一種新型的用于滾珠絲杠進給系統(tǒng)的抗擾跟隨控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于滾珠絲杠進給系統(tǒng)高速高精控制的抗擾跟隨控制器結(jié)構(gòu)，具 有算法簡單、控制參數(shù)物理意義明確且易調(diào)試等特點和具有較好的跟隨性能、較高的抗干 擾能力、較強的魯棒性等優(yōu)點。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于滾珠絲杠進給系統(tǒng)具有高剛性、高傳動精度、對切削力和工件質(zhì)量變動的低 靈敏度和高性價比等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代的數(shù)控機床中。隨著對工件加工質(zhì)量和加 工效率要求的提高，對進給系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求：不僅具有較高的瞬態(tài)和 穩(wěn)態(tài)跟隨精度，還必須具有較好的抗干擾能力和對高頻建模不準(zhǔn)確、參數(shù)變動（負(fù)載質(zhì)量） 等的魯棒性。
[0003] 為了獲得較高的跟隨精度，進給系統(tǒng)就必須具有較高的控制帶寬，但是機械結(jié)構(gòu) 的第一階共振頻率影響了其控制帶寬的提高。到目前為止，很多控制策略被提出用來抑制 機械結(jié)構(gòu)的共振，其中包括運動指令及控制信號的輸入整形和陷波濾波器等。陷波濾波器 雖然能有效抑制機械系統(tǒng)的共振，但不能消除外部干擾對機械系統(tǒng)的激勵作用，而且在一 定程度上會減小控制系統(tǒng)的相位裕度，影響其穩(wěn)定性。此外，Hm控制、極點配置控制、滑模 控制以及預(yù)測控制等先進的控制策略也被用于進給系統(tǒng)的主動振動抑制，從而允許其控制 帶寬的增加。但是這些控制方法算法比較復(fù)雜、控制參數(shù)調(diào)試?yán)щy或者依賴于系統(tǒng)的精確 模型，因此應(yīng)用性比較差。
[0004] 自抗擾控制技術(shù)是由中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究所系統(tǒng)所的韓京清研究員 及其領(lǐng)導(dǎo)的科研小組提出的。自抗擾控制是在深入認(rèn)識經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論各 自優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，保留并發(fā)揚經(jīng)典PID控制"基于誤差消除誤差"的思想精髓，借鑒現(xiàn)代 控制理論中狀態(tài)觀測器的思想發(fā)展而來的，其核心是將未建模動態(tài)和未知外擾總稱為對象 的總擾動，利用擴張狀態(tài)觀測外進行實時的評估與補償，從而實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的反饋線性化， 再利用非線性配置構(gòu)成的非線性反饋控制率或者線性反饋控制率來提高閉環(huán)系統(tǒng)的控制 性能。由于自抗擾控制具有基本不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型、較高的抗擾性、較強的魯棒性和 較好的控制性能等優(yōu)點，因此本發(fā)明在以前專利"一種進給系統(tǒng)雙位置環(huán)反饋的抗擾控制 器"（【申請?zhí)枴?01410374191. 1)的基礎(chǔ)上利用自抗擾的思想設(shè)計了一種新型的抗擾跟隨控 制器結(jié)構(gòu)，主要用于滾珠絲杠進給系統(tǒng)高速高精控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明專利的目的在于，實現(xiàn)了一種滾珠絲杠進給系統(tǒng)的抗擾跟隨控制器結(jié)構(gòu)， 主要用于進給系統(tǒng)高速高精控制。此控制方法具有算法簡單、控制參數(shù)物理意義明確且易 調(diào)試等特點和具有較高的控制帶寬、較高的抗干擾能力、較強的魯棒性等優(yōu)點。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案：
[0007] -種新型的滾珠絲杠進給系統(tǒng)的抗擾跟隨控制器，所述控制器包括等效誤差模型 前饋控制器、負(fù)載位置控制器、電機位置狀態(tài)觀測器、電機位置控制器和摩擦補償控制器：
[0008] 所述的等效誤差前饋控制器利用負(fù)載參考位置&和等效誤差模型得到誤差前 饋補償指令xfe，并與負(fù)載參考位置&相加形成新的負(fù)載位置指令Xy
[0009] 所述的負(fù)載位置控制器利用負(fù)載位置指令&與負(fù)載實際誤差e的比例積分值X% 之和通過電機位置指令生成器匕，再加上負(fù)載實際誤差的比例值導(dǎo)到電機位置控制指 令Xmr;
[0010] 所述的電機位置狀態(tài)觀測器利用輸入電機控制量U和電機的等效直線位置xM，評 估得到電機等效直線位置的評估值Zi、電機等效直線速度的評估值z2以及電機位置反饋環(huán) 的總擾動Z3;
[0011] 所述的電機位置控制器利用電機位置控制指令與電機實際位置之間的誤差eM1 及其微分誤差eM2設(shè)計比例微分反饋率，得到電機位置的控制量u。；
[0012] 所述摩擦補償控制器利用負(fù)載參考位置指令的微分\和摩擦力模型f(v)得到摩 擦力補償量f。
[0013] 優(yōu)選的，所述的電機位置狀態(tài)觀測器通過線性擴張狀態(tài)觀測器LES0利用輸入電 機控制量u和電機的等效直線位置xM，評估得到電機等效直線位置的評估值Zi、電機等效 直線速度的評估值Z2以及電機位置反饋環(huán)的總擾動Z3，其算法如下：
[0014]
[0015] 式中，b。表示電機位置反饋環(huán)中被控對象的控制增益，βuβ2,β3為觀測器的增 益，通過合適的選擇，使得< 4/，f為進給系統(tǒng)的總擾動，利用極點配 置的方法，把狀態(tài)觀測器的極點都配置在_ωΜ。處，因此=3以=3以,
[0016] 優(yōu)選的，所述的電機位置控制器利用電機位置指令信號經(jīng)過微分處理產(chǎn)生電 機速度指令信號，并與線性擴張狀態(tài)觀測器LES0得到的電機等效速度的評估值Ζ2相減得 到電機速度誤差信號eM2;利用電機位置指令信號X"減去線性擴張狀態(tài)觀測器LES0得到的 電機等效位置的評估值ZJ#到電機位置誤差信號eM1，進而設(shè)計線性反饋率得到電機位置 的控制信號u。;電機位置的控制信號u。減去線性擴張狀態(tài)觀測器LES0得到電機位置反饋 環(huán)的總擾動Z3，并經(jīng)過具有參數(shù)化放大系統(tǒng)Ι/b。的比例放大環(huán)節(jié)得到輸入電機的控制量u， 其中線性反饋率算法如下：
[0017] u〇=KpeM1+KdeM2
[0018] 式中，&，1^表示控制器增益，利用極點配置的方法，將控制器的所有極點配置 在-ωΜ。，故A：. =2>,,，其中ωΜ。表示控制器帶寬，ζ表示阻尼比。
[0019] 優(yōu)選的，所述的負(fù)載位置控制器利用負(fù)載位置指令^減去負(fù)載實際位置^得到 負(fù)載位置實際誤差e，并對負(fù)載位置實際誤差e進行積分、比例得到比例積分值X%，將比例 積分值與負(fù)載位置指令^相加得到新的負(fù)載位置指令XΜ負(fù)載位置指令Xm通過電 機位置指令生成器匕得到電機位置指令x?，并與負(fù)載實際誤差e的比例（2.2)相加得到新 的電機位置指令，電機位置指令生成器可表示為：
[0020]
[0021] 式中，]^表示辨識的滾珠絲杠進給系統(tǒng)等效雙質(zhì)量模型中的負(fù)載側(cè)的等效質(zhì)量，k 表示辨識的等效剛度，c表示等效的粘性阻尼。
[0022] 優(yōu)選的，所述的等效誤差模型前饋控制器利用等效誤差模型t和比例環(huán)節(jié)得到誤 差的前饋補償值1&，等效誤差模型可表示為：
[0023]
[0024] 式中&表示積分增益，K%表示比例增益。
[0025] 本發(fā)明的另一種方案是：所述的電機位置狀態(tài)觀測器通過降階線性擴張狀態(tài)觀測 器RLES0利用輸入電機控制量u和電機等效直線位置xM評估得到電機等效速度的評估值 ZMR1以及電機位置反饋環(huán)的總擾動ZMR2;電機位置控制器利用電機位置指令信號的微分與降 階線性擴張狀態(tài)觀測器RLES0得到電機等效速度的評估值ZMR1相減得到速度誤差信號eM2; 利用電機位置指令信號減去的實測電機等效位置xμ得到電機位置誤差信號eM1，進而設(shè) 計線性反饋率得到電機位置的控制信號u。;電機位置的控制信號u。減去降階線性擴張狀態(tài) 觀測器RLES0得到電機位置反饋環(huán)的總擾動ZMR2，并經(jīng)過具有參數(shù)化放大系統(tǒng)Ι/b。的比例 放大環(huán)節(jié)得到輸入電機的控制量u;其中降階狀態(tài)觀測器算法如下：
[0026]
[0027] 式中，Z。Z2是計算的中間量，b。表示電機位置反饋環(huán)中被控對象的控制增益有， β_β為觀測器的增益，利用極點配置取I, =
[0028] 本發(fā)明的有益效果：
[0029] 本發(fā)明所提供的雙位置環(huán)反饋的抗擾控制器，可以使進給系統(tǒng)具有較好的跟隨性 能、較高的抗干擾能力和較強的魯棒性，進而實現(xiàn)進給系統(tǒng)的高速高精控制，而且本控制器 基本不依賴于進給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，且控制參數(shù)物理意義明確易調(diào)整。因此，本抗擾控制器 具有比較廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0030] 圖1是進給系統(tǒng)的抗擾跟隨控制器的第一實施例的結(jié)構(gòu)原理圖，采用擴張狀態(tài)觀 測器評估總擾動；
[0031] 圖2是進給系統(tǒng)的抗擾跟隨控制器的第二實施例的結(jié)構(gòu)原理圖，采用降階線性擴 張狀態(tài)觀測器評估總擾動；
[0032] 圖3為本發(fā)明實施例中進行實例仿真所采用軌跡的位移圖、速度圖、加速度圖與 加加速度圖；
[0033] 圖4是仿真得到工作臺實際位置與理想位置之間的誤差圖；
[0034]圖5是在負(fù)載慣量與等效剛度變化時利用P-PI控制器所得到的工作臺實際位置 與理想位置之間的誤差圖；
[0035]圖6為在負(fù)載慣量與等效剛度變化時，利用本發(fā)明控制器所得到的工作臺實際位 置與理想位置之間的誤差圖；
[0036] 圖7是單軸滾珠絲杠進給系統(tǒng)實驗設(shè)置圖；
[0037] 圖8是實驗得到的工作臺實際位置與理想位置之間的誤差圖。
【具體實施方式】
[0038] 以下結(jié)合附圖對上述方案做進一步說明。以下結(jié)合具體實施例對上述方案做進一 步說明。應(yīng)理解，這些實施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實施例中采 用的實施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進一步調(diào)整，未注明的實施條件通常為常規(guī)實驗 中的條件。
[0039] 實施例1
[0040]圖1首先給出進給系統(tǒng)的抗擾跟隨控制器的大體組成，采用不同于傳統(tǒng)進給系統(tǒng) 位置環(huán)、速度環(huán)控制方式的的雙位置反饋控制架構(gòu)：內(nèi)環(huán)以電機角位置等效位置信號χΜ作 為反饋信號，而外環(huán)通過負(fù)載位置信號k的反饋實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。此控制器具有 等效誤差模型前饋控制器1、負(fù)載位置控制器2、電機位置狀態(tài)觀測器3、電機位置控制器4 和摩擦補償控制器5,其中：
[0041] 電機位置狀態(tài)觀測器3通過線性擴張狀態(tài)觀測器LES03. 1利用輸入電機控制量u 和電機的等效直線位置χΜ，評估得到電機等效直線位置的評估值Zi、電機等效直線速度的 評估值Z2以及電機位置反饋環(huán)的總擾動Z3，其算法如下：
[0042]
[0043] 式中，b。表示電機位置反饋環(huán)中被控對象的控制增益，βuβ2,β3為觀測器的增 益，通過合適的選擇，使得Z, 4i,i5Zu 4/，f為進給系統(tǒng)的總擾動，利用極點配 置的方法，把狀態(tài)觀測器的極點都配置在_ωΜ。處，因此/〗=3以=3<^..,，及..=以，：
[0044] 電機位置控制器4利用電機位置指令信號經(jīng)過微分處理4. 3產(chǎn)生電機速度指 令信號，并與線性擴張狀態(tài)觀測器LES03. 1得到的電機等效速度的評估值&相減得到電機 速度誤差信號eM2;利用電機位置指令信號減去線性擴張狀態(tài)觀測器LES03. 1得到的電 機等效位置的評估值ZJ#到電機位置誤差信號eM1，進而設(shè)計線性反饋率得到電機位置的 控制信號u。;電機位置的控制信號（u。）減去線性擴張狀態(tài)觀測器（LES0, 4. 2)得到電機位 置反饋環(huán)的總擾動（Z3)，并經(jīng)