊控制理论模糊控制理论研究还期待着坚实的、系统的、奠基性的内容，以解决模糊控制的机理和稳定性分析1 “、系统化设计方法及新型白适应模糊控制系统 1 3 、专家模糊控制系统、神经模3燕山大学1 学硕士学位论文糊控制系统 “1 和多变量模糊控制系统m 1 的分析和设计等一系列问题，以促进模糊控制理论的发展，从而建立一套严格的、系统的模糊控制理论。( 2 ) 深入进行模糊集成控制系统设计方法的研究随着被控对象f i 益复杂，往往需要两种或多种控制策略的集成，通过动态控制特性上的互补来获得满意的控制效果。现代控制理论、神经网络 1 6 理论与模糊控制的相互结合以及相互渗透，可构成所谓的模糊集成控制系统。对其建立一套完整的分析与设计方法也是模糊控制理论研究的一个重要方向。( 3 ) 模糊控制在非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的建立和推理算法的深入研究。( 4 ) 自学习模糊控制策略和智能化系统及其实现。( 5 ) 常规模糊控制系统稳态性能的改善。( 6 ) 把已经取得的研究成果应用到工程实际过程中，尽快转化为生产力。因此，需要加快简单、实用的模糊控制芯片、模糊控制装置以及通用模糊控制系统的开发与推广应用。1 2 3 模糊控制未来展望近半个世纪以来，世界科学技术领域中发展最快的两大部门被认为是计算机技术和自动化技术。而自动化技术今后面临的突出问题是既要继续发展自身的控制理论，又要在应用方面留下实实在在的成果。就此，模糊控制将有得天独厚的优势。并且，模糊控制一模糊专家系统一模糊控制工程将发展为构成未来系统“人类友好系统”( h u r n a n - f r i e n d l ys y s t e m )的重要途径。在不久的将来，模糊专家系统将会在外汇兑换交易支持系统、图像识别、自然语言解释系统、自治式机器人、设各管理、医疗诊断、经营支持、安全评价等众多领域中得到普及，前景十分光明。13 数控机床在线检测系统的组成在线检测系统分为两种情况，一种为直接调用基本宏程序，而不用计算机辅助：而另一种则要自己开发宏程序库，借助于计算机，编制系统，随时生成检测程序，然后传输到数控系统中。4第1 章绪论以上两者区别在于数控系统是否与计算机系统相互通讯。将计算机加入数控加工中心在线检测是对数控机床测头在线检测系统有益和强大的补充。利用计算机强大的计算、存储和开发能力，可通过软件技术提高自动检测的精度、效率和可操作性，实现测量过程和测量结果的可视性，使数控机床在线检测技术提高到新的水平。数控机床的在线检测系统由软件部分和硬件部分组成，其软件部分由测量宏程序库和计算机在线检测系统组成，硬件部分则由以下部分组成：( 1 ) 数控加工中心机械本体加工中心的机械本体足实现加工、检测的基础，其工作部件是实现所需基本运动的部件，它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。( 2 ) 加工中心数控系统加工中心一般都采用c n c 数控系统，其主要特点是输入存储、数控加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来是实现，能增加很多逻辑电路难以实现的功能。计算机与其他装置之间可通过接口设备连接，当控制对象或功能改变时，只需改变软件和接口。c n c 系统一般由中央处理存储器和输入输出接口组成，中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。( 3 ) 伺服系统伺服系统是加工中心的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速( 或位置) 伺服控制。伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。( 4 ) 测量系统测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控加工中心在线检测系统中的关键部分，直接影响着在线检测的精度。其中关键部分为测头，常用测头一般有接触式和非接触式。测头测量时与被测工件表面接触的为接触式测量，否则为非接触式测量。由于表面粗糙度及其他因素对测微测头的影响，在未来相当长时间内，采用触觉测量装置仍将是与零件相联系的最精确的测量方式。接触式测头分为硬测头和软测头两类。硬测头主要用于手动测量和精度要求不高的场合，而软测头是目前三坐标测量机和数控机床在线检测系统普遍使用的测量头。软测头主要有三维测微测头和触发式测头两种。其中触发式测头具有造价低、容许超程量大、结构坚固、工作安全性高、抗干扰能力强、在机5燕山大学工学硕士学位论文床环境中耐用和可靠性好等优点，在实际检测过程中得到了普遍应用。在机床上使用测头进行在线检测测量，可方便工件的安装调整，大大缩短辅助时间，提高生产效率；可在加工过程中进行尺寸测量，可根据测量结果自动修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机的某种功能。( 5 ) 计算机系统加工中心在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控程序的生成、检测过程的仿真及与加工中心通讯等功能。在线检测系统对计算机并无特殊要求，只要计算机有能力完成在线检测系统所需要进行的测量结果和补偿即可。1 4 课题研究的主要内容本课题针对数控机床伺服系统的特点，主要研究位置控制器的智能控制算法。具体工作如下：( 1 ) 对数控机床伺服系统建立数学模型。( 2 ) 设计通过神经元调整模糊规则查询表的自适应模糊控制器作为伺服系统的位置控制器。( 3 ) 设计量化因子、规则因子可调的自适应模糊控制器以有效地补偿伺服系统所受到的摩擦力。( 4 ) 通过仿真结果分析模糊控制器的性能，选取合适的控制参数。( 5 ) 以p c 机为平台，使用v b 语占对部分控制算法进行程序设计。6第2 章数控机床的伺服系统第2 章数控机床的伺服系统在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自c n c 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动”】。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。在现有技术条件下，c n c 装最的性能已相当优异，并正在迅速向更高水平发展，而数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，往往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能。数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。可见提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之。2 1 数控机床概述国际信息处理联盟( i n t e r r l a t i o n a lf e d e r a t i o no fl n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，即i f i n 第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一个装有程序控制系统的机床( 参见图2 1 1 ，浚系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。定义中所指的程序控制系统，就是所说的数控系统。数控系统一般包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动及进给驱动装置等部分。图2 1 数控机床构成示意图f i g ，2 - 1t h es t r u c t u r eo f n cm a c h i n e7燕山大学工学硕二 学位论文数字控制是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数字化的信息实现机床控制的一种方法。数控系统能逻辑地处理具有使用号码，或者其它符号编码指令规定的程序。数控系统是一种控制系统，它能自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。2 1 1 数控机床的优点数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。( 1 ) 提高生产率数控机床能缩短生产准备时问，增加切削加工时间的比率。( 2 ) 稳定生产质量采用数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。能按照程序自动加工不需要人工干预，而且加工精度还可以利用软件进行校正及补偿。因此，可以获得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。( 3 ) 有广泛的适应性和较大的灵活性通过改变程序，就可以加工新品种的零件，能够完成很多普通机床难以完成，或者根本无法加工的复杂型面的零件的加工。( 4 ) 可以实现一机多用些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积。( 5 ) 提高经济效益可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。( 6 ) 不需要专用夹具采用普通的通用灾具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具的设计制造和存放费用。( 7 ) 大大地减轻了工人的劳动强度2 1 2 数控装置的功能数控装置是数控机床的核心。现代数控机床都采用计算机数控装置，即c n c 装置。它包括微型计算机的电路、各种接口电路、c r t 显示器、r第2 章数控机床的伺服系统键盘等硬件以及相应的软件。数控装置能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。它具备的主要功能如下：( 1 ) 多坐标控制( 多轴联动) 。( 2 ) 实现多种函数的插补( 直线、圆弧、抛物线等) 。( 3 ) 多种输入功能( 人机对话、手动数据输入、由上级计算机及其它计算机输入设备的程序输入) ，以及编辑和修改功能。( 4 ) 信息转换功能：e 越i s 0 代码转换，英制公制转换，坐标转换，绝对值增量值转换，计数制转换等。( 5 ) 补偿功能：刀具半径补偿，刀具长度补偿，传动间隙补偿，嫘距误差补偿等。( 6 ) 多种加工方式选择：可以实现各种加工循环，重复加工，凹凸模加工和镜像加工等。f 7 ) 具有故障自诊断功能。f 8 ) 显示功能：用c r t 可以显示字符、轨迹、平面图形和动态三维图形。( 9 ) 通讯和联网功能。2 _ 2 数控机床的伺服系统简述数控机床的伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速控制或主轴位置伺服控制。伺服系统及主轴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。例如，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伺服系统及主轴位镫控制系统的动态与静态性能。因此，研究与升发高性能的伺服系统及主轴位置控制系统，一直是研究机床的关键技术之一。机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有：( 1 ) 能够克服摩擦力和负载i ”j ，当数控机床在机械加工中最大切削力为2 0 0 0 0 n 3 0 0 0 0 n 时，电机轴上的转矩需要1 0m n 4 0m n 。0燕山大学t 学硕士学位论文( 2 ) 很小的进给位移量，目前最小分辨率为o 1 啪。( 3 ) 高的静态扭转刚度。( 4 ) 足够的调速范围电机的最大转矩由快进速度决定，目前快进速度通常为l o “m i n 1 2 州m i n ，快进速度达2 4 州m i n 已应用于生产中。( 5 ) 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象。在动态设计方面的要求有：( 1 ) 具有足够的加速和制动转矩，以便快速地完成启动和制动过程。目前带有速度调节的伺服电机其响应时间通常为2 0m s 1 0 0m s ；在整个转速范围内，加速到快迸速度或对快进速度进行制动需要转矩2 0n m 2 0 0n m ；而在换向时加速到加工迸给速度需要转矩1 0 n n 卜1 5 0 n m 。驱动装置应能在很短的时间内达到4 倍的额定转矩。f 2 1 具有良好的动态传递性能以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量。( 3 ) 负载引起的轨迹误差尽可能小。数控系统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和切削进给运动，后者控制机床主轴的旋转运动。驱动系统是由驱动部件f 例如交、直流电动机) 、检测元件和控制单元所组成。它的职能是提供切削过程中需要的转矩和功率，可以任意调节运动速度。数控机床的执行单元又称为驱动单元，它把低能量的电信号加以功率放大并转换成机械运动。在数控机床中，尽管大部分能量供主轴驱动使用，但一般谈论的重点是进给驱动，也就是工作台的运动，因为工作台的驱动是构成闭环伺服机构的一个主要部分，并直接影响到系统品质。在数控机床上使用的伺服系统，通常按执行单元来进行分类，这也说明执行单元系统性能的重要作用。根据机械加工的特点，对进给驱动有如下要求：( 1 ) 调速范围宽转速在较大范围内有良好的稳定性。一般速比应大于1 ：1 0 0 0 0 ，当速度低达o 1 r m i n 时仍应有平稳的速度；( 2 ) 负载特性硬切削中受负载冲击时，系统的速度应基本不变。即使在低速时，也应有足够的负载能力；1 0第2 章数控机床的伺服系统( 3 ) 反应速度快反应速度直接影响到系统品质，对电动机来说，要求转速从零升到1 5 0 0r m m 时，需时0 2s 以内( 角加速度达4 0 0 0r a d s ) ；2 3 位置伺服系统数控机床的位置伺服系统的一般结构如图2 2 所示：一蠹燕山大学工学硕士学位论文液压缸及位置检测与反馈控制等各部分组成。该系统的优点是功率大，响应快，低速性能好，传动刚度和精度也比较好；缺点是占地面积大，噪声大，效率较低，对油的质量要求较高。全电气的伺服系统，又有直流和交流之分。直流伺服系统，从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代中期在数控机床上占据主导地位。当时的d c 大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强。由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当，因而构成闭环后易于调整。为了适应一部分数控机床频繁起动、制动及快速定位的要求，又发展了直流中小惯量的伺服电动机和大功率晶体管脉宽调制( p w m ) 驱动装置。到了8 0 年代以后，由于a c 伺服电动机的材制、结构、控制理论及方法均有突破性的进展，使a c 驱动及伺服系统发展很快，有逐渐取代d c 系统的趋势【2 1 。a c 系统的最大优点是a c 电动机不需要维修，制造简单，适合在较恶劣的环境中使用。a c 伺服系统向数字化方向发展是适应高速、高精度加工的需要。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。数字化的软件伺服是当今的发展趋势。2 4 交流伺服系统交流伺服系统出伺服电动机和伺服驱动器两部分组成。电动机主体是永磁同步式或笼型交流电动机，伺服驱动器经常采用电流型脉宽调制( p w m ) 三相逆变器和具有电流环为内环、速度环、位置环为外环的多闭环控制系统，其外特性与直流伺服系统相似，以足够宽的调速范围f l ：1 0 0 0 1 ：1 0 0 0 0 ) 和四象限工作能力来保证它在伺服控制中的应用。目前常将交流伺服系统以它的电动机分为两大类：( 1 ) 同步型交流伺服电动机；( 2 ) 异步型交流伺服电动机。绝大多数用于机床数控进给控制的是采用同步型交流伺服电动机。这种伺服电动机通常有永磁转子，故又称为永磁交流伺服电动机，以区别于12第2 章数控机床的伺服系统异步型交流伺服电动机。永磁交流伺服系统是综合了伺服电动机、角速度和角位移传感器的最新成就，采用新型功率开关器件、专用集成电路和最新的控制算法的交流伺服驱动器，与之相匹配组成一种新型高性能的机电一体化倒服系统。永磁交流伺服系统采用机电一体化设计，将特殊设计的永磁同步电动机同轴安装转子位置传感器，应用特殊的控制方法，将同步电动机改造为具备与直流伺服电动机相类似的伺服性能。同步型交流伺服电动机是一台机组，一般由下列几部分组成：永磁同步电动机、转子位置传感器、速度传感器。如果系统有位置控制要求时，还应当有从位置环反馈信息的位置传感器。它们通常是机械同轴连接成一体组成机组。如果用户需要还可安装安全制动器，其作用是，正常状态下，在一规定电压( 通常是直流电压) 作用下制动器释放，电动机可运转。旦出现停电事故，制动器动作，将电动机“抱住”，强迫电动机停转。对于大功率伺服电动机，有时还要附有强迫冷却的风机。目前已有的产品中，各部分电气连线均采用连接插座引出，并采用全密封结构型式。永磁伺服交流电动机和它的伺服驱动器组成一个伺服系统。典型的交流伺服系统是一个速度闭环系统。伺服驱动器从主令控制系统接受“。电压范围变化的速度指令信号。这个直流电压“n m 。通常是1 0 v 左右，代表系统的最高转速。当速度指令电压从一“。变化到o 再变化到+ “。时，伺服电动机可实现从反向最高转速变到零转速，然后增加到正向最高转速。在动态控制过程中，电动机的转矩和速度方向均能改变，包括转矩和速度方向相反的控制状态在内，故又称为象限控制。这些外部特征与直流伺服系统是完全相同的。和常规直流伺服驱动器相似，它是一个多闭环系统，通常有速度环和电流环，实现对三相永磁同步伺服电动机的控制。永磁同步交流伺服电动机与直流伺服电动机相比，其突出优点是：n ) 具有高可靠性。用电子逆变器取代了直流电动机换向器和电刷的机械换向，工作寿命主要由轴承决定。( 2 ) 维护保养要求低。直流伺服电动机必须定期清理电刷、更换电刷和打扫换向器。而交流伺服电动机是无换向器电动机，无此项维护保养要求。13燕山大学工学硕士学位论文f 3 ) 电动机主要损耗是在定子绕组和铁心上，散热容易，且便于在定子槽内安放热保护传感元件。而直流伺服电动机损耗主要在电动机转子电枢上，散热困难，部分热量经电动机轴传给负载( 如机床的丝杠) ，对负载产生不良影响。( 4 ) 车 子转动惯量小，提高了交流伺服系统的快速性。f 5 ) 转子结构允许电动机高速工作。f 6 1 在相同功率下交流伺服电动机有较小的重量和体积。f 7 ) 交流伺服系统可工作于无电源变压器方式，该方式采用耐高压功率器件即可。而直流伺服系统的电动机受其揿向器片间电压的限制，不宜工作于较高电压。交流伺服系统保留了一般直流伺服系统的优点而克服了某些局限性，特别适用于一般直流伺服系统不能胜任的工作环境，如宇宙飞船、人造卫星等，也可用于存在腐蚀性、易燃易爆气体、放射性物质的场所，在水下机器人、喷漆机器人和移动机器人中也可作为理想的执行元件。转速从零升到1 5 0 0 “m i n 时，需时0 2 s 以内( 角加速度达4 0 0 0r a d s ) 。2 5 伺服系统数学模型的建立2 5 1机床数学模型的建模方法在分析和设计机床的调节系统时，第一一步就是建立被研究系统的数学模型。建立数学模型的方法通常有解析法和实验法。用解析法获得系统的数学模型是比较困难的，而且还必须做许多工程上的简化。另外，尽管数学模型的解析求解过程是严谨的，但是由于数学模型本身是在某些理想化的条件f 建立的，实际情况如何，还需要用实验的方法加以验证和修改；相反，用实验法确定系统的数学模型则比较简单，在解决简单的实际问题时很有用。不过在理论分析和研究时，解析法具有优越性【2 。实验法是根据实验获得的输入输出信号来确定系统的数学模型。在这种意义二，可以称此为系统辨识。系统辨识有两种情况：一种是对系统完全无知，这就要采用所谓的黑盒子辨识的方法；另一种是对系统有一定的1 4第2 章数控机床的伺服系统了解，通过辨识来确定系统的模型。数控机床的系统辫识通常属于后一种。2 5 2 进给伺服系统的数学模型图2 3 为数控机床半闭环位置伺服控制系统结构图。由于丝杠螺距误差以及受载后丝杠、轴承变形等影响，半闭环对检测结果的校正并不完全，控制精度比闭环要低一些。根据自动控制的原理可知，工作台是一个质量元件，传动机构因为有变形，可视为弹性元件，两者构成一个低阻尼振荡环节】。半闭环不包含这个环节，一般不会引起进给振荡；而闭环若参数选取不当，则有可能产生不稳定。型i 刘2 3 半闭环位置1 日服控制框图f i g 2 3d i a 掣a mo fs e m i 一1 0 0 p e dc o n t r o ls t r u c t u r e为了研究问题的方便，可将速度伺服单元等效为一阶惯性环节2 4 】：盟：上1u 删d ( s )互s + 1式( 2 1 ) 中：k ，为速度伺服单元增益( r a d ( s v ) ) ；正为速度伺服单元时间常数，它对应在给定的电压u 训下电机转速日达到稳态值的6 3 2 时所对应的时间。通过实验测定，在带载无切削条件下本系统正。8 0m s ，而且输出响应基本符合一阶惯性环节。由图2 3 的半闭环位置伺服系统可得图2 4 所示数控机床位最伺服控制模型。图中：r ( t ) 、y ( t ) 分别为给定位置和实际位置反馈；d c ( z ) 为位置控制器，z o h 为零阶保持器；k 。为d a 转换增益：髟为位置反馈增益。结合实际系统各参数值确定如下：采用1 2 位数模转换器，满量程为1 v ，所以燕山大学上学硕士学位论文如= 去= za 枷4 打采用3 0 0 0 线转编码器，又经电子四倍频器，故瓦。= 4 3 0 0 0 2 丌= 1 9 1 0 3 r “df 2 2 1f 2 - 1 1f i g 2 - 4u 面tf e e d b a c kc o n t r o jd i a g r a mo f c n cp o s j t i o ns e r v os y s t e m根据伺服单元有k = 2 0 0 0 ( ，m i n 。) 7 y = 3 0 例( s 矿)( 2 4 )带 ：零阶保持器的对象离散传递函数为啡心l 竿志卜z l z l 志卜等等f 2 5 1式中：k = 世k l k r ，丁= 五d = k f i 一7 1 + 死7 x 7 7 )6 = k ，一( r + f ) e 一玎卢f = 一f l + p 一码7 71d = p 一门将t s = 0 0 0 8 s ，t = o 0 8 s ，k = 1 3 7 带入得o 0 5 k 一1 + n 0 0 5 k 。2f 两函面瓣r 2 6 1第2 章数控机床的伺服系统2 6 本章小结本章首先定义了数控机床的概念并简要介绍数控机床伺服系统的结构，然后从两个角度：位置伺服系统、交流伺服系统对系统进行了详细的介绍，并举例说明了系统数学模型的建立。1 7燕山大学工学硕士学位论文第3 章数控机床伺服系统位置控制算法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最控制系统，一直是研究数控机床的关键技术之- i ”】目前数控机床位置伺服控制仍然普遍应用经典控制方法，如比例型或比例一积分型等算法，其优点是算法简便、易于实现，但存在着控制参数适应性差、抗干扰能力不强等缺陷。为了适应制造业对高效率地生产高质量产品目标的追求以及对形状愈来愈杂零件的加工需要，要求不断地改善与提高位置伺服系统的稳态精度、动态响应特性、对系统参数变化的自适应性和抗干扰性，因而采用并发展先进的控制技术是一种必然趋势。但是，目前提出的诸多控制算法 2 6 0 ”与实际应用尚有较大差距，主要表现在：( 1 ) 受算法计算量等限制，难以满足控制的实时性要求；( 2 ) 控制理论在参数设计及稳定性分析等方面不完善；( 3 ) 建模误差对控制品质的限制。本文利用神经网络的自学习功能，设计了一种基于自适应模糊控制器的控制算法，取得了较好的控制效果。3 1 常规模糊控制器经典控制理论对于解决线性定常系统的控制问题是很有效的；基于状态变量描述，现代控制理论可有效解决非线性时变多输入一多输出系统的控制问题口“。然而无论是经典控制理论还是现代控制理论都要事先知道被控对象的精确数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统的设计。可是，在许多情况下被控对象( 或生产过程) 的精确数学模型很难建立。例如，水泥窑，化工生产中的化学反应过程，炼钢炉的冶炼过程等。因为这些被控对象或生产过程中的变量多，各种参数叉存在不同程度的时变性，且具有非线性和强耦合的特点，因此建立这类过程的精确数学模型很困难，难以实现自动控制。与此相反，对于上述难以自动控制的过程，有经验的操作工人进行手动控制却取得了令人1r第3 章数控机床伺服系统位置控制算法满意的效果。于是人们开始研究能否对无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行控制决策。模糊集合和模糊控制的基本概念是由美国加利福尼亚大学的著名教授l a z a d e h 在其f u z 剁s e t s 、f u z z va l g o r i t h m 和ar a t i o n a l ef o rf u z z vc on 1 1 r 0 1 等著名论著中首先提出的。在随后的几十年，模糊控制在工业的许多领域得到了广泛的应用。模糊控制的基本思想是将操作人员的控制经验用具有模糊含义的语言变量加以描述，用一组条件语句构成控制规则以及相应的模糊推理，最终通过模糊决策得到精确控制量，使对复杂系统做出合乎实际的、符合人类思维方式的处理成为可能。它对于无法得到被控对象精确数学模型或系统具有较强非线性的控制过程将会取得较好的控制效果1 2 ”。从线性和非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；同时，模糊控制也属于智能控制的范畴，而且它已经成为目前智能控制的一种重要和有效的形式。尤其是目前模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理沦等新学科的融合，正在显示出其巨大的潜力。3 1 1 模糊控制系统3 1 1 1模糊控制系统的组成模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是智能型的模糊控制器。模糊控制系统的基本结构与原理如图3 一l 所示。从图中可见，模糊控制系统一般由以下五个部分组成：r 知识库卜给塞铷俪卜赢i 赢矗卜懦薪m 赢h 丽丽m 丽藏l一。“一图3 】模糊控制系统原理框图f i g 3 一】s c h e m a t i cd j a 目a mo f f u z z yc o m r o l l j n gs y s t e m( 1 ) 模糊控制系统的核心部件为模糊控制器模糊控制器是模糊控制1 9燕山大学工学硕：王二学位论文系统的核心部分，也是和其它控制系统区别最大的环节。模糊控制器由四个撼本部分组成：模糊化：即把输入的精确量转化为模糊量。输入信号映射到相应论域上的一个点后，将其转化为该论域上的一个模糊子集。知识库；知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的目标，通常由数据库和模糊规则库两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，尺度变换因子和模糊空间的分级数等；规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识。模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。解模糊化：作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际可用于控制的精确量，它包括两部分内容：一是将模糊的控制量经解模糊变换变成表示在论域范围的精确量；二是将表示在论域范围的精确量经量程转换变成实际的控制量。( 2 ) 输入输出接口装置在实际系统中，多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量，因此模糊控制器需要通过模数( 刖d ) 转换从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器的输出控制量经数模( d a ) 转换为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。( 3 ) 被控对象可以是线性或非线性的、定常或时变的，也可是单变量或多变量，以及具有强耦合和干扰等多种情况。一般而言，对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，适宜选择模糊控制。( 4 ) 执行机构可以是电气的，电动机等，也可为气动和液压的，等。如交、直流电动机，伺服电动机、步进如各类气动调节阀和液压马达、液压阀( 5 ) 传感器由于被控制对象往往为温度、压力、速度、流量等非电量，需要通过传感器将其转化为数字或模拟的电信号。传感器的精度直接影响2 0第3 章数控机床伺服系统位置控制算法控制系统的精度，因此要求其精度高、稳定性好。3 1 1 2 模糊控制系统的基本工作原理模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，实现一步模糊控制算法的过程是这样的：计算机经过中断采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定量比较得到误差信号e 的精确量，把误差信号e 的精确值进行模糊化变成模糊量，误差e 的模糊量可用相应的模糊语言表示。至此，得到了误差e 的模糊语言集合的一个子集e ，再由e 和模糊关系r 根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u 为 ，= 。月f 3 - 1 1式( 3 1 ) 中u 为一个模糊量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要通过非模糊化处理将模糊量u 转换为精确量，得到精确的数字控制量