數控機床前置反饋控制器的改進設計

鄒立仁，佟大鵬，高偉新

（裝甲兵技術學院電子工程系，長春　130117）

數控機床前置反饋控制器的改進設計

鄒立仁，佟大鵬，高偉新

（裝甲兵技術學院電子工程系，長春130117）

【摘要】本文對數控機床運行過程中出現的控制精度要求問題，改進設計了一種控制系統內部算法的前置反饋控制器。首先研究了數控系統的工作原理，然后結合函數特點提出了由前置反饋控制和函數加減速相結合的算法來構建前置反饋控制器，使整個系統獲得更快的動態響應，滿足了系統的高精度要求。

【關鍵詞】控置系統；定位精度；前置反饋控制器

1　引言

數控機床在工業生產中應用的越來越廣發。數控系統采用控制系統與電機相互控制方案能夠保證很高的穩定性、精確度。在實際應用中，數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響應和系統速度過渡平穩不能有柔性沖擊［1］。

在本文中，根據控制系統的特點并結合函數算法研究了一種前置反饋控制器，進而實現系統的精確控制。

2　前置反饋控制原理分析

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

數控機床工作時，要求伺服的定位系統必須保證以下幾方面的要求：

1）定位的精度要求系統穩態誤差盡量為零；

2）定位的速度要求更快的響應時間；

3）整個系統響應應該沒有超調。

為了滿足上述對系統的要求，大量文獻對前置位置環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控機床控制系統普遍采用的一種提高控制性能的算法。

結合各種理論研究，本文提出了前置反饋控制的位置控制器，結合函數加減速的算法，通過前置反饋控制使整個控制系統獲得更快的動態響應，并且通過調節前置環積分系數，保證了整個系統定位的高精度。

3　前置反饋控制器的設計

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，控制卡要向控制系統發出脈沖指令，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系，我們把脈沖指令記為，則有。

在公式（1）中，等式右側第一項為控制算法結果，第二項是差分控制。其中，是前置反饋系數，是當前指令所在位置，是下一個周期要執行的指令位置。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

電機積分函數為：

則整個控制系統的傳遞函數為：

而由圖1中也可得到系統誤差對輸入的傳遞函數：

如果令分子等于零，則前置反饋控制可以降低系統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成公式（7）中的加速度和速度的疊加公式。但是在實際應用中，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動態性能的影響

利用速度的前置反饋控制可以通過開環控制使整個控制系統響應加快。同時為了保證整個控制系統的定位精度，必須還要有積分控制環節。

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

4　結論

本文通過對前置控制系統的分析，提出了基于速度和加速度前置反饋控制器，并且采用函數加減算法，使整個系統獲得更快的動態響應，保證了系統定位要求的高精度。采用前置反饋控制的前置環，能使整個系統獲得理想的控制性能，能夠滿足數控機床硬件系統對速度的平穩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，現任副教授。