鄒立仁，佟大鵬，高偉新

（裝甲兵技術(shù)學院電子工程系，長春　130117）

數(shù)控機床前置反饋控制器的改進設(shè)計

鄒立仁，佟大鵬，高偉新

（裝甲兵技術(shù)學院電子工程系，長春130117）

【摘要】本文對數(shù)控機床運行過程中出現(xiàn)的控制精度要求問題，改進設(shè)計了一種控制系統(tǒng)內(nèi)部算法的前置反饋控制器。首先研究了數(shù)控系統(tǒng)的工作原理，然后結(jié)合函數(shù)特點提出了由前置反饋控制和函數(shù)加減速相結(jié)合的算法來構(gòu)建前置反饋控制器，使整個系統(tǒng)獲得更快的動態(tài)響應(yīng)，滿足了系統(tǒng)的高精度要求。

【關(guān)鍵詞】控置系統(tǒng)；定位精度；前置反饋控制器

1　引言

數(shù)控機床在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的越來越廣發(fā)。數(shù)控系統(tǒng)采用控制系統(tǒng)與電機相互控制方案能夠保證很高的穩(wěn)定性、精確度。在實際應(yīng)用中，數(shù)控機床的刀具與工件之間不但要確保很高的定位精度，而且還要保證較快的動態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)速度過渡平穩(wěn)不能有柔性沖擊［1］。

在本文中，根據(jù)控制系統(tǒng)的特點并結(jié)合函數(shù)算法研究了一種前置反饋控制器，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。

2　前置反饋控制原理分析

在控制系統(tǒng)中交流電機的數(shù)學模型是非線性微分方程，非常復(fù)雜［2］。通常把前置調(diào)節(jié)器設(shè)計成一種比例控制器，把速度和電流調(diào)節(jié)器設(shè)計為普通的比例積分控制器。在本系統(tǒng)中采用前饋環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的多環(huán)控制方式，其中一般調(diào)制方法采用空間相對矢量法，逆變電路采用經(jīng)常用的電橋電路［3］。

數(shù)控機床工作時，要求伺服的定位系統(tǒng)必須保證以下幾方面的要求：

1）定位的精度要求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差盡量為零；

2）定位的速度要求更快的響應(yīng)時間；

3）整個系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)該沒有超調(diào)。

為了滿足上述對系統(tǒng)的要求，大量文獻對前置位置環(huán)的控制方式進行了研究和論述。前置反饋控制算法是近些年來數(shù)控機床控制系統(tǒng)普遍采用的一種提高控制性能的算法。

結(jié)合各種理論研究，本文提出了前置反饋控制的位置控制器，結(jié)合函數(shù)加減速的算法，通過前置反饋控制使整個控制系統(tǒng)獲得更快的動態(tài)響應(yīng)，并且通過調(diào)節(jié)前置環(huán)積分系數(shù)，保證了整個系統(tǒng)定位的高精度。

3　前置反饋控制器的設(shè)計

3.1前置反饋控制器工作原理

前置反饋控制器要遵循差分控制原理：在每一個周期內(nèi)，控制卡要向控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖指令，不僅由當前位置偏差運算決定，同時與下一個周期的插補點還有關(guān)系，我們把脈沖指令記為，則有。

在公式（1）中，等式右側(cè)第一項為控制算法結(jié)果，第二項是差分控制。其中，是前置反饋系數(shù)，是當前指令所在位置，是下一個周期要執(zhí)行的指令位置。實際的前置反饋控制器如圖1所示。

圖1　前置反饋控制器框圖

電機積分函數(shù)為：

則整個控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

而由圖1中也可得到系統(tǒng)誤差對輸入的傳遞函數(shù)：

如果令分子等于零，則前置反饋控制可以降低系統(tǒng)理論誤差并且等于零。由于是前置反饋，因此也可以把看成是加速度和速度前置反饋兩部分組成。即（6）式可以變成：

根據(jù)前置反饋的控制原理，一般認為只要采用任意一種算法都可以構(gòu)成公式（7）中的加速度和速度的疊加公式。但是在實際應(yīng)用中，必須考慮所采用的加減速算法變化是否平滑，以免對機床的起動與停止造成硬性沖擊，引起較大抖動或不必要誤差。

3.2加減速控制算法對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響

利用速度的前置反饋控制可以通過開環(huán)控制使整個控制系統(tǒng)響應(yīng)加快。同時為了保證整個控制系統(tǒng)的定位精度，必須還要有積分控制環(huán)節(jié)。

在控制系統(tǒng)運行的過程中，要求系統(tǒng)變化盡可能平穩(wěn)，這就需要加速度必須是連續(xù)的，還要滿足系統(tǒng)要求的邊界條件，也就是在起始和終止時的速度要與與系統(tǒng)要求速度一致，加速度也必須為零。對于公式式（9）而言，經(jīng)過分析完全符合上述條件。

4　結(jié)論

本文通過對前置控制系統(tǒng)的分析，提出了基于速度和加速度前置反饋控制器，并且采用函數(shù)加減算法，使整個系統(tǒng)獲得更快的動態(tài)響應(yīng)，保證了系統(tǒng)定位要求的高精度。采用前置反饋控制的前置環(huán)，能使整個系統(tǒng)獲得理想的控制性能，能夠滿足數(shù)控機床硬件系統(tǒng)對速度的平穩(wěn)性以及在快速頻繁換向時無抖動的要求。

【參考文獻】

［1］郭新貴，李從心.一種新型柔性加減速算法［J］.上海交通大學學報，2003，37（2）：205-206.

［2］At keson，C.G.，Moore，A.W.Schaa l，S..Loca l l y weighted learning［J］.Ar ti f.Intel l.ReV.，1997，11，11-73.

［3］Bontempi，G.，Bersini，H.，Bi rat tari，M..The local paradigm for modeling and cont rol：f rom neuro-fuzzy to lazy learning［J］.Fuzzy Sets Syst.，2001，121，59-72.

【作者簡介】

鄒立仁（1971—），男，研究學歷，碩士學位，歷任教研室副主任、系副主任，現(xiàn)任副教授。