控制在数控系统中的设计仿真与应用.pdf

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1、万方数据2009年第9期·控制与检测·文章编号：1001—2265(2009)09—0033—04复合控制在数控系统中的设计仿真与应用涂天祥，陈哲衔，裴海龙，王清阳(华南理工大学自动化科学与工程学院，广州510640)摘要：针对数控系统设计中常规PID控制算法存在输出对应于输入有一定的滞后等问题，提出了一种带有按输入补偿的复合PID控制算法。首先对被控对象进行建模和辨识，然后进行数字PID算法的仿真和复合控制算法的仿真，并对两者做了比较。仿真和加工结果表明该算法可以显著提高系统的跟踪性能。关键词：数控；复合控制；建模；仿真中图分类号：TG65；TP24

2、2．6文献标识码：BResearchandApplicationinNumeralControlBasedCompoundControlTUTian-xiang。CHENZhe·xian，PEIHai·long，WANGQing—yang(SchoolofAutomaticScienceandEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China)Abstract：Inthispaper，acompoundcontrolalgorithmwasdevelopedtohandl

3、ethefollowingproblemintheNCsystemonlyusingPIDcontrolalgorithm：uncertaintime-delay．Arelatedmodeling／Simulationandexperi-mentWassetuptoandtheresultshowthismethodvalidity．Keywords：numericalcontrol；compoundcontrol；modeling；simulationO引言为适应现代生产的需要。现代数控系统越来越向高精度、高速度和高自动化方向发展⋯。现在工业上所用的

4、大多数数控机床所采用的是位置反馈加上速度内环控制，采用的控制方法大多是传统的是PID算法。但由于数控机床系统的数学模型具有非线性、时变性和强耦合等特点，因而难以达到较为满意的控制效果"1。本文所提出的带有按输入补偿的复合控制通过引入一个特定前馈量使得输出完全复现输入，提高了系统的快速响应性。l建模对于一个典型的数控机床来说，被控对象由机床本体和伺服系统构成，而机床本体中与加工精度最密切相关的是机械传动机构，伺服系统与加工精度最密切相关的是伺服器及伺服电机。因此，需要分别对它们进行建模并确定由它们组成的被控对象的模型阶数。1．1机械传动机构的建模数控机床

5、的机械传动机构本身是一个动力学系统。为便于分析计算，常将数控机床的机械传动机构简化成等效的动力学系统。因此，这样的动力学系统可以简化成一个等效的弹簧质量振动系统¨1。则其模型是一个二阶系统，传递函数为：G㈤=器=磊L南(1)厅其固有频率为∞。2√言。式中，L为丝杠的导程，传动刚度k作为等效弹簧的刚度，c，为导轨副上的粘性阻尼系数。当机械传动机构简化成简单的比例环节系统时，收稿日期：2009—04—27；修回日期：2009—05—26·基金项目：国家自然科学基金(60736024)；教育部重大培育项目(708069)作者简介：涂天样(1984一)，男，江

6、西赣州人，华南理工大学自动化科学与工程学院2007级硕士研究生，研究方向为数控系统技术，(E—mail)qichen903@163．corn。·33·万方数据·控制与检测·组合机床与自动化加工技术设工作台执行部件的位移为茹，电动机轴的角位移为0，齿轮比为k。，丝杠的导程为L，则机械传动机构的传递函数为：G㈤=器=知㈩1．2交流伺服电机的建模交流伺服电机的结构比较复杂，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在一般的工程设计中是将数学模型简化成单变量线性系统，从而可以应用直流电机转动系统中常用的工程设计方法来进行调节器设计。当设计位置调节器时，伺服器与交

7、流伺服电机组成的调速系统可简化为一阶惯性环节‘41，其传递函数可设为：似。=瓦等(3)式中，％为电机的机械时间常数，a、b是交流调速系统的系数。1．3被控对象模型的建立综合上述，可以绘出整个被控对象的结构框图如图1所示。J剖面升亟斟面沪蝗图1被控对象的结构框图图l中的G，(s)为式(1)或(2)，G：(s)为式(3)。2被控模型对象的参数辨识2．1被控对象辨识的实验平台为了对数控系统的被控对象——伺服器及伺服电机和机械传动机构进行辨识，应用PCI04单板机和本实验室开发的扩展板搭建辨识实验平台，该实验平台的组成如图2所示。Pcl04单机板扩展板被控对象

8、以某种编码方式反馈同来，通过编码器接口转化成数字值供PCI04单板机读取；反馈装置根据采取的控