0   引言

數(shù)控機床是裝備制造業(yè)的工作母機, 它的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平已經(jīng)是衡量一個國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志.為了提高加工精度和加工效率, 現(xiàn)代數(shù)控機床進給系統(tǒng)必須具有較高的進給速度和進給加速度.具有高速反應(yīng)能力的直線伺服進給系統(tǒng)) ) )/ 零傳動0方式便應(yīng)運而生.

直線交流伺服電動機具有耦合性、 非線性、 、 負載擾動、 時變不確定性等, 難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,使用常規(guī)的PID 控制器難以達到理想的控制效果.例如圖1 所示,通過負載分別為 17kg、 13kg、 8kg時的階躍響應(yīng)曲線對比, 可以看出, 當(dāng)負載質(zhì)量增大,原系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢,且容易出現(xiàn)超調(diào). 精密數(shù)控機床是不允許出現(xiàn)超調(diào)的,一旦出現(xiàn),產(chǎn)品將成為次品.

模糊控制是一種語言控制,不依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型,適應(yīng)能力強、 魯棒性好,設(shè)計方法簡單,專用芯片已商品化, 比較適合直線電機位置控制系統(tǒng).不少學(xué)者都認識到了這一點,開始了模糊控制應(yīng)用于直線電機的研究.相對來說,有關(guān)模糊控制直線電機的文獻比其它控制應(yīng)用于直線電機的文獻要多些.但由于直線電機控制的研究在我國起步較晚, 所以模糊控制直線電機的文獻的絕對數(shù)量并不多, 應(yīng)用于數(shù)控機床的直線位置伺服系統(tǒng)的就更少. 由于

直線電機驅(qū)動的對象不同, 所以選用直線電機的參數(shù)、 控制的要求也不相同, 自然模糊控制器的類型、控制規(guī)則、 隸屬度函數(shù)、 論域、 量化因子[ 1]等也不盡相同.本文以高精數(shù)控機床用美國 Parker 公司 SL系列直線電機為研究對象, 用理論分析和仿真結(jié)合的研究方法, 將模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)的 PID 控制相結(jié)合,應(yīng)用于數(shù)控機床的直線位置伺服系統(tǒng),力圖使系統(tǒng)性能達到穩(wěn)態(tài)跟蹤精確、 動態(tài)響應(yīng)快速、 精確,抗負載擾動或參數(shù)擾動的能力強. 從而進一步驗證模糊控制應(yīng)用于高精數(shù)控機床的可行性.

1   直線永磁同步電機

直線伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機以永磁直線電機和直線感應(yīng)電機為主.隨著鐵硼( NdFeB) 等高磁能積、高矯頑力磁性材料的出現(xiàn), 永磁直線電機更適合用于直線伺服單元驅(qū)動. 根據(jù)直線永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和工作原理, 并忽略一些次要因素,可以建立直線進給單元的傳遞函數(shù)為

 電磁特性傳遞函數(shù)為

2   直線進給伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

數(shù)控機床的直線電機伺服控制系統(tǒng)還是采用傳統(tǒng)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)[ 2]. 電流調(diào)節(jié)器采用 P 調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器采用PI 調(diào)節(jié)器,位置調(diào)節(jié)器采用P 調(diào)節(jié)器.經(jīng)過簡化后,系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2 所示. 在速度器的輸出端配置有一個低通濾波器,用來消除由于干擾引起的存在于速度調(diào)節(jié)器輸出中的高頻雜波信號.

3   自調(diào)整位置比例增益kp 的模糊控制器設(shè)計

3. 1   模糊控制器設(shè)計

通過Simulink 仿真可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制器參數(shù)中位置調(diào)節(jié)器比例增益kp 對系統(tǒng)性能影響較大[ 3],所以首先設(shè)計自調(diào)整位置比例增益 kp 的模糊控制器(圖3) ,來改善系統(tǒng)性能.

模糊自整定位置調(diào)節(jié)器比例增益控制器是利用模糊理論建立位置比例增益變化 $kp 與控制偏差e和偏差的變化率ec 間的二元關(guān)系, 并根據(jù)輸入e 和ec 自整定控制器的參數(shù) $ k p (如圖四) , 再用 $kp 來修正k p .實際應(yīng)用中, 模糊推理過程通過查表來實現(xiàn).

自適應(yīng)模糊控制器采用e 和ec 為輸入語言變量, $ kp 為輸出語言變量, e 和ec、 $ kp 的模糊集均為{N B, NM, N S, ZO, P S, PM, PB } , 論域均為{ - 6,- 5, - 4, - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6} ,隸屬函數(shù)均為三角函數(shù),整定 $ kp 的模糊控制規(guī)則如表一.針對不同的控制偏差e 和偏差的變化率ec, 歸納出 $ kp 的整定原則:

當(dāng)e= 0 時, $ kp 為 0.

當(dāng)e> 0 時,說明給定大于響應(yīng), $kp 應(yīng)取正值;

當(dāng)e< 0,說明出現(xiàn)了超調(diào), $kp 應(yīng)取負值.

當(dāng)| e| 較小時,為避免出現(xiàn)超調(diào), | $ kp | 取0 或較小值.

當(dāng)| e| 較大時,為使響應(yīng)盡快接近給定值, | $ kp |也相應(yīng)大些. 并且在同樣大小的e 時,若 ec 越大, 則| $kp | 應(yīng)越小.

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