自抗擾精密跟蹤運動控制器的設(shè)計

　　摘 要：為了提高非圓車削中快速伺服刀架的跟蹤精度和抗干擾性，研制了一種自抗擾控制器。通過對執(zhí)行機構(gòu)建模分析，將模型中的非線性部分歸結(jié)為系統(tǒng)的內(nèi)擾，將加工過程中切削力干擾歸結(jié)為系統(tǒng)外擾，設(shè)計出相應(yīng)的擴張狀態(tài)觀測器，對系統(tǒng)內(nèi)、外擾的總和做出實時估計和補償。仿真實驗表明，自抗擾控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制。通過DSP(digital signal processor)編程，將自抗擾控制器應(yīng)用于非圓車削。切削加工試驗結(jié)果表明，自抗擾控制具有良好的控制品質(zhì)，快速伺服刀架跟蹤精度控制在5μm以內(nèi)。

　　關(guān)鍵詞：非圓車削；自抗擾控制;快速伺服刀架

　　非圓數(shù)控車削是實現(xiàn)非圓截面零件高效、柔性、高精度加工的有效方法。非圓車削時，刀具在快速伺服刀架(fast tool servo，F(xiàn)TS)的驅(qū)動下，隨著主軸高速回轉(zhuǎn)沿工件徑向做快速往復(fù)運動。FTS的跟蹤精度是影響非圓截面零件輪廓精度的主要因素。FTS控制器設(shè)計面臨兩個技術(shù)難點：第一，如何提高FTS的伺服剛度，以減小變化的切削力對跟蹤精度的影響；第二，如何減小FTS執(zhí)行機構(gòu)的非線性和參數(shù)變化對跟蹤精度的影響。

　　目前，許多學(xué)者都對適于非圓車削的FTS控制器進(jìn)行了深入研究。文采用PID控制結(jié)合前饋補償?shù)姆绞剑O(shè)計出基于位置反饋和速度反饋的兩種干擾觀測器。文針對非圓車削中，跟蹤信號為有規(guī)律的周期信號這一特點，采用重復(fù)控制算法，并進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，增強了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。文采用模型參考自適應(yīng)控制，對FTS進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力。

　　自抗擾控制(active disturbance rejectioncontroller，ADRC)是一種基于誤差反饋的非線性控制方法，其原理簡單，可對系統(tǒng)的未建模動態(tài)和未知擾動做出很好的估計和補償，具有很強的適應(yīng)性和魯棒性。本文應(yīng)用自抗擾控制技術(shù)，根據(jù)非圓車削對FTS控制器在跟蹤精度、響應(yīng)速度、抗擾動性等方面的要求，研制了自抗擾精密跟蹤運動控制器，并進(jìn)行仿真分析和切削試驗。

　　1 被控對象建模

　　非圓車削采用的FTS執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)見文，它采用音圈電機驅(qū)動原理，彈簧和滾動導(dǎo)軌復(fù)合支承，可近似為彈簧阻尼系統(tǒng)，運動微分方程為

　　其中：m為運動部分質(zhì)量，K為執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)彈簧的剛度系數(shù)，C為阻尼因數(shù)，F(xiàn)w為加工過程中的切削力，F(xiàn)A為電磁力。根據(jù)電磁力汁算公式，有FA(t)=nBLI(t)，其中：n為線圈匝數(shù)，B為磁通密度，L為有效線圈長度，I為電流強度。

　　對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制時，輸入為電壓控制信號，通過功率放大器轉(zhuǎn)換為電流輸出，轉(zhuǎn)換的關(guān)系為I(t)=ku(t)，運動方程可寫為如下形式：

　　然而，執(zhí)行機構(gòu)在實際工作過程中，由于線圈磁通不均勻和磁阻推力，使得執(zhí)行機構(gòu)的推力與線圈電流并不呈線性關(guān)系，從而給控制帶來了較大的難度。同時，由于切削力在加工過程中是實時變化的，也對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了很大的影響。

　　2 自抗擾精密跟蹤運動控制器的設(shè)計

　　圖1給出了自抗擾控制器結(jié)構(gòu)。

　　典型的自抗擾控制器包括跟蹤微分器(trackingdifferential,TD)、擴張狀態(tài)觀測器(extended stateobserveF，ESO)和非線性反饋控制器3部分。n階TD的作用是給出不可微輸入信號的跟蹤信號及其l至n-l階微分信號。TD產(chǎn)生的信號相對于輸入信號有少許滯后，此外，非圓零件截面形狀一般用可微函數(shù)表示，直接對該函數(shù)求導(dǎo)就可以獲得參考信號的微分值。因此，本控制器去掉了TD環(huán)節(jié)。。ESO可實時估測出被控對象的各階狀態(tài)變量和系統(tǒng)的總擾動中的未知部分(包括內(nèi)擾和外擾)，并給予補償。非線性反饋控制器將TD的輸出信號與由ESO觀測到的相對應(yīng)的狀態(tài)變量作差后，經(jīng)過非線性組合，產(chǎn)生未包含擾動在內(nèi)的控制量，達(dá)到提高系統(tǒng)的快速性,減小超調(diào)量的目的。

　　設(shè)FTS執(zhí)行機構(gòu)在實際工作過程中，推力FA與輸入u之比為一未知函數(shù)b(t)。則執(zhí)行機構(gòu)的運動微分方程可寫為：

　　3 仿真分析

　　為了考察自抗擾控制器抵抗外界擾動和內(nèi)部參數(shù)變化的能力，利用Matlab編程，分別進(jìn)行了仿真分析。為了更直觀地說明問題，同時還對PID控制進(jìn)行了仿真。在仿真編程時，被控對象采用二階模型。由于實際被控對象中的未建模環(huán)節(jié)，在比例系數(shù)過大時將造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了盡量準(zhǔn)確地反映實際加工過程中切削力的影響，仿真過程中對兩種控制算法的比例系數(shù)根據(jù)實際情況進(jìn)行了限制。在此限制下，通過反復(fù)調(diào)節(jié)，分別整定出使跟蹤誤差最小的控制參數(shù)，并用這組參數(shù)進(jìn)行了下面的仿真實驗。

　　3．1 抵抗外界擾動的性能分析

　　非圓車削中FTS所受到的外界擾動主要是變化的切削力，故仿真分析時干擾信號采用加工過程中兩種典型的切削力信號。仿真采用的參考信號為非圓車削過程中刀具沿工件徑向理想的往復(fù)運動軌跡。以主軸轉(zhuǎn)速1 200 r／min，加工橢圓度為0．4 mm的活塞為例，刀具運動方程為y=100(cos(251．33t／s)-1)。

　　試驗l：從第0．05 s開始，加入幅值為50 N，頻率與刀具運動頻率相同的切削力信號Fw／N=50(1-cos(251．33t／s))，這相當(dāng)于由圓形截面車削形成非圓截面的工況。仿真結(jié)果如圖2所示，其中縱坐標(biāo)為跟蹤誤差e，橫坐標(biāo)為時間t。

　　由圖2可以看出，PID控制在加入干擾信號后，誤差幅度明顯增大，誤差曲線規(guī)律也有明顯改變。而自抗擾控制在加入干擾信號后，所受到的影響基本被消除，誤差范圍與未加入干擾前相當(dāng)，說明自抗擾控制有良好的抗干擾特性，對于因切深變化而產(chǎn)生的交變切削力，抑?jǐn)_能力要強于PID控制。

　　試驗2：從第0．05 s開始，加入幅值為50 N，頻率與刀具運動頻率相同的方波切削力信號，這相當(dāng)于加工帶有活塞削孔橢圓形截面的工況。兩種控制方法的跟蹤誤差仿真結(jié)果如圖3所示。

　　從圖3可見，方波切削力干擾信號由于具有力突變的性質(zhì)，所以對控制系統(tǒng)的影響要大于正、余弦干擾信號。對于自抗擾控制，在切削力發(fā)生突變時，誤差僅發(fā)生小幅波動，對整體的誤差范圍沒有影響。但對于PID控制，這種干擾所帶來的誤差波動是相當(dāng)劇烈的。因此，對于因凹槽等原因而產(chǎn)生的方波規(guī)律變化的切削力，自抗擾控制的抑?jǐn)_能力也強于PID控制。

　　3．2 抵抗內(nèi)部參數(shù)變化的性能分析

　　為了檢驗控制算法抵抗內(nèi)部參數(shù)變化的能力，在上述參考信號的基礎(chǔ)上，從O．05 s開始，將FTS執(zhí)行機構(gòu)的輸出增益減小50％，試驗結(jié)果如圖4所示。

　　從圖4可見，增益減小50％后，PID控制的誤差范圍有了較為明顯的變化，而自抗擾控制的跟蹤效果幾乎沒有受到任何影響。這個試驗充分反映了自抗擾控制對被控對象模型不依賴的特性，其魯棒性強于PID控制。

　　4 切削試驗研究

　　4．1 試驗系統(tǒng)

　　切削試驗是在G-CNCP200型中凸變橢圓活塞數(shù)控機床上進(jìn)行的。該機床橫向和縱向運動為開環(huán)控制，交流伺服驅(qū)動。FTS機械結(jié)構(gòu)部分安裝在機床的橫向刀架上，驅(qū)動刀具實現(xiàn)精密往復(fù)運動。主軸采用變頻控制，可實現(xiàn)無級調(diào)速。FTS硬件包括DSP(digital signal processor)控制板，D／A轉(zhuǎn)換器，功率放大器和線性執(zhí)行機構(gòu)和線性光柵5部分。DSP控制器經(jīng)過算法運算后，通過數(shù)摸轉(zhuǎn)換器將模擬控制信號發(fā)送給功率放大器，經(jīng)放大后直接驅(qū)動機構(gòu)往復(fù)運動，其位置值通過尾部的光柵反饋回DSP控制板，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　DSP控制板采用TMS320LS2407型DSP芯片。這種芯片主頻為30 MHz，支持32位