[發明專利]一種進給系統雙位置環反饋的抗擾控制器

有效

• 申請號: 201410374194.1
• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN104166372B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 陳耀龍;張承勇
• 申請（專利權）人: 西安交通大學蘇州研究院;西安交通大學
• 主分類號: G05B19/18
• 分類號: G05B19/18
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司32103
• 代理人: 范晴

技術領域

本發明涉及一種進給系統雙位置環反饋的抗擾控制器，具體涉及一種主要用于進給系統高速高精控制的雙位置環反饋的抗擾控制器。

背景技術

當今社會，精密和超精密加工技術已經成為現代機械制造的重要組成部分。數控機床作為機械制造中的重要工具，它的精度指標是影響工件加工精度的重要因素。而進給系統作為數控機床主要的組成部分，其跟隨性能和抗干擾能力嚴重影響了數控機床的加工精度。

現在大多數進給系統采用的是電機+聯軸器+絲杠螺母+工作臺的傳動方式。聯軸器、絲杠螺母和支撐軸承的有限剛度導致了進給系統具有較低的第一階共振頻率。當控制器的參數設置不當或者工作臺受到外部干擾時，進給系統會產生不期望的振動，從而影響工件的加工質量。此外，隨著對生產效率要求的提高，高速數控機床得到了廣泛的應用，但是高速數控機床大幅值、高頻寬的驅動力、慣性力、切削力會激勵起機械系統顯著的振動。

現有機床進給系統控制應用的主要是級聯控制：電流環PI控制，速度環PI控制以及位置環P控制。速度環通過電機側的角度編碼器實現速度的反饋，位置環通過角度編碼器實現半閉環的位置控制或者通過工作臺處的直線光柵尺實現全閉環的位置控制。但是由于級聯控制完全不依賴于系統的數學模型，控制帶寬受進給系統第一階共振頻率的限制，控制效果較差，不太實用于進給系統的高速高精控制。針對此問題，國內外學者提出了模糊控制、神經網絡控制、魯棒控制和自適應等先進的控制方法用于進給系統的高速高精控制，并且通過實驗室實驗取得了較好的控制效果；但是這些控制方法算法比較復雜、控制參數調試困難或者依賴于系統的精確模型，因此應用性比較差。

自抗擾控制技術是由中國科學院數學與系統科學研究所系統所的韓京清研究員及其領導的科研小組提出的。自抗擾控制技術既繼承和發揚了經典PID控制的思想精髓——基于誤差消除誤差，同時又吸收了現代控制理論的思想，其核心是將未建模動態和未知外擾總稱為對象的總擾動，利用擴張狀態觀測器進行實時的在線評估與補償，從而實現動態系統的反饋線性化，在利用非線性配置構成的非線性反饋控制率或者線性反饋控制率來提高閉環系統的控制性能。由于自抗擾控制具有基本不依賴于對象的數學模型、較高的抗擾性、較強的魯棒性和較好的控制性能等優點，因此本發明利用自抗擾的思想設計了一種進給系統雙位置環反饋的抗擾控制器結構，主要用于進給系統高速高精控制。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種進給系統雙位置環反饋的抗擾控制器，主要用于進給系統高速高精控制。此控制器具有較高的控制帶寬、較高的抗干擾能力和較強的魯棒性；此外，還具有算法簡單、控制參數物理意義明確且易調試等特點。

為了解決現有技術中的問題，本發明提供的技術方案是：

一種進給系統雙位置環反饋的抗擾控制器，所述的控制器采用不同于傳統進給系統位置環、速度環控制方式的雙位置反饋控制架構：內環以電機角位置信號作為反饋信號，以減小微分不準確、噪聲放大和濾波延時的影響，而外環通過負載位置的反饋實現整個系統的閉環控制。所述控制器包括負載位置控制器、電機位置控制器、負載位置狀態觀測器和電機位置狀態觀測器，所述控制器采用電機旋轉角位置θ_{M_list}與負載位置x_{L_list}反饋的雙位置環反饋；

所述負載位置控制器利用負載參考位置x_Lr與負載實際位置之間的誤差e_L1及其微分誤差e_L2設計線性反饋率，得到負載位置的控制量x_L0；

所述負載位置狀態觀測器利用電機角位置的等效直線位置x_{M_list}和負載的實測位置x_{L_list}評估得到負載位置的評估值Z_L1、負載速度的評估值Z_L2/Z_LR1以及負載位置反饋環的總擾動Z_L3/Z_LR2；

所述電機位置控制器利用電機位置指令信號x_Mr與電機實際位置之間的誤差e_M1及其微分誤差e_M2設計線性反饋率，得到電機位置的控制量x_M0；