模糊控制器在数控机床伺服系统中的应用.pdf

工 业 控 制 与 应 用 n du s t r y Co n t r ol an d Ap p l i c a t ion s 自动化 技术与应用 2 0 1 0年第 2 9卷第 6期 模糊控制器在数控机床伺服 系统 中的应用 舒 大 松 湖南广播电视大学 ， 湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 摘要 提出了利用模糊P I D控制器控制数控机床伺服系统位的方法， 并设计了模糊 P I D控制器应用于其位置控制器中进行控制。介 绍了模糊P I D控制器结构， 以及模糊控制规则的生成方法 ， 并且利用MA TL A B语言对该控制方案进行数字仿真。仿真结果表 明 该方法稳态误差为零 ， 动态响应快 ， 超调量小， 有较好的控制效果。改造后的数控铣床扩展了功能， 能完成进给部分的自动 控制， 加工精度有了明显提高。 关键词 数控机床； 位置控制器； 模糊 P I D； 仿真 中图分类号 TP 2 7 3 ． 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 6 0 0 3 3 0 4 Ap p l i c a t i o n o f t h e F u z z y Co n t r o l le r t o t h e Se r v o Sy s t e m O f NC Ma c h i n e T O O I S HU Da - s o ng H u n a n R a d i o a n d T e l e v i s i o n U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4 C h i n a Ab s t r a c t An a p p r o a c h i s p r e s e n t e d t h a t s e r v o s y s t e m o f NC ma c h i n e t o o l c a n b e c o n t r o l l e d b y me a n s o f P I D c o n t r o l l e r c o mb i n e d wi t h t h e f u z z y l o g i c ， a n d t h e c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d f o r a p p l i c a t i o n t o i t s p o s i t i o n c o n t r o l l e r ． Th e s t r u c t u r e a n d t h e me t h o d o f c r e a ti n g p r i n c i p l e s o f t h e f u z z y PI D c o n t r o l l e r a r e i n t r o d u c e d ． A d i g i t a l s i mu l a t i o n for t h i s s c h e me i s ma d e a t t h e e n d o f t h e e s s a y b y M ATLAB l a n g u a g e ， t h e r e s u l t s o f wh i c h s ho w t h a t t h i s me t h o d n o t o n l y h a s n o s t a t i c d i s t o r t i o n， b u t a l s o h a s a f a s t r e s p o n s e wi t h l i t t l e o v e r s h o o t ． Th e s c h e me i S o f g o o d c o n t r o l e f f e c t ． F u n c t i o n s o f t h e r e o fit d mi l l i n g ma c h i n e a r e e x pa n d e d ． I t c a n a u t o ma t i c a l l y c o n t r o l t h e p a r t o f f e 6 d i n g a n d t h e p r e c i s i o n o f p r oc e s s i n g i s o b v i o us l y i mp r o v e d． Ke y wo r ds NC ma c h i n e t o o l ； p o s i t i o n c o n t r o l l e r ； f u z z y P I D； s i mu l a t i o n 1 引言 据统计， 我国现有机床中， 需技术改造的约占 2 5 ％， 而对其改造主要是采用数控和计算机控制技术 ， 这将是 一 个能提供几十亿到上百亿元的广阔市场⋯ 1 。应用数控 技术对普通机床进行 自动化和精密化 的改造其 内容主 要包括 在机床上附加数控装置和执行元件 ， 选择合适 的机床伺服系统和计算机系统等。其 中， 以伺服系统最 为关 l 。 数控机床的位置控制是控制输出量的最后环节， 是 控制系统和机械系统的接 口， 它直接影响最后的加工质 量， 机床的最高运动速度 、跟踪精度、定位精度等重要 指标均取决于驱动及位置控制系统的动态与静态性能。 收稿 E l 期 2 0 1 0 -0 3 3 1 因此 ， 研究与开发高性能的驱动系统及位置控制系统 ， 一 直是研究数控机床的关键技术之一【 引。目前数控机床 位置伺服控制仍然普遍应用 P I D经典控制方法 ， 如比例 型或比例一积分型等算法 ， 其优点是算法简便、易于实 现， 但存在着控制参数适应性差、抗干扰能力不强等缺 陷【 引。为了适应制造业对高效率地生产高质量产品目标 的追求以及对形状愈来愈复杂零件的加工需要 ， 要求不 断地改善与提高位置伺服系统的稳态精度、动态响应 特性、对系统参数变化的 自适应性和抗干扰性 ， 因而采 用并发展先进的控制技术是一种必然趋势。而模糊控 制引入 了逻辑推理 ， 有较强的 自适应能力 ， 对 非线性 、 大延迟等复杂系统有 良好的控制效果 ， 但模糊控制所依 赖的控制规则缺乏在线自学习或 自调整能力， 往往使稳 态性能变差I 5 l 。 自 动化 技术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第6 期 2 F _ 业 控 制 与 应 用 n d u s t r y Co n t r ol a n d App l ic a t ion s 本研究将 P I D和模糊控制两种方式结合不但能实 现精确控制 ， 而且具有较强的适应性 ， 可以更有效地实 现人的控制策略和经验 。 2 控 制对象及算法 本文以改造 Ma k i n o旧铣床为研究对象， 铣床机械 部分 的刚性及精度较好 ；电气控制部分采用采用继电 器 ～接触器控制系统， 存在系统稳定性差、加工精度不 高 ， 不能加工复杂形状。改造前铣床的主要指标、数据 及精度为 x方向行程一 一 8 o 0 mm， Y方向行程 一 一 5 0 0 mm， Z方向行程 一 一 3 5 0 mm。 x轴、Y轴、Z轴滚珠丝杠螺距 一 一 7 mm； X、Y、Z 轴电机最大速度 - -1 4 0 0 转 ／分， 最大进给速度 - - 7 米 ／ 分 ； X、Y、z轴电机最小速度 - -1 0 转 ／分 ， 最小进给速 度 -- 5厘米 ／分。 现有理论精度约为 2 0微米 x、Y、Z 轴电机功率为一 一 2 KW； 主轴电机为Y1 1 2 M 一 4 ， 4 KW， 1 4 4 0转／分， 主轴为变速箱调速 本次改造中X、Y、Z轴伺服 电机选用交流永磁 同 步电机伺服电机 ， 选用的电机的型号为 MI TS UBI S HI HC S F E 2 0 2交流伺服电机 ， 输出功率为2 KW， 转速为 2 0 0 0 转 ／分。选用三菱通用交流伺服系统 ， x、Y、Z三 轴分别采用三个伺服放大器控制， 型号为 MI TS UB I S HI 2KW M R-J 2 S-2 0 0 A。 本文采用位置、速度、电流三环的同步电动机位置 伺服系统的控制方框图如图 1所示。 图 1 同步 电动机位置伺服系统的控制方框图 三环位置伺服系统的控制过程是 由位置指令 0 与位置反馈值 比较后， 经位置调节器求得速度指令值 C O *， C O *与速度反馈值 国 比较后， 经速度调节器求得 电 流 矢量 大小的指令f ， 根据f 与实际位置值 ， 得出三 相电流瞬时值指令 ， t 、 、 ， 再通过电流闭环控制 ， 使各相定子电流 接近指令值 。 其 中作为速度环的输入的位置控制环节采用模糊 P I D自整定控制。目的是使控制器能够根据实际情况调 整比例系数 Kp 、积分系数 Ki 和微分系数 Kd ， 以达到调 节作用的实时最优。该 F u z z y自整定P I D控制系统结构 如 图 2所示 。 2 ． 1 输入值的模糊化 图 2 F u z z y自整定 P I D控制系统结构 首先要将输入变量变换到相应的论域 ， 并将输人数 据转换成合适的语言值 ， 也就是要对输入量进行模糊化 [ 5 1 。结合本位置伺服系统系统的特性 ， 这里选择模糊变量 的模糊集隶属函数为正态分布。根据该规则可把误差 e 、 误差变化率 e c d e／d t 对应的语言变量 E 、E C表示成模 糊量。E 、E C的基本论域为[ - 3 ， 3 】 ， 将其离散成 7 个等级 P [ - 3 ， - 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ] 。考虑到控制的精度要求， 本 设计将[ _ 3 ， 3 1 分为负大[ N B 】 、负中【 N M】 、负／ J , [ NS ] 、零 [ z o ] 、正d , [ P S l 、正中【 P M] 、正大[ P B 】 等7 个语言变量， 然 后由e 、e C隶属函数根据最大值法得出相应的模糊变量。 2 ． 2 模糊控制规则表的建立 2 ． 2 ． 1 K O 控制规则设计 在 P I D控制器中， Kp值的选取决定于系统的响应速 度。调节初期应适当取较大的 Kp值 以提高响应速度 ， 而在调节中期， Kp则取较小值 ， 以使系统具有较小的超 调并保证一定的响应速度 ； 而在调节过程后期再将 K p 值调到较大值来减小静差， 提高控制精度。K p的控制 规则如表 1所列。 表 1 模糊 自整定控制规则表 ＼ 舶 n WS zo PS PI PB 船 P B P B P - P I P S z 。 z。 骶 P B 耶 P P S P S 7 ． 0 爵 I S P B P I H P S z o _ s 冀 s z o H H P S z 0 l s l s Ⅱ P S PS P s z 。 嗣 s l s 聃 珊 H P s z 0 I S Ⅱ Ⅱ 飙 厢 P 丑 z 。 ∞ 嗣 I 疆 耻 舶 舶 2 ． 2 。 2 K i控制规则设计 在系统控制中， 积分控制主要是用来消除系统的稳 态误差。在调节过程的初期 ， 为防止积分饱和， 其积分 作用应当弱一些， 甚至可以取零 ； 而在调节中期 ， 为了避 免影响稳定性， 其积分作用应该比较适中； 最后在过程的 后期， 则应增强积分作用 ， 以减小调节静差。依据以上 工 业 控 制 与 应 用 nd u s t r y Con t r o l an d Ap pl ic a t i o n s 自动化技 术与应用2 01 0年第 2 9卷第 6期 分析 ， 制定的 Ki 控制规则表如表 2所列。 表 2 模糊自整定控制规则表 A K 2 。 2 ． 3 K d 控制规则设计 微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入的， 微 分环节系数的作用在于改变系统的动态特性。在调节初 期， 应加大微分作用， 这样可得到较小甚至避免超调 ； 而在 中期， 由于调节特性对 Kd值的变化比较敏感 ， 因此， Kd 值应适当小一些并应保持固定不变 ； 然后在调节后期 ， Kd 值应减小， 以减小被控过程的制动作用， 进而补偿在调节 过程初期 由于 K d值较大所造成的调节过程的时间延 长。 。依据以上分析， 制定的 Kd控制规则表如表 3所列。 表 3 模糊 自整定控制规则表 A K 船 1 0 1 N S Z 0 P S p I I 邝 船 P S 茸 s 船 船 期 n P S 矾 P S 日 s 帅 肌 硼 H s z o N 5 Z 0 Ⅳ 5 唧 埘 船 Ⅳ 5 Z 0 Z 0 Z 0 I I S N S N S H S N s Z 0 P S Z 0 Z 0 Z 0 Z 0 Z 0 Z 0 Z 0 P 胃 P B H S P S P S P S P S P B P 曰 P B P I P I P I I P S P S P B 2 ． 3 逆模糊化处理及输出量的计算 对经过模糊控制规则表求得的 Kp 、Ki 、Kd采用重 心法进行逆模糊化处理 ， 输出量计算公式如下 』 “ K ， e k K， T P K A e k ／ T 1 式中， u k 为 k采样周期时的输出， e k 为k采样周 期时的偏差， T为采样周期， 通过输出u k 乘以相应的比 例因子 Ku就可得出精确的输出量 u。其公式如下 UU k K 3 仿真结果 与分析 图 3 模糊控制系统仿真结构 机床伺服系统 中， 位置环采用上面介绍的模糊 PI D 控制器， 速度环仍采用常规 PI D调节器。图 3为系统的 s i mu l i n k仿真 图。 利用常规数字 P I D和本文所设计的模糊P I D方案进 行阶跃响应的MAT L AB [ ， 仿真， 结果如图4 与图5 所示。 宝 詈 善 譬 ‘ ‘ ， ＼ ． ／ ． ‘ ／ ‘ ／ ’ 。 | 。 ． 。 。 。 ． 。 。 。 ． 0 O 5 I 1 i O ． 1 5 n2 札2 S n， a ． ， 5 n● [4 5 鼠， ■ I 图 4 常规 P l D仿真结果 图 5 模糊 P l D仿真结果 从图4与图 5的阶跃响应仿真曲线我们可以看出， 采用模糊 P I D方案， 普通的数字 P I D相比， 其系统的超调 量得到了较大的改善， 只有 3 ％左右 ； 动态响应时间大大 减少； 稳态误差为零。 同时， 图4与图5中都在 t 0 ． 3 秒处添加了一个 l V 的扰动 ， 仿真结果显示 ， 采用模糊 P I D控制器的仿真曲线 很快 回到稳态 ， 动态相应好 ，自适应能力强 。因此模糊 P I D方案具有很好的控制效果 3 结束语 以上所述为模糊 P I D控制器的设计方法， 这种方法 结合了简单模糊控制与传统 P I D控制的优点， 通过仿真 表明 该方法具有较好的稳态性能 ， 动态响应快 ， 超调 下转第 4 8页 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第6 期 计 算 机 应 用 Co m p u t er App l i c a t i o n s 本设计系统利用 Ro c k we l l 公司的软件 R S V i e w3 2 强大功能， 利用高级语言VB的便利性【 3 l ， 再结合 AD O访 问数据库S Q L S e r v e r 2 0 0 0 技术 ， 实现了生产流水线中的 灵活配方管理 。实际调试表明 ， 在不影响生产的情况 下 ， 后天配方算法程序用户可根据需求更改 ， 不需要投 入大量人力物力 ， 实现生产的可扩展可修改特性 ， 本设 计可以扩展到实际生产 中去。由于 AD0能够连接不同 的数据库如 Or a c l e ， 在大型的现场应用中， 能够实现数据 库和控制信息交互的强大的数据交互能力。 参考文献 【 1 ]孙宏伟． C o n t r o l l o g i x 在大型顺序控制系统中的应用【 J ] ． 电气时代， 2 0 0 4 ， 5 7 4 - 7 6 ． 【 2 】靳敏． VB中A DO访问技术的实现[ J ] ． 交通科技与经济， 2 0 0 5 ， 3 4 4 - 4 6 ． 【 3 】 美 S TE VE N HO L Z N E R， Vi s u a l B a s i c ． 0 技术内幕 【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． 作者简介 王守全 1 9 5 1 ， 男， 工程师， 研究方向 煤矿生产 自动 化 控 制 。 上接第 3 5页 小。改造后满足原有的各种机械性能， 增加 X／ Y／ Z 三 个方向的自动进给 ， 精度要求较高的进给部分 由数控部 分完成 ， 采用交流伺服电机拖动 ， 伺服控制采用半 闭环 方式。机床主轴、冷却部分仍由接触器控制系统完成 ， 主轴调速方式不变， 保持原来的变速箱调速。同时还具 有显示、通讯和记忆功能； 机床中心点设在铣刀的中心 点上， 改造效果 良好。 参考文献 [ 1 ]诸小丽． 普通机床数控技术改造探讨[ J ] ． 南宁职业技术 学 院学报． 2 0 0 3 ， 8 6 2 6 4 ． f 2 】刘晓宇， 刘德平． 普通机床数控化改造关键技术的设计 及计算【 J 】 ． 机械设计与制造． 2 0 0 7 ， 9 4 2 - 4 4 ． 【 3 】冯勇． 现代计算机数控系统【 M】 ． 北京 机械工业出版社． 1 9 9 6． [ 4 】4 吴麒， 王诗密． 自动控制原理[ M】 ． 北京 清华大学出版社， 2 O O 6． 【 5 】诸静 ． 模糊控制原理与应用[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 ． 【 6 ]陈长琦， 叶进星， 朱武等． 基于 Ma t l a b的模糊控制系统 的设计与仿真[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 3 ， 1 5 1 1 3 2 1 3 4 ． 【 7 】刘金锟． 先进P I D控制及其MA TL AB仿真【 M】 ． 北京 电 子工业出版社． 2 0 0 3 ． 作者简介 舒大松 1 9 6 2 一 ， 男，高L． r - 程师， 主要从事机 电 一 体 化 方 面 的研 究 。 上接第4 4页 基于 ARM 核的 S 3 C 2 4 l 0 处理器 ， 使得电子书包的功能 增多， 如蓝牙功能、触摸屏功能、US B功能等。而这些 功能多数是处理器内置模块 ， 因而功能的增加并不增加 系统的体积和成本。而诸如存储能力、处理速度等性能 大幅提高。wI NCE操作系统的使用使系统人机操作界 面更加友好 ， 也更有利于相关教学软件的开发和使用。 而针对电子书包需求所作的软硬件设计 ， 使得专用性更 强 ， 成 本更低 。 与平板笔记本 电脑型电子书包相 比， 本系统去掉了 硬盘 等冗余设 计 ， 操作系统 也是根据 电子书包 的需求专 门定制， 因而专用性更强， 进而也使得功耗减小 ， 散热设 计 、电源设计及机壳设计等更加容易 ， 成本大大降低。 6 结束语 本文主要介绍了基于A R M嵌入式处理器和Wi n d o w s C E 嵌入式操作系统平台上的电子书包系统设计。文中开发 的系统可以作为嵌入式电子书包二次开发平台， 为实际 应用提供很好的开发起点。与以往的 电子书包产品相 比， 该系统的软硬件都是针对 电子书包的需求专门设计 的， 因而专用性强 ， 成本低。对 电子书包 的普及和发展 有较大意义。 参考文献 [ 1 ]宁生奎． 电子书包应用于基础教育之我见[ J ] ． 信息技术 教育． 2 0 0 7 ， 3 3 3 -3 4 ． 【 2 ]陈斌． 电子书包促教育模式创新． 计算机世界．2 0 0 7 ， 1 2 3 第B 0 4 版． [ 3 】老骥． “ 信息技术环境下多元学与教方式有效融入 日常 教学的研究”开题培训会议在深圳举行【 J ] ． 现代教育技术． 2 0 0 7 ， 1 7 5 3 7 3 8 ． 【 4 】郑凯． 汉王电子书包中小学生的真正助手 ． h t t p ／ ／ Ⅵ n ． c b i n e ws ． c o m／h t ml ne ws ． 2 0 0 9 -0 5 -0 6． [ 5 】张译丹． 从手机签字到电子书包口 ． 今晚报， 2 0 0 8 ． 6 ． 8第 1 6版 ． 【 6 】洪天祺等． 基于 L i n u x操作系统的多道分析器驱动程序 的设计[ J ] ． 核电子学与探测技术． 2 0 0 9 ， 2 9 1 l 8 2 1 8 5 ． 作者简介 杜军 1 9 5 5 一 男，高级工程师， 研究方向 计算机 控 制 。