龍靚靚

摘 要：科學技術的進步使得工業(yè)生產(chǎn)慢慢進入了智能化、現(xiàn)代化、科技化的生產(chǎn)狀態(tài)模式中。特別是以計算機為領導的一系列的現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸取代了獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)，使得生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)能夠形成統(tǒng)一的整體，節(jié)約時間的同時大大的提高生產(chǎn)效率。文章通過數(shù)控伺服系統(tǒng)動態(tài)特性仿真方面的介紹，以及相應的參數(shù)優(yōu)化進展情況的介紹使人們能夠進一步了解數(shù)控技術在目前機床生產(chǎn)領域中的重要作用，同時將PID參數(shù)優(yōu)化理論同數(shù)控伺服系統(tǒng)進行很好的結合，保證動態(tài)切削系統(tǒng)運行更加的連貫，提高自動化的效率。進而提高數(shù)控機床的加工效率。

關鍵詞：數(shù)控伺服系統(tǒng) 動態(tài)銑削 參數(shù)優(yōu)化 仿真

中圖分類號：TH161 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0067-01

隨著科學技術的發(fā)展，科技在經(jīng)濟發(fā)展中逐漸取得了主導地位，人們進入了知識經(jīng)濟的時代。在工業(yè)生產(chǎn)領域科學技術的應用尤為突出，例如在機床生產(chǎn)領域以數(shù)控技術為代表的現(xiàn)代自動化生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸取代了人員手工操作，不僅提高了生產(chǎn)效率保證了生產(chǎn)質量，同時為其他領域逐漸實現(xiàn)自動系統(tǒng)運行提拱了技術經(jīng)驗支持。

1 數(shù)控機床交流伺服系統(tǒng)的歷史及現(xiàn)狀

1.1 永磁同步電機的發(fā)展

電動機在電流經(jīng)過磁極后產(chǎn)生磁場，轉子在磁場中做切割磁感線的運動。但是普通的電源技術并不能使進行自由的啟動。變頻電源的出現(xiàn)能夠使得中小功率的調(diào)速系統(tǒng)使用在同步電動機進而保證電動機運行正常。雖然變頻電源出現(xiàn)解決了同步電動機的問題但是由于它與異步電動機不同在電網(wǎng)電壓下不能自行起動，靜止的轉子磁極在旋轉磁場的作用下平均的扭矩為零這就導致在生產(chǎn)中不能充分的使用同步電動機。但是隨著技術的發(fā)展，高性能永磁材料，電力電子技術，計算機控制技術的出現(xiàn)將同步電動機經(jīng)過技術改造轉變成永磁同步電動機。加之高性能的變頻電源的出現(xiàn)使得電動機運行逐漸同計算機連接，計算機通過一定的系統(tǒng)將生產(chǎn)設備，生產(chǎn)步驟進行組織安排實現(xiàn)自動化的控制程序。

1.2 數(shù)控機床交流伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

永磁同步電動機雖然在工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的技術性能優(yōu)勢但是同時由于自身特點使得例如耦合性，時變性，非線性使得永磁同步電動機在進行控制時不能隨意的自由進行控制。很難獲得較好的速度控制性能。隨著時間的推移進入20世紀70年代矢量控制理論的出現(xiàn)解決上述問題，該理論的提出使得交流電動機第一次在電機控制理論中得到證明。矢量控制理論是采用矢量變換的控制方法，將交流電動機的磁通同轉矩的控制進行解耦，進而使得永磁同步電動機的控制方法同類與直流電動機的控制形式。通過控制方式轉變永磁電動機的控制性能有了進一步的提高。將永磁電動機同交流電機的控制方法的結合實現(xiàn)電動機在生產(chǎn)中自由的起動大大的提高了電動機的速度控制性能和位置控制性能，從而實現(xiàn)了在數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中的廣泛應用。提高了數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的運行效率同時也大大的提高整個機床生產(chǎn)領域的工作效率。數(shù)控機床中交流伺服系統(tǒng)廣泛采用（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）三環(huán)PID控制調(diào)節(jié)技術。但是由于傳統(tǒng)的永磁同步電動機的控制技術采用的三環(huán)PID調(diào)節(jié)控制方式在數(shù)控機床應用實踐還是發(fā)現(xiàn)了一些問題。例如，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定比較繁瑣同時存在相應的誤差，這主要是由于傳統(tǒng)的手工伺服需要進行系統(tǒng)的簡化，這其中就使得系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化導致系統(tǒng)出現(xiàn)誤差。伺服系統(tǒng)的解耦控制同時需要精確的數(shù)學模型，這就導致系統(tǒng)對于參數(shù)的依賴性較大容易，一旦參數(shù)的選擇不夠正確或是偏差較大時那么整個系統(tǒng)運行狀態(tài)就會大打折扣。

1.3 數(shù)控機床切削參數(shù)優(yōu)化選擇現(xiàn)狀

數(shù)控機床切削技術的應用已經(jīng)在機械零件的加工領域中取得重要的地位，逐漸的取代了以手工控制為主體的傳統(tǒng)的零件加工方式。數(shù)控機床控制下的切削系統(tǒng)需要進行參數(shù)的確定，隨著加工零件規(guī)格的不同必須要對系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整進而對加工機床進行調(diào)整。參數(shù)的確定是否合理關乎到機床生產(chǎn)的效率，機床加工速度，以及機床加工出產(chǎn)品的精度。但是由于受到技術經(jīng)驗的限制系統(tǒng)參數(shù)的設定往往需要借助規(guī)范手冊或是經(jīng)驗公式。但是由于經(jīng)驗公式或是參考手冊中提供的參數(shù)數(shù)據(jù)往往都是在特定的實驗條件下確定這就使得參數(shù)的精確性受到一定的影響。同時現(xiàn)行使用的參數(shù)手冊的制定主要是針對于普通的機床進行參數(shù)借鑒對于水平較高的數(shù)控機床來說進一步減弱了機床的精確水平。同時由于機床操作人員技術水平的影響也使得機床在參數(shù)設定方面存在一定的問題。這些因素都對數(shù)控伺服系統(tǒng)的參數(shù)設定產(chǎn)生影響。

2 交流伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

2.1 伺服系統(tǒng)優(yōu)化模型

傳統(tǒng)的交流位置伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定在設計時把各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)簡化成相應的典型環(huán)節(jié)，通過頻率特性和根軌跡法對調(diào)節(jié)器參數(shù)進行整定，這使得參數(shù)的整定比較繁瑣，而且在一定程度上依賴工程師的經(jīng)驗，存在一定的誤差，系統(tǒng)并沒有在最佳的狀態(tài)下工作。為了使得系統(tǒng)在最優(yōu)或者是次最優(yōu)的狀態(tài)下工作， 專家學者們提出了最優(yōu)PID參數(shù)自整定方法，即建立性能指標函數(shù)，把系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)的PID參數(shù)看作是該性能指標函數(shù)的變量對指標函數(shù)進行尋優(yōu)，得到性能指標函數(shù)最小時的 PID參數(shù)，該結果就是最優(yōu)的系統(tǒng)PID參數(shù)。最優(yōu)PID參數(shù)自整定的關鍵是性能指標函數(shù)的選取和優(yōu)化算法，其直接影響到系統(tǒng)優(yōu)化的結果。常見的目標函數(shù)包括ITAE、IST 2 E、GISE。

2.2 優(yōu)化結果分析

目標函數(shù)的選取是伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的關鍵，選擇不同的目標函數(shù)，參數(shù)優(yōu)化的結果也必將不同，必須選擇一個能夠反映系統(tǒng)性能的目標函數(shù)，該文采用的三種優(yōu)化目標函數(shù)，分別對系統(tǒng)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化結果做比較。首先應該對初值進行結果分析后才能進行下一步的數(shù)據(jù)篩選工作。目標函數(shù)初值的選擇對于結果的影響較大因此從全局尋找最有的結果很難只能在局部選擇最優(yōu)結果。其次是將篩選的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)模型比對后才能確定參數(shù)的數(shù)值。利用廣義誤差平方積分為準則進行數(shù)據(jù)的篩選可以更加精確的確定數(shù)值，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，數(shù)據(jù)誤差值將會控制在一個較為合理的范圍內(nèi)。這就更加適合永磁同步電動機的運行。

3 結語

總之，伺服系統(tǒng)的性能直接決定了數(shù)控機床的使用性能，高性能數(shù)控伺服系統(tǒng)設計整定的前提是充分了解機械系統(tǒng)、切削過程的動態(tài)特性；切削參數(shù)的選擇影響了數(shù)控機床的使用效率，因此在參數(shù)的設定方面一定要注意數(shù)據(jù)的合理性，保證系統(tǒng)在設定完成后能夠以一個更好的狀態(tài)運行，保證數(shù)控機床生產(chǎn)的優(yōu)越性。

參考文獻

[1] 張俊，魏紅根.數(shù)控技術發(fā)展趨勢--智能化數(shù)控系統(tǒng)[J].制造技術與機床，2000（4）：7-9.

[2] 葛寶明，蔣靜坪.永磁同步電動機傳動系統(tǒng)的模型算法控制[J].中國電機工程學報，1999，19（10）：27-31.

[3] 秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M].武漢：華中理工大學出版社，1995.

[4] 溫熙森.機械系統(tǒng)建模與動態(tài)分析[M].北京：科學出版社，2004.

[5] 竇汝振.高性能永磁交流伺服系統(tǒng)及其新型控制策略的研究[D].天津：天津大學，2002.