高性能运动控制及在数控系统中的应用

高速高精度运动控制是现代机器制造工业的重要研究领域之一，是高速加工中心的核心，对提高生产效率和产品质量具有十分重要的作用。针对高性能数控系统研究现状中面临的两大挑战问题：(1)在存在扰动、非线性、模型和参数不确定性的情况下设计高性能的伺服控制器；(2)高速加工过程和数控加工状态的监控，本文系统地研究了高性能运动控制在数控系统中的应用，按照误差避免和误差补偿两条主线进行综合研究，从而可将本文分为两大模块；伺服控制器设计理论和实时误差补偿理论。本论文对于上述两大挑战问题提供了一些新的有效方法，主要贡献为： 1．系统地论述了高性能运动控制在数控系统中的应用现状，指出了存在问题，确立了将误差避免和误差补偿技术综合起来进行研究的研究思路。 2．数控进给系统的数学模型分析及控制策略研究。对数控进给系统的数学模型进行分析，然后从高精度加工的要求出发，通过多传感器信息融合技术将工件以及数控系统作为统一整体考虑如何提高加工精度，提出了基于开放式结构的高性能数控系统控制策略。该策略对于其他运动体的控制同样具有参考价值。 3．基于扰动观测器的伺服控制器设计。研究了扰动观测器，前馈控制器和反馈控制器的设计方法。对于扰动观测器设计，叙述了设计原理并对其稳定性作了分析。对于前馈控制器设计，证明了零相位误差跟踪算法在阶跃输入下的无差性并研究了该特性的应用。对于反馈控制器设计，考虑了系统的物理约束即驱动饱和的影响，在系统的量测噪声和外部扰动已经通过扰动观测器减弱的条件下，提出了一种抗漂移的状态反馈控制器设计方法。仿真结果表明所提方法的有效性。 4．基于非线性自适应鲁棒控制的伺服控制器设计。提出了具有连续监督控制功能的单入单出非线性系统的自适应鲁棒控制器设计方法，以改善强控制的弱点并能显著增强系统的稳定性和性能鲁棒性。在应用方面，提出了数控系统的非线性模型，在此基础上分别提出了设计简单自适应鲁棒控制器和综合自适应鲁棒控制器的方法用来补偿摩擦非线性，参数不确定性以及模型不确定性的影响。作者对该方法进行了理论分析并与基于扰动观测器的控制器进行对比仿真。仿真结果证明了理论分析的正确性。 5．相对于时间延迟的伺服控制器设计。首先简介了灰色预测控制的基本原理，明确了提高预测模型的精度是首要的问题；在灰色建模方面，提出了加权建模新算法及一种综合预测模型，这两种模型和一般灰色模型相比较精度有很大提高，并且将智能信息处理的思路和灰色建模结合起来了；在灰色系统动态分析方面，对含有灰色预测控制器的时间延迟系统的 摘要 动态行为进行了分析并得到了几个有理论和使用价值的结论;最后提出了时延系统的 Fozy一Gray预测控制算法和延迟时间未知的时延系统混合预测控制并进行了仿真验证。 6.数控系统实时误差补偿技术。首先对基于矢量法的误差综合模型进行了改进，将刀 具磨损考虑其中，这样使得误差模型更为全面，并且提出了误差补偿的实现方案。由于其他 误差因素测试方法的成熟性，因此，本章的重点是研究刀具磨损量的实时估计技术。提出了 基于随机模糊神经网络的刀具磨损量软测量技术和基于多传感器信息融合理论的刀具磨损 量估计技术，同时对于这两种方法的基础一随机模糊神经网络进行了研究并取得两方面的成 果:提出了一种具有明确物理含义且计算量有所减少的网络结构并证明了随机模糊神经网络 的逼近能力。