Application of active disturbance rejection control to variable spindle speed noncircular turning process

In application of variable spindle speed machining to noncircular turning process, the tracking control of the fast tool servo yields a periodic sampling rate in the real-time domain. However, in the view of the angle domain, the sampling rate is constant. Moreover, the reference acceleration signal is easily available. This implies that it is advantageous to design the control system from the angle domain perspective, but the plant for a linear time-invariant system will become a periodically time-varying system. In this paper, the active disturbance rejection control strategy is applied to actively estimate the time-varying dynamics and other disturbances and compensate for them in the control law. The acceleration feed-forward strategy is employed to achieve better tracking performance. The stability analysis based on the lifting technique is proposed. Experimental machining results demonstrate the tracking performance of the proposed design, as well as the ability to increase machining stability using variable spindle speed machining.     

一种进给伺服系统非线性PID交叉耦合控制

提高多轴伺服系统的轮廓跟随性能是现代计算机数控加工的重要应用之一。针对传统交叉耦合控制方法对自由曲线轨迹的轮廓跟踪精度较差以及传统PID控制系统抗扰性和鲁棒性较差的问题,提出一种基于自抗扰控制的交叉耦合轮廓误差补偿综合控制策略,该策略由用于位置环反馈控制和轮廓误差补偿的新型非线性PID (NLPID )、位置伺服控制器 TNP-ADRC 和基于NLPID的变增益交叉耦合控制器组成。在MATLAB/Simulink环境下对方波信号跟踪和标准圆轮廓加工过程中轮廓误差的变化情况进行仿真,仿真结果表明：与传统PID交叉耦合控制相比,该方法不仅能够有效提高系统的鲁棒性以及抗干扰能力,并且能够显著提高多轴运动控制系统的轮廓加工精度。     

同心不等径非圆截面数控车削系统研究

为了提高同心不等径非圆截面零件加工的质量和效率,对实现该类零件加工的方法进行了研究,提出了一种快速高精度加工同心不等径非圆截面的数控车削方法。设计了数控车削系统的结构,快速刀具进给伺服机构(FTS)采用基于自抗扰控制的直线电机系统。数控系统采用PMAC(Pro-grammable multi-axis controller)多轴运动控制器的时基控制法,实现刀具驱动进给和工件旋转的协调控制,完成该型零件的自动车削。结果表明该型零件的加工精度和加工效率得到了提高。     

自抗扰控制在快刀伺服系统控制中的应用

为了提高微结构自由曲面光学元件超精密加工中快刀伺服系统的跟踪精度和抗干扰性,引入自抗扰控制器。通过对快刀伺服刀架进行建模分析,得到惯性环节和二阶振荡环节串联的等效模型。根据低阶自抗扰控制器控制高阶系统的理论,设计出二阶三维扩张状态观测器,可对来自各种干扰源未知扰动的观测结果做出实时估计和补偿。设计出自抗扰控制器,并给出了参数整定的规则。数字仿真实验表明:自抗扰控制器具有良好的控制品质,应用在快刀伺服系统中可以提高控制系统的跟踪性能和抗干扰性。     

高精度电液位置伺服系统的设计

将小流量的伺服阀用于低速液压缸的定位控制和跟踪控制，建立了该液压伺服系统的非线性数学模型，实验表明其随动性优于传统的线性控制器，抗干扰能力强。     

基于自抗扰控制的直驱电液伺服系统仿真研究

针对直驱式电液伺服系统中存在的非线性特性和外部扰动导致系统流量供给不平衡问题,基于自抗扰控制理论,提出一种基于三阶线性自抗扰控制的液压缸位置控制方法,实现直驱式电液伺服系统电机转速与液压缸位置的闭环控制。同时针对传统系统建模不精确导致控制效果差的问题,在理论分析的基础上,结合电液伺服系统的性能和实际工况,基于AMESim建立直驱式伺服液压系统仿真模型。通过建立AMESim和Simulink的联合仿真模型,验证控制器的有效性。结果表明：该控制策略可以有效消除由于流量供给不平衡导致的液压缸在换向运动时出现位移波动,液压缸位移的平均绝对百分比误差为4.4%,较好地实现位置跟踪。在外负载扰动的情况下,系统具有较强的抗干扰能力,从而保证系统的稳定性。     

压电驱动的快刀伺服器的迟滞逆模型辨析与自抗扰复合逆控制

为了提高具有表面微结构零件的超精密加工中快刀伺服器的轨迹预测和跟踪精度与抗干扰性,设计一种新型复合控制:在前馈控制器中用Preisach逆模型补偿系统中压电陶瓷驱动器引起的非线性特性;针对前馈控制器未能补偿的非建模扰动、模型参数的不确定性以及其他外界未知扰动,设计了自抗扰控制作反馈控制器。推导了Preisach逆模型;用RBF神经网络实现了Preisach逆模型对压电陶瓷驱动器的线性化补偿;通过对快刀伺服器的建模分析,得到惯性环节和二阶振荡环节串联的等效模型,设计三阶四维扩张状态观测器,可对未知扰动的观测结果作出实时估计和补偿。根据快刀伺服器和超精密车削的特点,取消跟踪微分器,增加速度输入和加速度输入,设计了改进的自抗扰控制器。上述两种控制器组合成复合控制器。实验表明,该复合控制方法可以提高预测和跟踪精度与抗干扰性。     

基于迭代学习交叉耦合的轮廓误差控制方法研究

针对进给伺服系统传统控制方法产生的各轴特性不匹配、控制精度不佳、抗扰动能力不足等问题,提出一种基于自抗扰控制(ADRC)和迭代学习交叉耦合控制(ILCCC)的轮廓跟踪控制算法。对于空间任意轮廓曲线,所提算法在三轴联动条件下,通过不断的迭代学习过程,优化分配给各轴的轮廓误差补偿量,加快伺服轴动态响应的同时,有效抑制伺服系统的轮廓误差。在仿真平台下建立控制器数学模型,对空间直线和空间螺旋线轨迹进行了三维跟踪验证。研究结果表明：与ADRC控制算法和ADRC+PIDCCC控制算法相比,ADRC+ILCCC控制算法在轮廓误差的最大绝对值、累计值以及平均值等指标上均有很大改善,证明了所提算法的优越性。     

精密直线伺服装置数字预见控制器设计

直线伺服装置是实现非圆截面类零件数控车削加工的关键,针对其加工目标轨迹已知的特点,本文基于二次型最优控制理论设计了直线伺服装置数字预见控制器.该控制器由一个具有PI-PD形式的最优状态反馈控制器和预见前馈补偿器构成.为了进一步克服外部干扰、模型误差和参数变化对预见控制的影响,提出了一个离散时域扰动观测器.仿真结果表明,该控制方法能够满足高速高精度条件下对非圆截面零件的车削加工要求.     

精确定位伺服系统的近似时间最优控制

提出了一种近似时间最优控制与时间延迟观测器相结合的快速无静差定点跟踪控制器的设计。控制律以近似时间最优控制律为主体,引入对未知扰动的补偿,利用时间延迟控制技术设计一个对扰动的观测器,同时通过一个现值观测器对系统的不可量测状态进行估计。把这种控制方案用于典型的双积分伺服系统的定位控制,并在MATLAB/Simulink中进行了仿真研究,结果表明所设计的控制系统可以对给定目标进行快速和准确的跟踪,且对扰动和系统参数差异具有较好的性能鲁棒性。     

阀控非对称缸位置伺服系统鲁棒控制策略研究

针对阀控非对称缸位置伺服系统的非线性和不确定因素,采用实验的方法建立了等效的线性不确定模型,并在理论线性化模型的基础上确定了抗负载干扰指标,设计了定量反馈(QFT)鲁棒控制器.在发现相位误差较大的情况下,采用零相差跟踪控制器代替前置滤波器.实验结果证明使用零相差跟踪控制器能够获得更高的曲线跟踪精度.     

直线电机伺服系统精密数字控制方法研究

直线电机是实现非圆截面类零件数控车削加工的关键,针对其跟踪目标轨迹已知和对外部干扰及模型参数摄动敏感的特点,研究了一种具有离散时域扰动观测器的数字预见控制方法。首先,通过在最优状态反馈控制的基础上增加目标预见前馈项,减小了直线电机伺服系统的位置跟踪误差;其次,将外部干扰和模型参数摄动作为等效控制输入,设计了一种离散时域扰动观测器加以抑制,增强了预见伺服系统的鲁棒性。仿真结果表明,该控制方法能够满足高速高精度条件下对非圆截面零件的车削加工要求。     

基于ASGSO的数控机床进给伺服系统分数阶控制

为满足数控机床对加工精度的要求,针对交流永磁同步电机驱动的进给伺服系统在不同工况下存在的扰动、摩擦、变负载、惯性力矩等非线性问题,设计一种自适应步长的萤火虫算法(ASGSO)优化的分数阶PID控制器(ASGSO-FOPID)。FOPID控制器相比传统控制器动态性能突出,能够对非线性环节进行更好的控制。利用ASGSO算法全局搜索能力,获得最优数控机床进给伺服系统分数阶PID控制器参数。建立数控机床进给伺服系统模型,分别采用PSO-FOPID、状态转移STA-FOPID、ASGSO-FOPID控制进给伺服系统进行对比。仿真和实验结果表明：提出的ASGSO-FOPID控制器具有跟踪速度快、抗干扰能力强、精度高等优点,该方法能够有效地提高数控机床的定位精度和加工精度。     

活塞数控加工的预期迭代学习控制研究

在高速精密非圆加工中,伺服刀架系统的幅值衰减产生较大的刀具轨迹跟踪误差,从而降低加工精度.针对活塞外圆数控加工数据控制,设计了一种预期迭代学习控制方法.推导该控制算法在频域下的收敛条件,经仿真实验验证,这种控制方法运用于活塞外圆加工中可以取得良好的控制效果.     

风电叶片部件疲劳试验机跟随控制策略研究

针对风电叶片部件疲劳试验过程中实际载荷与期望载荷跟随效果差的问题,提出一种超前自校正与改进线性自抗扰(LADRC)相结合的同步控制策略。该方法通过对实际载荷进行自校正补偿与系统误差以及外部扰动一起输入到改进线性自抗扰控制器,从而实现加载力和频率的有效控制。对疲劳试验机油电液伺服系统控制算法进行仿真分析,并通过搭建现场试验平台对同步控制策略进行有效性验证。仿真及试验结果表明：在较大载荷疲劳试验过程中,该控制策略显著提升系统的快速响应性和抗干扰能力,载荷误差控制在1%以内,相对于传统ADRC控制算法同步误差减小了56.14%,有效实现了风电叶片部件疲劳试验载荷的精确控制。     

活塞数控加工的迭代学习前馈反馈控制研究

在高速精密非圆加工中,伺服刀架系统的幅值衰减产生较大的刀具轨迹跟踪误差,从而降低加工精度.针对活塞外圆数控加工数据控制,设计了一种迭代学习的前馈反馈控制方法,该控制算法中的前馈采用迭代学习控制,利用以往批次信息实现精确跟踪.反馈部分用于克服当前批次的扰动.推导该控制算法在频域下的收敛条件,经仿真实验验证,这种控制方法运用于活塞外圆加工中可以取得良好的控制效果.     

数控机床直线电机进给伺服驱动的摩擦力和扰动抑制措施

针对永磁直线同步伺服电机(PMLSM)直接驱动数控机床伺服系统,提出了一种基于摩擦力和扰动补偿的零相位误差跟踪控制策略.以解决摩擦力和扰动对系统性能的影响.零相位误差跟踪控制器保证了快速性,使系统实现准确跟踪;而补偿制器克服了摩擦和扰动等不确定性影响,保证了系统具有较强的鲁棒性和定位精度.仿真结果表明,该种控制方案较好地改善数控机床进给的定位精度和跟踪性能.     

机电伺服系统有限时间自适应反步控制方法研究

机电伺服系统存在未建模动态及不可避免的未知扰动,会严重影响系统的伺服性能。针对未知扰动下机电伺服系统惯性负载的角位移跟踪控制问题,考虑未建模动态对系统的影响,提出一种基于有限时间的模糊自适应指令滤波反步控制方法,能有效补偿系统中的未知扰动和未建模动态,具有良好的惯性负载角位移跟踪控制效果。针对系统中存在的未知外部扰动及未建模动态,结合滤波反步法和模糊控制理论,使用模糊逻辑系统逼近未知非线性动态同时构造自适应控制器。考虑到微分计算带来的计算爆炸问题,构建有限时间指令滤波器,降低了系统的计算复杂度,并通过设计滤波误差补偿机制,对滤波误差项进行补偿,保证滤波信号的逼近能力,提升系统跟踪控制性能。通过稳定性分析,证明所设计的控制器能够保证系统的跟踪误差在有限时间内收敛。最后通过仿真实验,验证了所提控制方法的有效性。     

基于直线音圈电机运动平台的线性自抗扰控制研究

运动平台是机床设备中重要的组成部分,广泛使用的机械导轨式运动平台定位精度难于突破微米级,摩擦是影响机械导轨式运动平台定位精度的主要原因。为解决摩擦作用导致的运动平台动态性能难以提升的问题,针对直线音圈电机运动平台设计了一种线性自抗扰控制器。将PD控制器和带模型信息的扩张状态观测器相结合,带模型信息的扩张状态观测器可以根据控制输入量和位置误差估计出平台运动过程中受到的摩擦力,并在控制输入量中进行补偿。该观测器很好地补偿了摩擦扰动,从而提高了系统的鲁棒性和跟踪性能。仿真实验表明：该线性自抗扰控制器与PID控制器相比,可有效提高直线音圈电机运动平台的动态性能。     

基于PMAC快速PID整定与精度补偿研究

数控系统中动态性能与定位精度决定了加工质量及效率,为满足磨床数控系统控制要求及加工精度,研究快速整定PID方法及提高定位精度补偿方式,基于PMAC运动控制器搭建五轴数控工具磨床的全闭环伺服系统。针对伺服系统动态性能差、跟随误差较大等问题,阐述了基于PMAC的前馈-PID陷波滤波器伺服算法,提出了快速PID整定方法。针对定位精度差的问题,论述了定位补偿原理及方式,使用激光干涉仪进行目标点测量后制作螺距补偿和反向间隙补偿表。结果表明,PID整定方法得当,五轴磨床的动态响应性能良好,跟随误差大幅度减小;定位补偿措施合理,定位精度和重复定位精度大幅度提高,达到设计要求的3μm以内。