李　麗天津工程職業(yè)技術(shù)學院

閉環(huán)控制在數(shù)控機床中的應(yīng)用

李麗
天津工程職業(yè)技術(shù)學院

本文根據(jù)自身實踐和理論研究，對數(shù)控機床中的閉環(huán)控制系統(tǒng)進行了具體的論述，重點闡述了伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要特點，以及PID控制方法在速度閉環(huán)控制方面的應(yīng)用，并以FANUC機床位具體案例，詳細的分析了PID參數(shù)的調(diào)試方法，對閉環(huán)控制在數(shù)控機床中的推廣應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐。

閉環(huán)控制；數(shù)控機床；PID；應(yīng)用

1　引言

在現(xiàn)代化的設(shè)備生產(chǎn)中，數(shù)控機床的應(yīng)用變得越來越廣泛，而且對數(shù)控機床加工精度和速度的要求也越來越高。為了更高精度、更高自動化水平的控制數(shù)控機床的加工，需要在加工過程中加入反饋調(diào)節(jié)，從而對機床加工過程中的誤差因素進行實時調(diào)節(jié)，使誤差不會隨時間的延續(xù)進行累積，即在數(shù)控機床上實施閉環(huán)控制。目前，在數(shù)控機床上應(yīng)用閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)備很多，并且這些機床在加工復(fù)雜精密零件時取得了很好的效果。本文根據(jù)自身實踐經(jīng)驗和理論研究，對閉環(huán)控制在數(shù)控機床中的應(yīng)用理論及具體案例進行了詳細的論述，為閉環(huán)控制在數(shù)控機床中的應(yīng)用和推廣提供了有力的技術(shù)支撐。

2　閉環(huán)控制在數(shù)控機床中的應(yīng)用

2.1數(shù)控機床中的閉環(huán)控制特點

在數(shù)控系統(tǒng)中，伺服控制系統(tǒng)必須具備較好的穩(wěn)定性、動態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性、魯棒性等。在所有的伺服系統(tǒng)中，穩(wěn)定性是其最根本的要求，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有兩種重要的作用，一是能自動排除外界對系統(tǒng)的干擾，能在有外部干擾的環(huán)境下，精確調(diào)節(jié)定位，二是自動恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，不管系統(tǒng)處于什么樣的初始狀態(tài)，都能夠快速準確的進行定位；在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，動態(tài)特性是其最重要的衡量指標，它主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的響應(yīng)速度和振幅，在通常狀態(tài)下，系統(tǒng)的最大振幅就表達這系統(tǒng)的控制精度，振幅越小，精度越高，而系統(tǒng)的響應(yīng)速度是影響振幅的重要因素，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的過渡時間就越小，系統(tǒng)的誤差就越小，控制精度也就越高；穩(wěn)態(tài)特性閉環(huán)控制系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)特性，主要是是指控制系統(tǒng)經(jīng)過過渡階段后，進入穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，其最終輸出的穩(wěn)態(tài)指與預(yù)期的穩(wěn)定指相符合的程度，通常情況下，伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)會因為自身結(jié)構(gòu)、內(nèi)部摩擦力、外界干擾等非線性的因素導(dǎo)致系統(tǒng)的實際的穩(wěn)態(tài)值與期望值存在一定的誤差，這種誤差就是穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量閉環(huán)控制精度的重要指標，而通過加入穩(wěn)態(tài)誤差補償，可以有效的調(diào)整伺服控制系統(tǒng)的控制精度和跟蹤速度；魯棒性的主要作用是幫助閉環(huán)控制系統(tǒng)控制誤差，其主要特點是在系統(tǒng)的約束條件發(fā)生變化時，保持系統(tǒng)自身的功能特性不變，即對于具有較好魯棒性特征的閉環(huán)控制系統(tǒng)，即使參數(shù)發(fā)生了變化，控制自身仍有保持穩(wěn)定性不變，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和振幅也不會隨參數(shù)變化而變化，如魯棒性好的數(shù)控機床長期使用造成的機械零件磨損不會導(dǎo)致機床自身誤差的增大。

2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)中的PID控制技術(shù)

PID控制技術(shù)是閉環(huán)控制中最早發(fā)展起來的一門技術(shù)，它以算法簡單、可靠性高、調(diào)整方便、魯棒性好等優(yōu)點在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其在一些被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有一定的不確定性，沒法得到精確的數(shù)學模型的情況下，可以采用PID控制技術(shù)依據(jù)現(xiàn)場調(diào)試和經(jīng)驗確定系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。在實際工程應(yīng)用中，也有僅采用PI控制和PD控制的控制系統(tǒng)。

PID控制技術(shù)是一種線性調(diào)節(jié)技術(shù)，它將系統(tǒng)的偏差分為比例、積分、微分三類運算對被控量進行具體的調(diào)節(jié)。它對速度的調(diào)節(jié)主要是根據(jù)速度指令r（t）與傳感器反饋的回來的實際y（t）進行比較構(gòu)成控制的偏差e（t），并將此偏差按比例（P）、積分（I）、微分（D）的方式進行線性組合，最終形成控制量u（t）對驅(qū)動器進行控制，從而達到對電機速度的精確控制的目的，具體列公式如下：

2.3閉環(huán)控制系統(tǒng)在數(shù)控機床中的應(yīng)用

在數(shù)控機床的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，PID控制技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。本文以FANCOi機床為例，其控制器的調(diào)試就主要分為比例增益、積分增益、微分增益三個部分，具體調(diào)試過程如下：首選將驅(qū)動器設(shè)置成速度控制模式控制，對便于對伺服驅(qū)動器參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)。伺服驅(qū)動器的調(diào)節(jié)參數(shù)就是比例常數(shù)Kp、微分參數(shù)Kd和積分參數(shù)Ki，根據(jù)實踐經(jīng)驗和現(xiàn)場控制需要，手動對PID的三項控制常數(shù)進行具體的調(diào)節(jié)。首先，確定速度比例增益常數(shù)Kp的值。當閉環(huán)控制系統(tǒng)安裝完畢后，第一步是對比例增益常數(shù)Kp就進行調(diào)節(jié)，因為在三個增益參數(shù)中，比例增益對振幅起到最主要的作用，確定比例參數(shù)的值后，再對積分增益Ki和微分增益Kd進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比例參數(shù)的方式是在對先將積分增益Ki和微分增益Kd設(shè)置為零，再從零逐漸增加比例參數(shù)Kp的值，觀察伺服電機停止時的振蕩情況以及電機轉(zhuǎn)速的忽快忽慢現(xiàn)象，如果隨著Kp值的增加，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，就降低Kp值，消除振蕩，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，從而初步確定Kp的值。

在確定Kp的值后，保持Kp不變，從零逐漸增加系統(tǒng)的積分增益常數(shù)Ki的值，觀察積分增益的效應(yīng)現(xiàn)象，當積分增益參數(shù)超過臨界值后就會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的振動不穩(wěn)定，這時將Ki值進行回調(diào)，消除振蕩，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，此時的Ki值就是初步確定的控制系統(tǒng)參數(shù)。

最后，對控制系統(tǒng)的微分增益進行具體的調(diào)節(jié)。微分增益的調(diào)節(jié)可以有效的降低控制系統(tǒng)的振幅，它的主要工作原理是對系統(tǒng)進行預(yù)先控制，就是在系統(tǒng)的振蕩發(fā)生之前對其進行校正，在實際調(diào)節(jié)時，從零開始逐步增加Kd的值，從而改善旋轉(zhuǎn)速度的穩(wěn)定性。

3　結(jié)論

本文根據(jù)自身實踐和理論研究，對伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點進行了論述，并對PID控制技術(shù)的原理以及實際生產(chǎn)中的參數(shù)調(diào)節(jié)方法進行了具體的闡述，不僅為閉環(huán)控制技術(shù)在數(shù)控機床中應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐，也為閉環(huán)控制系統(tǒng)在數(shù)控機床中的推廣應(yīng)用提供了有效的理論依據(jù)。

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