數(shù)控伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及參數(shù)優(yōu)化

龍靚靚

摘 要：科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使得工業(yè)生產(chǎn)慢慢進(jìn)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(jì)算機(jī)為領(lǐng)導(dǎo)的一系列的現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸取代了獨(dú)立的生產(chǎn)系統(tǒng)，使得生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)能夠形成統(tǒng)一的整體，節(jié)約時(shí)間的同時(shí)大大的提高生產(chǎn)效率。文章通過數(shù)控伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真方面的介紹，以及相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)展情況的介紹使人們能夠進(jìn)一步了解數(shù)控技術(shù)在目前機(jī)床生產(chǎn)領(lǐng)域中的重要作用，同時(shí)將PID參數(shù)優(yōu)化理論同數(shù)控伺服系統(tǒng)進(jìn)行很好的結(jié)合，保證動(dòng)態(tài)切削系統(tǒng)運(yùn)行更加的連貫，提高自動(dòng)化的效率。進(jìn)而提高數(shù)控機(jī)床的加工效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)控伺服系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)銑削 參數(shù)優(yōu)化 仿真

中圖分類號(hào)：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（c）-0067-01

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科技在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中逐漸取得了主導(dǎo)地位，人們進(jìn)入了知識(shí)經(jīng)濟(jì)的時(shí)代。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用尤為突出，例如在機(jī)床生產(chǎn)領(lǐng)域以數(shù)控技術(shù)為代表的現(xiàn)代自動(dòng)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(zhì)量，同時(shí)為其他領(lǐng)域逐漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行提拱了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)支持。

1 數(shù)控機(jī)床交流伺服系統(tǒng)的歷史及現(xiàn)狀

1.1 永磁同步電機(jī)的發(fā)展

電動(dòng)機(jī)在電流經(jīng)過磁極后產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子在磁場中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)。但是普通的電源技術(shù)并不能使進(jìn)行自由的啟動(dòng)。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(dòng)機(jī)進(jìn)而保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常。雖然變頻電源出現(xiàn)解決了同步電動(dòng)機(jī)的問題但是由于它與異步電動(dòng)機(jī)不同在電網(wǎng)電壓下不能自行起動(dòng)，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下平均的扭矩為零這就導(dǎo)致在生產(chǎn)中不能充分的使用同步電動(dòng)機(jī)。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，高性能永磁材料，電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的出現(xiàn)將同步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過技術(shù)改造轉(zhuǎn)變成永磁同步電動(dòng)機(jī)。加之高性能的變頻電源的出現(xiàn)使得電動(dòng)機(jī)運(yùn)行逐漸同計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過一定的系統(tǒng)將生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)步驟進(jìn)行組織安排實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制程序。

1.2 數(shù)控機(jī)床交流伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

永磁同步電動(dòng)機(jī)雖然在工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)但是同時(shí)由于自身特點(diǎn)使得例如耦合性，時(shí)變性，非線性使得永磁同步電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行控制時(shí)不能隨意的自由進(jìn)行控制。很難獲得較好的速度控制性能。隨著時(shí)間的推移進(jìn)入20世紀(jì)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(dòng)機(jī)第一次在電機(jī)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(dòng)機(jī)的磁通同轉(zhuǎn)矩的控制進(jìn)行解耦，進(jìn)而使得永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方法同類與直流電動(dòng)機(jī)的控制形式。通過控制方式轉(zhuǎn)變永磁電動(dòng)機(jī)的控制性能有了進(jìn)一步的提高。將永磁電動(dòng)機(jī)同交流電機(jī)的控制方法的結(jié)合實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)中自由的起動(dòng)大大的提高了電動(dòng)機(jī)的速度控制性能和位置控制性能，從而實(shí)現(xiàn)了在數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。提高了數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的運(yùn)行效率同時(shí)也大大的提高整個(gè)機(jī)床生產(chǎn)領(lǐng)域的工作效率。數(shù)控機(jī)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(shù)。但是由于傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)采用的三環(huán)PID調(diào)節(jié)控制方式在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用實(shí)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(shí)存在相應(yīng)的誤差，這主要是由于傳統(tǒng)的手工伺服需要進(jìn)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(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)誤差。伺服系統(tǒng)的解耦控制同時(shí)需要精確的數(shù)學(xué)模型，這就導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)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(shí)那么整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)大打折扣。

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

數(shù)控機(jī)床切削技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)在機(jī)械零件的加工領(lǐng)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(jī)床控制下的切削系統(tǒng)需要進(jìn)行參數(shù)的確定，隨著加工零件規(guī)格的不同必須要對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整進(jìn)而對(duì)加工機(jī)床進(jìn)行調(diào)整。參數(shù)的確定是否合理關(guān)乎到機(jī)床生產(chǎn)的效率，機(jī)床加工速度，以及機(jī)床加工出產(chǎn)品的精度。但是由于受到技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的限制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定往往需要借助規(guī)范手冊(cè)或是經(jīng)驗(yàn)公式。但是由于經(jīng)驗(yàn)公式或是參考手冊(cè)中提供的參數(shù)數(shù)據(jù)往往都是在特定的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)行使用的參數(shù)手冊(cè)的制定主要是針對(duì)于普通的機(jī)床進(jìn)行參數(shù)借鑒對(duì)于水平較高的數(shù)控機(jī)床來說進(jìn)一步減弱了機(jī)床的精確水平。同時(shí)由于機(jī)床操作人員技術(shù)水平的影響也使得機(jī)床在參數(shù)設(shè)定方面存在一定的問題。這些因素都對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)把各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)簡化成相應(yīng)的典型環(huán)節(jié)，通過頻率特性和根軌跡法對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)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(yàn)，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(xué)者們提出了最優(yōu)PID參數(shù)自整定方法，即建立性能指標(biāo)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(biāo)函數(shù)的變量對(duì)指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，得到性能指標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的 PID參數(shù)，該結(jié)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(guān)鍵是性能指標(biāo)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(jié)果。常見的目標(biāo)函數(shù)包括ITAE、IST 2 E、GISE。

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

目標(biāo)函數(shù)的選取是伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵，選擇不同的目標(biāo)函數(shù)，參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果也必將不同，必須選擇一個(gè)能夠反映系統(tǒng)性能的目標(biāo)函數(shù)，該文采用的三種優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果做比較。首先應(yīng)該對(duì)初值進(jìn)行結(jié)果分析后才能進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)篩選工作。目標(biāo)函數(shù)初值的選擇對(duì)于結(jié)果的影響較大因此從全局尋找最有的結(jié)果很難只能在局部選擇最優(yōu)結(jié)果。其次是將篩選的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)模型比對(duì)后才能確定參數(shù)的數(shù)值。利用廣義誤差平方積分為準(zhǔn)則進(jìn)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(yùn)行的穩(wěn)定，數(shù)據(jù)誤差值將會(huì)控制在一個(gè)較為合理的范圍內(nèi)。這就更加適合永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

3 結(jié)語

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

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