（机械电子工程专业论文）超精密数控系统伺服控制器辅助开发工具.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 ? j ( 随着堑蕉塑旦三精度指标的提高，构成实际系统的环节越来越多，造成对系统进 行测试和分析的工作量越来越大，控制器参数整定更加复杂，往往需要投入大量精 力和时间来进行分析和调试。j 为了避免大量的重复劳动，我们开发了超精密伺服系统控制器辅助开发工具， 作为系统测试和控制器辅助设计的平台。借助该工具，可以完成一系列工作，包括 系统测试、数据分析处理、系统辩识建模、系统模型分析及处理、控制器参数整定 和优化等，从而达到了时间和精力上的节约。 本文从软件总体设计思想出发，结合大量的实验数据，对系统的主要功能模块 进行了闸述。 天键b d ：系统测试辨识建模模型分析参数整定域优化 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc n c p r e c i s i o n ，m o r ea n dm o r ec o m p o n e n t sc o m ei n t or e a l i s t i c s y s t e m t h i sm a k e st h ew o r ko f s y s t e m t e s ta n d a n a l y s i s m o r e o n e r o u s l y s i m u l t a n e o u s l y ，t h e c o n t r o l l e r p a r a m e t e r so b t e n t i o nb e c o m e sm o r ec o m p l i c a t e d ，w h i c h a l w a y sn e e d s s c a d so f e n e r g ya n d t i m et oa n a l y s eo r a d j u s ti t t oa v o i ds c a d so f r e p e t i t i v ew o r k ，w ed e v e l o pa na i d e dt o o lf o ru l t r ac n cs e r v os y s t e m c o n t r o l l e r ，w h i c hc a nb eu s e da sp l a t f o r mf o rs y s t e mt e s ta n dc o n t r o l l e rc o m p u t e r a i d e d d e s i g nw i t ht h i sp l a t f o r m ，w ec a nb r e e z et h r o u g has e r i e so f w o r k ，i n c l u d i n gs y s t e mt e s t ， e x p e r i m e n t a l d a t a p r o c e s s ，s y s t e m m o d a li d e n t i f i c a t i o na n d m o d e l i n g ，s y s t e m m o d a l a n a l y s i s ，c o n t r o l l e rp a r a m e t e r so b t e n t i o na n do p t i m i z a t i o n s oo u r e n e r g ya n dt i m ec a nb e p e r f e c t l ys a v e d w i t ha b u n d a n te x p e r i m e n t a ld a t aa n db a s e do nt h es o f t w a r el a y o u tt h o u g h ta saw h o l e ， t h i sp a p e re x p o u n d st h ec e n t r a lf u n c t i o n a lm o d u l e so f t h i ss o f t w a r e k e y w o r d s ：s y s t e mt e s t ，i d e n t i f i c a t i o n ，m o d a la n a l y s i s ，c o n t r o l l e ro b e n t i o n ， o p t i m i z a t i o n 第l v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ： 第一章绪论 1 1课题概述 一、课题来源 本课题的题目是超精密数控系统伺服控制器辅助开发工具，来源于“九五国 防预研项目超精密数控与在线检测和误差补偿技术研究。 二、课题的提出 在科学研究和工程应用中，我们经常需要对系统进行一些必要的动态和静态 测试，以获得对系统特性基本的和定量的描述，或者对系统特性进行分析，以发现 和斛决问题。同时，为实现系统的综合精度控制我们还需要选择合适的控制算法， 没汁和应用控制器。 f 1 ：系统分析过程中，往往需要建立线性的或非线性的系统传逊函数模型。而| ；f 竹粕度指标l q 提高，构成实际系统的环节越来越多，越来越复杂，棚应地，椭述系 统j 小特。p 0 f c 3 | 型阶次也越来越商。由此造成的后果足，对系统进行测试和分析的 i 1 廿越水越人。 l l ij 二刈挖：训效果的要求越来越商，控制器参数整定愈加复杂，最仕控制器的设 计卫加椎。控：擀设计和1 参数的整定，需要进行埘琢参数和过渡g , i , g l - f l j 测试嗣 钳，u e 矗f “助j 二年5 祟f i ：j 调试经验，才能获得比较满意的挫定效果，因此是一项缎琐 i n j 义愦州的工作征对系统动态特性要求高的场合，最佳控制参数的获取就更加困 难，为了获得性能良好的控制器，我们往往需要投入大量精力和时间来进行调试和 分忻。 l i l 外，山_ ：二人员的因素，在进行上述工作时，通常是各自为战。在使用时，需 璎亟新编写程序，设计实验，在获得所需要的数据后即行告终。这样就造成了大量 时n q 和* i j 力j 二的浪费。 如果能够设计一个通用的软件实验平台，以此为基础，可以方便地进行系统测 试，完成数抛处理、辨识建模、特性分析等工作，并可以自动整定控制参数，列各 种挖制算法的控制效果进行对比。对于实际应用，该平台还可以提供最优的控制参 数。这样可以完整地实现测试、分析、控制一体化，将可以避免大量的重复工作， 帚l 厄i r j 的 寸问与精力上的浪费，并可以获得良好的效果。 征上述背最下抛出了本课题。 - 课题研究l _ i 的 筇l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 本课题的目的是研究和设计超精密机床伺服系统控制器设计辅助开发工具，使 之能够作为一个工作平台，方便地完成系统测试、模型辩识、数据处理、模型分析、 控制器整定及参数优化等一系列的工作。 1 2 文献综述 一、控制系统计算机辅助设计 控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前己达到了相当高的水平，并一直受 到控制界的普遍重视。1 9 8 2 年1 2 月和1 9 8 4 年1 2 月，控制系统领域在国际上最权 威的m e e 控制系统学会的控制系统杂志和啦e e 学会的科研报告分别第一次出版了 关于c a c s d ( 计算机辅助控制系统设计) 的专刊。美国的著名学者j a m s h i d i 与h e r g e t 分别于1 9 8 5 年和1 9 9 2 年出版了两本著作来展示c a c s d 领域的最新进展。 1 9 8 4 年，美国c l e v em o l e r 博士研制出了m a t l a b 语言。m a t l a b 是一个高级的数 学分析与运算软件，它集可靠的数值运算、图象与图形显示及处理、高水平的图形 界而设计风格于一身。同时，还带有大量的配套工具箱，如控制系统工具箱( c o n t r o l s y s t e mt o o l b o x ) 、系统辨识工具箱( s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt o o l b o x ) 、鲁棒控制工具箱 ( r o b u s tc o n t r o lt o o l b o x ) 、多变量频域设计工具箱( m u l t i v a r i a b l ef r e q u e n c yd e s i g n t o o l b o x 、卒i l l 经网络工具箱( n e u r a ln e t w o r kt o o l b o x ) 、最优化工具箱( o p t i m i z a t i o n t o o l b o x ) 以及仿真环境s i m u l i n k 。m a t l a b 可以方便地用作动态系统的参数辨识，建 懒平仿真，以及系统特性分析，为控制器的计算机辅助设计提供了极大方便，也为 业加灵活的控制器设计提供了有力的工具。 二、p 1 d 控制参数自整定 在工业控制过程中，目前采用最多的控制方式依然是p i d 控制。这一方面是因 为，由于p i d 控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条件范围内都能保持较 好的鲁棒性；另一方面是因为p i d 控制器允许工程技术人员以一种简单而直接的方 米调节系统但p i d 参数繁琐的整定过程直困扰着工程技术人员，因此p i d 参 数自整定技术具有十分重大的工程实践意义。在本文中，p i d 控制参数的整定占据 特殊位置。 近年来，在控制系统设计中出现了许多p i d 参数自整定等控制器设计方法。瑞 典学者k a r la s t r o m 和他的合作者提出了智能型自整定p i d 控制器的思想。该方案 的控制结构如图1 1 所示。基本思路是在控制系统中设嚣两种模态：测试模态和调 1 ，模态，在测试模态下，由一个继电非线性环节来测试系统的振荡频率和增益，而 化调节模态下由系统的特征参数首先得出p 1 d 控制器，然后由此控制器对系统的动 态性能进行调节。如果系统的参数发生变化，则需要重新进入测试模态进行测试 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 2 。2 2 2 2 2 2 2 2 = = = = = = = = = = 三= = 兰兰：兰兰； ： 测试完成后在回到调节模态进行控制。这样使得原来需要离线调节的p i d 控制器参 数能够容易地在线自动调节，还推出了自整定p i d 控制器的硬件产品。在自整定p i d 控制器的领域也出现了很多比较显著的进展，这类研究的基本思想是使得复杂问题 简单化，并易于实际应用。 图il 继电型p i d 自整定控制结构 随着计算机技术的发展，智能仪表功能越来越完善，当前世界上几家著名公司 的i ) c s 系统、传动控制装置均开发了p i d 参数自整定功能。比较典型的有：窗士m 1 c r e x 纠能控制器、东芝，r o s d l c 二自由度p i d 自整定调节器、f o x b o r o e x a c t 自整定p i d 渊：1 7 ； ： 、y e w s e r l e s 一8 0 自整定调节器等 2 5 2 6 r 2 7 。其中最具代表性的是日本东 芝i o s d i c 2 自由度d 自整定调节器。 图1 2t o s d i c2 自由度d i d 自整定方式的基本组成 东芝t o s d i c 二自由度p i d 自整定调节器包括硬件和软件，该系统采用微分先 行结构和在给定环节中加入滤波环节，通过调整滤波环节中的特征参数，可实现多 利l j 侈式p i d 控制方式。其特点是：闭环整定、通用的控制参数确定法、无干扰影响 n 勺楚定方式、短时问的快速整定、硬件构成具有继承性。其自整定工作方式的基本 组成和整定动作流程分别如图1 2 和图】3 所示。 在自整定方式下工作时，其各个功能单元的主要内容为： 2 自 度p 1 d 运算单元首先通过p i d 参数k p 、k i 、k d 的整定使其为外干 扰控制的最佳值，并将前馈单元的参数a 自整定到目标跟踪的最佳值，弭调口以抑 制趟渊。口、口都是预先设定的参数，只要改变口、口就可以实现p i d 控制的多种 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 方式。 动特性辨识单元对过程输入输出信号按 每个周期7 x 进行取样，然后与自回归滑动平均模 型相对照，再根据最d , - 乘法辨识出模型参数。 传递函数变换单元在确定控制参数时， 应将脉冲传递函数g ( ：。) 变换成传递函数( 连续 寸问模型) ，这样使系统设计方法与连续时间系统 的相吻合。 控制参数确定单元，采用模型匹配法，并 加以一定的扩展。在确定控制器参数时尽量使控 制系统的闭环特性与参考模型相一致。 辨识信号发生单元，产生m 系列信号作为 跚u 激励信号，可以根据需要产生出任意周期和 振幅的m 系列信号。 柴天佑等提出了s p a m 法p l d 自整定技术，该 乃法址占于给定棚位裕度和幅值裕度的。此外， 还订7 纠二递 i i 参数估计和基于过程特征参数的f i d 挖：川器参数阳整定技术，以及基于给定相位裕度 | | i j 法口憋定等等。 返回 综上所述，1 ) 】d 控制器参数自整定技术在控制 图1 3 啦定动作流程 领域足口前十分热门的研究课题，主要的研究内容是： 1 过程特性的获取；2 控制器参数的优化。 一般来说需要在线获取过程特性，而控制器参数优化，则离线、在线均可， 但对于实际控制系统来说，系统运行工况总是随着生产负荷、设定工况及环境因素 变动而变化，因此，要保证控制系统在各种工况下均能优化运行，必须采用在线自 艇定技术，在线的计算量主要是过程特性的获取。原则上讲，已有的辩识技术都可 用米进行过程对象模型的辩识。 基于专家式p i d 自整定和模糊p 1 d 自整定方法，由于避开了模型辩识的困难， 已显示出良好的应用前景。 三建立系统模型进行深入分析 近年束，对于高性能的数控进给系统的机械传动机构以及整个进给系统的研究 逐渐受到重视。通过建立系统模型对系统进行深入分析的方法也渐渐被采用。赵砚 jj ：等运| j 综合分析法对数控机床、加工中心的伺服进给系统各环一1 7 进行了深入的分 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 析并在此基础上建立了其传递函数模型，为系统的仿真计算、参数优化提供了依据。 y h o n z a w a 针对高精度高速度的定位平台，分析了直流伺服电机与滚珠丝杠副构成的 高精度伺服进给系统的动力学模型结构，并采用综合分析与系统仿真法建立了系统 的数学模型。在此基础之上，实现了精密工作平台的高精度和高速度定位控制。 四、最优控制参数 最佳控制参数无疑是我们的最终目标。当前许多控制器自整定系统如日本 y e w s e r i e s 一8 0 系统、f o x b o r o e x a c t 自整定p i d 调节器，都带有控制参数的 在线优化功能。实际上，控制器的参数优化已成为目前十分热门的研究课题。 控制参数寻优的算法很多，主要有扩充比例临界度法、t s y p k i n 方法、以及纯粹 的数学算法如单纯形法，黄金分割法，以及有f u z z y 自寻优算法等等。通过对各种 算法的分析和比较，单纯形法在算法上较为成熟可靠，搜索次数相对较少，是比较 好的一种算法。对单纯形法进行的大量程序仿真和实际试验证明：经过有限步的搜 索，确实可以获得最优的控制参数。 五、改进的控制算法应用 在超精密伺服控制系统中，由于高速度高性能的微处理器的应用，如：数字信 吁处理器，m s c _ e 构处理器等的引入，大大提高了已有的控制技术和方法的快速性 和 度。川时他许多先进控制策略和方法，如：自适应控制、学习控制( l e a r n i n gc o n t r o l o rr e p e t i v ec o n t r 0 1 ) 、摩擦控制等等，得以应用于高精度伺服控制系统。 作为i i 21 f l 发展起来的控制策略之一，p i d 控制以其算法简单、鲁棒性好和可靠 性：0 的优点，在工业控制过程中得到了广泛的应用，尤其适合于可建立精确数学模 型的确定性控制系统。前面我们也已经提到，近年来出现了许多p i d 自整定控制器， 更促进了p i d 的应用。 但p i d 调节器是基于“误差驱动”的，在没有误差时将无输出信号，此外进给 伺服传动系统存在很大的相位滞后，因此跟踪误差仍然较大。在机床位置伺服系统 的基本组成上引入前馈补偿构成复合控制，是提高系统跟踪性能的一种有效方法。 从理论上讲前馈控制对于已知的开环稳定或含有不稳定零点的线性时不变系统而 ，i ，可以通过参数调整而使系统的跟踪误差为零，由此使系统的轮廓误差为零。当 然，由于前馈控制器参数依赖于系统的参数，当系统存在模型误差、系统非线性影 响以及噪声扰动时，很难完全消除系统的跟踪误差，但前馈控制器可以提高系统的 跟练灵敏性和准确度是毫无疑问的。 p h a l e n 教授提出的伪微分反馈控制( p e s u d o - d r i v a t i v ef e e d b a c kc o n t r 0 1 ) ，与常 觇的p i d 控制有某些相同之处，但较好地克服了p i d 控制的微分突变、启动回绕等 缺陷，具有响应快、跟踪准确等特点。其输出比较平滑，极少出现失控和振荡现象， 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 = = = = 2 亨= = = = = = 兰兰= 三兰三=： = ：= ： 抗干扰性能良好，算法较容易实现，需要调试的参数很少，而且对于大多数系统来 说，是一种最优控制。与些复杂的控制算法相比，伪微分反馈控制算法显得相当 简便而可靠n 因此，对精密级的c n c 位置伺服系统而言，伪微分反馈控制是非常合 适的种控制算法。 1 3 主要研究内容 综上所述，结合本课题的研究目的，确定本文的主要研究内容如下 1 系统动态、静态特性测试，时域及频域特性测试。 2 数据采集、分析及处理。 3 系统辨识建模、模型分析及模型处理。 4 控制算法仿真和性能评估。 5 控制器参数整定和优化。 6 控制参数自整定方法的研究。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章超精数控伺服控制器辅助设计 本章首先对超精密数控系统伺服控制器辅助开发工具的总体设计思想进行简单 介绍，然后对软件的各项功能进行了阐述。此外，还介绍了软件通用性实现，和使 用不同软件进行混合编程的实现方法。 2 1 总体思想 根据实际需要，我们的工作内容包含了系统测试、辨识建模、模型分析、控制 参数整定和优化，因此软件的设计思想即以满足这些方面的需要为基础。为满足在 不同的系统使用的要求，通用性的实现也是本系统的一个重要内容。此外，为了方 便使用，还开发了系统帮助文件。 本系统的总体设计思想是：从功能上考虑，使本系统可以完成从系统测试直至 挟得最优参数的各项基本工作，涉及信号生成、测试、数据处理、系统建模等多项 内容，而且各项功能相对独立，可以单独完成所需要的操作。由于涉及大量的数据 处列播1 1 低层硬件控制的内容，从编程上考虑，对不同的程序模块采用合适的软件 谢吉进行混合编程。 图21超精密数控伺服控制器辅助设计流程 本文考虑从实际出发，一般的工作流程按图2 1 考虑。如果要获得系统在最近 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = ： ： 时刻的最优控制参数，则完整地按照以上流程进行工作是必要的和最基本的。考虑 到有时我们只需要其中一部分工作，因此在使用中也可以不按该流程，而只使用其 中与自己工作相关的部分。 此外，对适用于不同的机床系统的通用性问题，将在2 3 节里加以阐述。在 软件的提供形式上，采用了通用的软件安装卸载形式，将所有必要的应用程序、动 态连接库和其它文件进行了包装，从而可以方便地安装、使用和卸载。系统帮助实 际上也是份使用说明书，采用标准的w i n d o w s 帮助格式，内容比较全面。 2 2软件的主要功能 超精密数控系统控制器辅助设计软件平台从总体上分为八个部分。总体结构如 图2 2 所示。每一个部分都相对独立，可以完成相应的工作，同时也可以放在起 使用，实现测量、辨识、控制- 体化。 控制器辅助设计工具 尔 统 特 性 测 试 数 据 采 集 处 理 多 种 方 法 建 模 控 制 参 数 整 定 模 型 分 析 处 理 控 制 算 法 仿 真 参 数 最 优 化 系 统 帮 助 图2 2 控制器辅助设计工具软件总体结构图 各个部分的主要内容和功能如下： 数据采集、分析与处理：主要是对不同测试形式的数据进行采集、记录，对数 据的离线分析和数据曲线，以及在建模前进行的数据预处理。 多种方法建模：提供多种连续或离散的建模算法进行实验辨识建模，同时引入 综合指标，对模型的准确性和合理性进行量度和评价。 模型分忻与处理：从多个方面对所建立的系统模型进行分析包括频域特性、 零极点图、n y q u i s t 图、n i c h o l s 图等。对获得的系统模型，可以进行简化、离散 连续化等处理。如采没有试验条件但仍准备对某一模型进行研究也可以将该模型 参数输入本系统，进行研究。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 控制参数整定：提供了多种控制算法，包括p i d 、p i d + 前馈和p d f 控制等，并 提供了基于系统模型和基于过程特征参数的两种控制器参数整定方式，进行控制参 数的整定。 控制算法仿真：根据建立的模型，利用m a t l a b 强大的控制系统软件包，实现对 控制算法的仿真，其结果以图形和指标方式提供，以便于对各种控制算法和控制参 数的效果进行评价对比。 控制参数优化：由于建模精度毕竟有限，而且仿真与实际运行总是存在偏差， 本系统采用单纯形法，对整定或提供的初始控制参数，可以根据i t a e 综合指标搜索 相应的最优控制参数。 系统特性测试：主要是对系统的基本性能指标进行测试，包括死区、电e 速度 特性、开环阶跃响应、频域特性曲线、闭环定位精度等。以帮助对系统特性达到比 较深入的认识和了解。 系统帮助：对本系统的使用和一些概念进行说明，也可认为是一份使用说m j 书。 2 3 通用性的实现 术系统的的是要适用于不同类型的普通机床及超精密机床，因此通用性是本 系统的重要特色和要求。 普通机床的运动轴控制大多可以直接通过端口操作实现。因此只需通过对机床 棚应的i 奖写端口进行设置，就可以实现对不同机床的控制，从而达到系统通用性。 与普通机床相比，超精密数控机床的的硬件控制较为复杂。超精密数控机床通 常采用主从式多处理器结构，主处理器仅处理用户接口和插补运算，而由从处理器 接受运动指令和进行运动轴的控制。超精密数控系统对机床的控制，是通过对从处 理器进行低层编程来实现的。因此超精密数控伺服系统的实现方式不仅与硬件有关， 而且与软件编程思想和实现形式有关。本系统对机床的控制依赖于从处理器提供的 功能函数，但低层功能函数的软件编程实现，目前并没有统一的标准，这样就使得 机床控制往往由于从处理器不同和开发人员的设计思想不同而大相径庭。即便是由 同样硬件组成的控制系统，其控制命令的形式和内容也不一样。因此，对不同的超 精密机床系统硬件实现通用性的控制，具有较高的难度。 现有的控制嚣自整定系统，一般都由硬件和软件共同组成，而由碗件实现对机 床的控制。由于本系统没有硬件开发的内容，因此实现通用性就只能在软件上编程 兵舰。软件上有两种方法：设备驱动程序或动态连接库。设备驱动程序可以实观较 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 为固定的软件形式，但程序开发相当复杂，而且具有较高的难度。动态连接库的开 发相对比较容易，但必须对不同的机床，必须重新进行定义、编译。考虑到时间因 素，本文采用动态连接库形式来解决机床控制的通用性。 本文在软件上提供两种不同的方式；对普通机床，提供端口地址设置：对超精 密机床，则针对动态连接库制定一个协议。该协议规定本系统中机床控制命令的格 式、内容和调用形式。在程序中，机床控制d l l 实行动态调用，因此对不同的机床， 使用者可以按协议编写机床控制的动态连接库，挂接在本系统上，从而实现对机床 的控制。 2 4 系统帮助 设置系统帮助的目的，是希望指导使用者对本系统的正确使用，避免造成不必 挺的锵误擞作。系统帮助文件用i l e l p s c r i b b l e 工具开发，内容主要包括： 软件他用和机床操作的注意事项； 符个功能梭块的相应说明； 实现通用性的机床控制d l l 协议； 软件所抛1 ：j ! ；的各个参数的意义说明： 较少蛇的控捌算法的详细说明 系统帮助通过如下语句实现在本系统里的挂接： a p p l i c a t i o n - h e l p f i l c = ”u l a a c a dh i p ”： 指定帮助文件为u l t r a c a dh i p a p p l i c a t i o n h e l p c o m m a n d ( h e l p _ c o n t e n t s ，0 ) ；打开帮助内容 由于本软件的所有实验均在两轴实验平台上进行，为方便分析，本文中的数据 采用与该系统相同的单位，约定： 位移单位为：脉冲当量，或c o u n t ( 英文) 。 速度单位为：脉冲当量秒，或c o u n t s s ( 英文) 。 电压单位为：电压单位，对应为1 0 8 1 9 2 伏特。 时间单位则分别在图中给出。 - 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章数控伺服进给系统特性测试 系统测试的主要耳的是，对系统的动静态特性和开环，闭环特性给出定量的描 述，以便对机床伺服进给系统的特性进行分析和进行评价。系统测试的主要内容包 括：零漂、正反向死区、开环速度特性、开环阶约响应、闭环定位精度、频率特性 等。通过这些测试，我们可以对机床伺服进给系统有一个比较全面的了解。 本章首先介绍了超精密数控伺服进给系统的组成，然后介绍了对实验数据的处 理方法，其后分别对时域和频域内的系统特性测试方法进行阐述，并给出了相应的 实验结果。与系统测试有关的w i n 9 5 高精度定时实现，也在本章进行了介绍。此外， 还叙述了有关语言问连接的内容。 本章和后续章节的所有实验和数据的获取、分析及处理，均是利用超精密数控 伺服控制器辅助开发工具进行的。 3 1 超精数控伺服进给系统组成 y h 1 型超精密机床伺服进给系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构和 执行部件组成，如图3 1 所示。其作用是；接收数控系统发出的进给速度和位移指 令f ? i 号，由伺服驱动电路转换，经伺服驱动装置和机械传动装置，驱动机床的工作 台实现机床的进给运动。 图3 1 超精密机床伺服进给系统结构示意图 机床的工作台采用高精度直流力矩电机，通过滚珠丝杠驱动静压空气导轨，使 机床的直线运动具有良好的稳定性和较小的摩擦力，以减小机床工作台因摩擦力的 s t i c k s l i p 现象而引起伺服控制系统对工作台冲击，保证了工作台的平稳运动。 整个机床的位置检测采用具有2 n m 分辨率的光栅尺测量系统实现并以此作为 反馈实现机床的位置全闭环控制。其机械传动机构采用螺距为4 r a m 的c 级滚珠丝 杠和气浮导轨组成。由双口r a m ，数字信号处理器，d a 以及机床位置反馈接口构 成超精密机床可编程多轴控制器，以实现对机床的运动控制。 该系统的特点是：动力学模型的结构相当复杂，对低速特性要求很高，而且在 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 实际加工中，需要频繁地启停。 3 2 实验数据的处理方法 实验数据不可避免地含有测量误差和噪声，有时甚至出现真实数据被噪声淹没 n 勺现象，因此必须进行滤波或提高信噪比。 一般来说，实验数据通常还都含有直流成分和低频成分。对系统辩识来说，用 任何方法都无法消除它们对辩识精度的影响。此外，数据中的高频成分对辩识也是 不利的。因此，对实验数据般都要进行预处理，以提高数据的精度、真实性和可 谨性。如果数据处理效果良好，将可能显著提高辩识的精度。 实验数据的处理主要包括以下内容： 1 去除野点：野点通常偏离真实数据很远，可能极大地影响实验结果的准确性， 凶此必须去除。所采用的方法可以是观察法，即通过直接观察数据文件内容或查看 数批t ：曲线，找出野点加以滤除；也可以根据实验输入信号，给出可能的数据闽值， 刈超出闳他的数据点，口认为是野点。从而加以滤除。 2 零均值化 筝均n l 化t r 两种方法：差分法和平均法。本文采用平均法。 数j j i i ：| ：c 流分且 的估计值应该等于观测数据的5 f 均位。因此在k 时刻 一表述为： + 三。( 七) = 三。( 膏一1 ) + 【：+ ( 膏) 一三。( 五一1 ) 】 片 j 递推形 ( 3 - 1 ) i t ：q - j 。、( 女一1 ) 表示上一时刻直流分量的估计值，：( k ) 为实际观测到的输出。 由此可用下式对观测数据进行零均值化处理： ：( 七) = ：( 膏) 一三( 七) - ( 3 2 ) 02 04 06 08 0 i l l s02 0 4 06 08 0 m s l 矧321 未朋处理的输入输出曲线图322 经预处理的输入黼h 川1 线 翦1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 剔除高频 利用如下的滤波器滤除数据中的高频成分： z ( k ) = 【：( 七) + z ( k 一1 ) + z ( k 一2 ) 1 3( 3 - 3 ) 图32 给出了正弦扫频测试的一组数据曲线，以说明数据预处理的效果。可以 看出，与未经预处理的数据曲线( 图3 2 1 ) 相比，预处理过程使数据曲线( 图322 ) 大为改善，曲线显得较为平滑且波形更加准确。 在进行实验测试时，每次测试后均对数据绘制曲线，以便观察效果，同时可以 进行数据文件记录。 ：j 3 1 开环特性测试 死区测试 3 3 伺服进给系统特性时域测试 罔3 31x 轴死区测试曲线 电压单位 上圈给出了机床x 、z 运动轴的正反向死区。测试方法是：指定系统可按受的 的难反向死区临界速度：从零电压开始，输出幅值向负电压方向延伸，直到测得的 运动迎度达到指定的死区临界速度，则此时的电压即为反向死区幅值：然后再从此 f 乜压开始，逐渐增大电压输出幅值，直到测得的正向运动速度达到死区临界速度幅 仇，l i l h , t 电压为正向死区幅值。为了保证数据的准确性，在每个电压点上均取2 0 次 均值。 可以看出，两轴死区均呈现正负不对称现象。x 轴死区幅值和偏摆幅度均较z 轴大些，这应该是x 轴具有较大质量和摩擦力造成的结果。 ：零漂测试 1 | ； ： 1 给出了系统x 、z 运动轴的零电压位置漂移曲线。通过对运动轴给定零电 j i ! ，测试j e 在一段时间内的位移曲线。由此观察零点漂移的趋势。由图可以看出： 系统木身仃m 比较大的零点漂移。 第1 3 页 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 = = = = = = = 兰三兰兰= 兰兰三兰= ：= ： 开环电压一速度特性 图3 5 分别给出了超精密机床伺服进给系统的开环电压速度特性。其测试方法 足给系统输入不同的速度电压信号，保持段时间，待系统响应达到稳定后，测量 系统的速度输出。经多次实验后，求对应电压信号的速度平均值。 电压单位 哥35l x 轴开环电压，速度特性图3 5 2 z 轴开环电压越度特性 图36 1x 轴的开环阶跃响应 1 矸环阶跃响应 图3 62z 轴的开环阶跃响应 开环阶跃u 向应全面地反映了系统的时域暂态特性指标包括：延迟时n u 、上升 叫问、峰值时问、最大超调量、调整时间( 或过渡时间) 等。图3 6 给出了两牟l | | 的开 环i u 压特性，所给定的电压值是，对应的速度为m l t i s 。由图可知：系统的开环响应 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ： ： 存在较大的震动，稳态响应比较差。 3 3 2 闭环定位特性测试 1 闭环定位控制实验 对机床双轴定点定位精度进行测定，测试结果如下表： 表2 1 x 、z 运动轴定位实验：( 单位：脉冲当量) 参考位移 实际值1实际值2 实际值3实际值4 实际值5 1 0 01 0 5 1 0 01 0 01 0 0 l ( ) 0 一】0 09 9 1 0 09 9 1 0 0 一1 ( ) ( ) x 轴 2 0 02 0 0 2 0 114 91 9 7 2 0 ( ) 一2 0 0- 2 0 0 1 9 915 21 9 9 2 0 1 1 0 01 0 09 99 9 1 0 0 1 0 2 1 ( 1 ( )一1 0 0 一1 0 01 0 11 0 0 9 9 z 轴 2 ( ) ( )2 0 2 2 0 12 0 02 0 1 2 0 0 2 0 01 9 7 2 0 12 0 52 0 ( ) 2 0 ( ) 2 按c v d i 1 ) g 0 2 4 4 1 进行评定 v i ) 】规范是随机选择一系列定位点，并作若干次定位。根据测量结果，确定每点 的平均位谴，与给定位置作比较。然后，求出“平均的位置偏差”，它 d n m t b a 技术 胤范巾“理论上误差为零的一点”的概念相似。位置分散度r p 是根据每个给定点上 测”值的坡火变化范围的平均值来计算。r p 是位置分散宽度的两倍。 1 均位鹕! 仙差f ：二! m ! ! 二! g m( ：卜1 ) 跌差范围 g = 一土( 学+ 3 回 定位误差 = 工一一+ 6 a 位置分敞宽度r d = 6 0 根据计直 结果与v d l 规范的定义得出 丧2 2 靛掘v d 觇范的评定结果 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 平均位置偏差 误差范围 定位误差位置分散宽度l 【轴向工作台( 脉冲当量) 44 2 4 48 5 40 5 4 1 l 径向工作台( 脉冲当量)353 5 l7 2 57 4 60 4 6 3 4 系统频域特性测试 频率特性足计算机辅助分析和设计控制系统的一个重要内容。根据频率特性， ；叮以判断系统的稳定性、确定稳定裕量，分析系统的性能和指导系统的设计。频响的 测试曲线是系统传递函数的图形再现，由于频率响应是实验测定的，因而它比传递 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 函数能更真实地反映系统的频率特性。 现场测取过程频率响应的测试信号通常有：阶跃信号，剁坡信号，三角 信号，矩形信号，带正负极性的矩形信号，正弦信号，任意信号。本文选 用正弦信号，即采用正弦扫频的方法，对系统频域特性进行测试。 3 4 1 非线性因素的解决 由于机床伺服进给系统必然存在死区、间隙等非线性因素，因此若直接对机床 伺服进给系统施加正弦信号势必造成系统产生换向，其结果是机床传动机构的间隙 以墨z s t i c k s l i p 摩擦等严重的非线性因素将严重影响信号的品质，这种现象在系统低 速运动时显得尤为突出( 如图37 所示) 。图3 7 给出了输入正弦信号幅值a = 2 0 0 电压 单位时，机床x 、z 轴位移输出，由系统的输出可以看出，由于x 轴进给运动的换向， 机床传动机构的间隙以及s t i c k s l i p 摩擦使伺服进给系统在低速运动产生振荡和爬 行，从而严重影响了系统输出信号的品质。 图3 71x 眚i l l 的非线性影响 图3 7 2z 轴的非线性影响 图3 8l 加直流分量的正弦位移曲线图3 g 2 消去趋势i 的正弦速度曲线 为了避免上述非线性的现象，得到系统的线性输出，我们在系统输入信号上叠 j j f l 一个直流分量b ，即：使机床朝一个方向运动，然后在其运动过程中迭加一正弦信 号求洲涂系统的非线性影响。由此，系统的输入信号为v = b + a s i n ( t ) ，而位移输出的稳 态响应为： 国防科学技术大学研究生院学位论文 ； s = k l ( b 十as i n ( t ) ) d t = k b t + ( 1 一c o s ( t ) )( 3 - 8 ) 0 对s 去除其趋势项k b t 与直流项k a 后，可得到系统的线性输出k a c o s ( t ) 。当b a 时，系统将不会产生换向，从而避免上述现象对测试信号的影响。图38 为输入信号 为v = b + a s i n ( t ) 时，x 轴的位移输出结果，从中可以看出系统的输出有明显的改善。 3 4 2 系统频率响应测试 超精密数控机床采用大理石作为床身和工作台的原料，机床工作台具有较大的 质量，机床的频响范围应该不会很大。再考虑w i n 9 5 环境下的定时器实现的限制，确 定正弦信号的频率扫描范围为0 3 0 h z ，采样周期为2 m s 。 正弦扫频测试的流程如图所示。设定扫描信号的频率 问隔，由计算机产生幅值恒定而频率可变的正弦信号去激 励系统，检测并记录系统在每一频率下的输出。实验结果 分；1 j 经滤波、平滑和进- 行f f t ，计算出该频率点的幅值、 棚位变化。将各扫描频率点的数据进行组合，得到系统的 堋域结果。 吱验t i ，取正弦益加直流分量的输入信号v = b + a s i n t ， 信0i 2 位d a 转换器产生，d a 范围自一5 v 变到+ 5 v ， 收b 刈应2 5 0 丫l 位，a 对应2 0 0 单位。采样频率f s 为5 0 0 h z ， 采样数据长度l = 2 0 4 8 。扫频间隔02 5 h z 。自1 h z 至3 0 h z 对 系统作扫频测试，得到1 2 0 组工作台在各频率正弦信号输 入时的位移输出。然后对位移信号作微分运算，得到速度 信号，得到】2 0 组工作台速度数据。去除信号的直流分量 1 孑趋势，再对每组数据作2 0 4 8 点f f t 得n 3 0 组频域数据， 每组频域数据的频率分辨率大于0 2 5 h z 。这样理论上每组 f 开始) 频谱数据的最高谱峰出现在与输入信号同频率处，并且谱图3 9 正弦扫频流程 f 肇值与输入信号幅度a 成比例关系，而且理论上其它频率分量均为零，因为输出信 号是t 弘频信号。按照这1 2 0 个频谱峰值作出的系统幅频特性仅与实际系统幅频特性相 莲一个比例。在此过程中，因噪声干扰、爬行等非线性因索造成的频率分量被有效 地分离7 f 。 在每一频率点，正弦信号的输出先保持约1 秒，使系统的响应确定地达到稳态， 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 2 2 2 2 2 2 2 。2 2 2 = = = = = = = = = 兰= 兰圭兰兰； 才开始进行采博。由于电机的频响范围仅为o 1 4 h z ，在带动工作台后，系统质量增 大，其频响范围必将进一步降低。实验中发现，当在1 4 h z 以内，测试输出信号的频 - 输：噪 一i _。1 l ；一 _ 。誊 。j - _ _ v 一番 j ： - _ 1 j j - 一降一 _ 可 = = 血-池【i|：i。皿嬲引 一谱一 线线 l ： _ - 此 1 -_ _ 舳i ；越m艋 础 ， 止_ - - u u j jj | l _ 图3 1 1 1 5 h e 的测试幅值频谱 圈31 2ix 轴幅频测试曲线 图3 1 2 2z 轴幅频测试曲线 弹| i f l i 值大于噪声的频谱i 隔值，但在1 4 h z 以外，噪声的频谱幅值逐渐超过输出信号。 这现象与电机的频带范围是吻合的。图3l o 和31 1 给出了频率为1 3 h z 和5 h z h , - 的 输 i i 号的测试频谱曲线。 第1 8 页 姗咖咖咖彻抛咖咖咖伽狮 咖 栅 姗 啪 啪 啪 蝴狮 国防科学技术大学研究生院学位论文 按上述方法获得的实验平台x 轴( 半闭环) 的频率特性曲线如图31 2 所示。可以 看出，系统幅频响应在7 h z 以下，基本在同一数值，而在从7 h z 开始快速衰减。相频 曲线( 相位滞后) 则基本随频率的增加呈现为线性增加。 根据以上的实验与推导，总结出对本系统进行单频扫描时所遵循的原则： 输入的单一频率信号必须有一定的幅值，并且必须叠加直流信号以避免爬 行与间隙的影响； 必须在输入信号使系统基本达到稳态才能开始测量。 叠加的直流分量b 存在一定的漂移，即使b 很稳定，电机速度也会有微小的 变化。这造成单频扫描时，实际测到的信号总是包含一些暂态响应分量。 必须尽可能做到整周期采样，以避免频谱泄露。在无法保证整周期时，可 以通过将控周期外的测量点数值补零来加以解决。 需要注意的是，由于定时精度的限制，不能做到2 ”点的采样，因此频率测试不 可避免地存在一定的误差。 3 5w i n 9 5 下高精度定时的实现 j i f f 我们已经知道，在对机床进行测试和控制时，都存在一个采样控制朋期设 饿的问题，而且对实际系统来说，能提供高精度定时一高的采样率，对抛嘶系统 挖剐和测试的精度都是很有利的。 c + + b u i l d e r 提供了定时器控件，可以方便地实现定时和习【件响应。聊i t ， w jn d o w s 9 5 还提供