直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制模式

 

 

 

　　高速和超高速加工要求數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)裝置具有極高的加、減速度性能，而且對(duì)伺服精度同樣提出了相當(dāng)高的要求。高速和高精度是矛盾的，往往難以同時(shí)得到滿足，但在直線伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中必須同時(shí)得到滿足，這就要求控制系統(tǒng)必須采取有效的控制策略抑制各種擾動(dòng)。一個(gè)成功的控制策略總是基于對(duì)對(duì)象模型結(jié)構(gòu)基本清楚的認(rèn)識(shí)，從某一具體對(duì)象的特性出發(fā)，針對(duì)產(chǎn)生擾動(dòng)的不同原因，采取相應(yīng)的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有效控制。在滿足主要要求的同時(shí)，兼顧伺服系統(tǒng)對(duì)指令的跟蹤能力和抗干擾能力。在直線進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)中采用的控制策略主要包括：

 

 

傳統(tǒng)的控制模式

 

　　在對(duì)象模型確定、不變化且為線性，操作條件、運(yùn)動(dòng)環(huán)境不變的情況下，采用傳統(tǒng)控制模式是一種有效的控制方法。傳統(tǒng)的控制模式包括pid反饋控制、解耦控制、smith預(yù)估控制算法等。其中pid控制算法是交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最基本的控制形式，控制應(yīng)用廣泛。smith預(yù)估計(jì)器與控制器并聯(lián)，對(duì)解決伺服系統(tǒng)中逆變器電力傳輸延遲和速度測(cè)量滯后所造成的速度反饋滯后影響十分有效，與其它控制算法結(jié)合，可形成更有效的控制策略。

 

　　現(xiàn)代控制模式

 

　　在高精度微進(jìn)給的加工領(lǐng)域，必須考慮對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化、各種非線性的影響、運(yùn)行環(huán)境的改變和干擾等時(shí)變和不確定因素，才能得到滿意的控制結(jié)果。因此，將現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于直線伺服電動(dòng)機(jī)的控制研究得到了控制專家的高度重視。

 

　　自適應(yīng)控制

 

　　自適應(yīng)控制大體可分為模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制兩種類型。模型參考自適應(yīng)控制是在控制器─控制對(duì)象組成的基本回路外，還建立一個(gè)由參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的附加調(diào)節(jié)電路。自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸出可以改變控制器的參數(shù)，或?qū)刂茖?duì)象產(chǎn)生附加的控制作用，使伺服電動(dòng)機(jī)的輸出和參考模型的輸出保持一致。自校正控制的控制回路，由辨識(shí)器和控制器設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)組成，辨識(shí)器根據(jù)對(duì)象的輸入和輸出信號(hào)，在線估計(jì)對(duì)象的參數(shù)，并以此估算作為對(duì)象的真值送入控制器的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，按設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果送人可調(diào)控制器，形成新的控制輸出，以補(bǔ)償對(duì)象的特性變化。對(duì)于直線伺服電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)變化緩慢的一類擾動(dòng)及其它外界干擾對(duì)系統(tǒng)伺服性能的影響，可以采用自適應(yīng)控制策略加以降低或消除。

 

　　滑模變結(jié)構(gòu)控制

 

　　滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是一類特殊的非線性系統(tǒng)，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)，即一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時(shí)變化的開關(guān)特性。利用不連續(xù)的控制規(guī)律不斷地變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，迫使系統(tǒng)的狀態(tài)在預(yù)定的空間軌線上運(yùn)行。最后漸進(jìn)穩(wěn)定于平衡點(diǎn)或平衡點(diǎn)允許的領(lǐng)域內(nèi)，即滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)。該控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)一旦進(jìn)入滑模狀態(tài)，便對(duì)控制對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)變化不敏感，無需在線辨識(shí)與設(shè)計(jì)，具有完全的自適應(yīng)性和魯棒性，因而在直線伺服系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。

 

　　魯棒控制

 

　　針對(duì)伺服系統(tǒng)中控制對(duì)象模型存在的不確定性（包括模型不確定性、降階近似、非線性的線性化、參數(shù)與特性的時(shí)變、漂移、外界擾動(dòng)等），設(shè)法保持系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性。h∞控制是其中較為成熟的方法，該方法是從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣出發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使系統(tǒng)由擾動(dòng)至偏差的傳遞函數(shù)矩陣的h∞范數(shù)取極小或小于某一給定值，并據(jù)此來設(shè)計(jì)控制器，對(duì)抑制擾動(dòng)具有良好的效果。

 

　　預(yù)見控制

 

　　預(yù)見控制不但根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)值，而且根據(jù)未來目標(biāo)值及未來干擾來決定當(dāng)前的控制方案，使目標(biāo)值與受控量間偏差整體最小。這是屬于全過程控制期間某一評(píng)價(jià)函數(shù)取最小值的最優(yōu)控制理論框架。預(yù)見控制伺服系統(tǒng)是在普通伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上附加了使用未來信息的前饋補(bǔ)償后構(gòu)成，它能極大地減小目標(biāo)值與被控制量的相位延遲，從而使預(yù)見成為伺服系統(tǒng)真正實(shí)用的控制方法。

 

　　智能控制模式

 

　　對(duì)控制對(duì)象環(huán)境與任務(wù)復(fù)雜的伺服系統(tǒng)宜采用智能控制方法。模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家控制是當(dāng)前比較典型的智能控制策略。其中模糊控制器，已有商品化的專用芯片，因其實(shí)時(shí)性好、控制精度高，在伺服系統(tǒng)中已得到應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從理論上講具有很強(qiáng)的信息綜合能力，在計(jì)算速度能夠保證的情況下，可以解決任意復(fù)雜的控制問題。但目前缺乏相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的硬件支持，在直線伺服中的應(yīng)用有待于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成電路芯片生產(chǎn)的成熟；而專家控制一般用于復(fù)雜的過程控制中，在伺服系統(tǒng)中的研究較少。