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网址：。机械工具和制造国际周刊 47（2007）2207-2217跟踪控制和自抗扰控制技术在非圆加工中的应用中国北京清华大学精密仪器与机械学系，100084收到时间：2007年2月5日，校正完成时间：2007年7月12日接受时间：2007年7月13日。摘要：当控制系统在有干扰影响的情况下运行时，通常需要跟踪参考信号，在这样的情况下，应用于非圆加工中的一种快速刀具伺服系统将起作用，产生大的控制力。本文介绍了一个应用于非圆加工中的线性音圈电动机驱动快速刀具伺服系统的自抗扰控制器的设计方案。该控制器旨在通过扩展状态观测器来估计和补偿变动态系统的非线性变化的切削载荷和其他的不确定因素。然后，由一个简单的比例微分控制器产生的控制律来提高快速刀具伺服刀架的跟踪性能。切割工件产生的跟踪误差被用作参考输入并且作为前馈误差补偿。在这样的一个组合控制装置中，自抗扰控制器提供控制器的主动干扰抑制能力和前馈误差补偿控制器，提高了跟踪精度。在实时控制和执行时，跟踪控制性和干扰抑制性能都得以提高，而有限字长，位置反馈的分辨率以及采样周期短的影响也能进行分析和解决。进行的加工实验结果说明，和单独使用线性自抗扰控制器相比，控制系统综合程序能使跟踪误差得到较大幅度的改善。2007年，爱思维尔有限公司保留了所有权利。关键词：快速刀具伺服，自抗扰控制，前馈补偿，非圆加工。1、绪论非圆加工是一个通过控制刀具在工件表面正常的运动方向，产生一个非圆形横截面的单点切削过程。在这样的加工过程中，刀具是由快速刀具伺服机构驱动的，并且刀具的运动必须与主轴的旋转同步。非圆加工以它良好的柔韧性和表面生成能力以及精确度而被众所周知。这是因为，在很大程度上，FTS（快速刀具伺服机构）通过程序能迅速跟踪所需的刀具轨迹。高刚性、精密车床以及其它因素决定了什么是获得高性能，甚至是生成镜面的最好的方法。这种非圆表面在产品中的应用非常广泛，例如发动机活塞，凸轮轴。很明显，随着主轴转速提高，工件形状和复杂化以及轮廓精度的提高需要性能更好的FTS，要改善非圆加工工艺中的生产率、适应性以及准确性。因此，FTS必须同时设计高通量驱动、高带宽、长行程、高加速度和精度。然而，由于FTS在行程、带宽、加速度、准确性等方面存在的固有矛盾，导致了其在设计和实施过程中的复杂性和困难。因此，FTS的问题已经引起了许多研究者的关注。在FTS的设计和实施过程中，最大的一个问题是线性驱动器的机械和电气结构设计。各种执行机构，例如电磁、压电、音圈马达 （VCM）和电动液压驱动执行器或它们的组合已经得到了开发。重点是根据应用需求在行程、带宽和加速度之间进行权衡。另一个问题是产生精确的动态切削刀具运动的跟踪控制算法的设计。这是成功实施必不可少的。在非圆加工过程中，FTS受到非线性变切削负荷、机床动力以及其他不确定扰动的影响，甚至还有一些不可避免的问题。非线性老化和制动器组件的磨损使得设备随着时间变化。因此FTS必须建立高抗扰能力，以尽量减少额外的动力干扰和差异的影响。另一方面，FTS的跟踪控制需要尽量减少切削工具参考位置和实际位置之间的误差，同时保持高生产率所要求的更短的采样周期。因此，如何根据切削负荷和系统动力的不同控制FTS系统已成为最重要和最具挑战性的研究课题。在跟踪控制问题中，必须应用控制输入，以达到设备不同时间的输出与所需输出一致。这个问题与动态逆系统密切相关。直观地说，如果控制设备的动态逆置于参考信号和控制输入之间，然后设备的输出必须接近参考信息，前馈信息，从而很容易满足这样的跟踪控制要求。当然，由于逆系统的稳定和实现的关系，问题更加复杂。作为应用提出了零相位误差跟踪控制算法，被用于前馈控制工具的定位以及所需的时间变化的信号。试图添加前馈零点来补偿设备的不稳定零点。此外，重复控制概念适用于非圆加工，由于FTS的参考输入近似周期性，基于内膜的原理，周期信号发生器1/(1-e-ts)包括反馈回路的重复控制系统。该系统产生无限大的周期信号的基频及其谐波反馈增益的反馈回路。因此，周期信号可以被跟踪或拒绝提供闭环系统是稳定的。然而，上述提到的跟踪控制器必须有足够的适应或学习能力，以便保持跟踪性能的一个可接受的水平。因此，各种解决方案已经制定，以改善前馈控制器和重复控制器的鲁棒性。此外，FTS使用的模糊比例积分，微分（PID）控制器是由Liu 等提议的。然而，调整模糊PID的控制参数是很难的，尤其是当设备是可变的。这项研究是出于非圆加工过程的跟踪控制和干扰抑制问题，并尝试开发新的，不需要明确的设备模型且允许进行简单的调整参数和鲁棒性干扰的控制策略和算法。在本文中，介绍了一种新的精确的鲁棒跟踪控制方法，它结合了自抗扰控制的概念、输入修改、前馈误差补偿策略，以实现双方良好的鲁棒稳定性和处于动态不确定性下的设备的跟踪性能。这种方法使用了自抗扰控制器来估计和补偿系统的不确定性和变化，稳定设备，然后将反馈系统与前馈控制器串联以保持指定的跟踪性能。作为一种设计范式，自抗扰控制器保持了古典和有效的PID控制内核，但试图拒绝扰动。在这种方法中，提出了新的，重要的扩张状态观测器（ESO）的概念，不同于大多数现有的观察器，扩张状态观测器的系统增加了另一个层面，而不是降低系统命令。ESO用非线性系统的动态变化和外界干扰以及系统模型的不确定性来估计同样的扩展状态，并在每个采样期间进行补偿。实际上，这个过程将设备转换成一系统集成器的标准线性系统，从而实现了系统的动态反馈线性化。ESO的策略导致了自抗扰控制器的固有抗干扰能力和鲁棒性。此外，基于跟踪误差补偿的补偿块，在系统的前馈循环中的作用是修改输入信号，从而提高跟踪准确性。本文安排如下：首先，在第2节中提出了一个二阶粗糙的动态模型来获取执行机构的基本原理和结构行为。其次，在第3节中，介绍了自抗扰控制器和前馈误差补偿策略以及各自的数字控制器的设计和稳定性分析。然后，在第4节中展示了试验系统，实验过程以及试验结果。最后，在第5节中进行总结。2、建模2.1 执行机构的建模虽然在ADRC的概念中不要求一个明确的数学模型，但设备的许多知识为控制器的设计和参数整定提供了很多的方便。特别是，设备的模拟甚至粗糙模型有利于仿真，这将大大有助于了解过程并确定控制器参数，因此，执行机构的粗糙模型是必不可少的。图1显示了FTS装置中我们的VCM驱动器的结构，有关执行机构的设计细节见21，在执行机构的结构中，移动装置的支柱被制成刚性而且质量轻。整个移动装置被暂停通过弯曲FTS框架和滚子轴承来降低工具的驱动摩擦和容易获得工具零相位。通过转化驱动器的工作原理和机械结构，设备的近似性得以简化。作为一个典型的弹簧阻尼系统，该设备的动态方程可以表示为： （1）其中m是移动装置的有效质量，c是线性结构的阻尼，ks是线性弹簧系数，y是执行器的输出位置。此外，Fc代表切削力，并且介绍了铁的洛仑兹力与励磁电流成正比。由于控制器的输出是D/A转换后的建模电压，它必须由基本线性放大器驱动电流转入和控制的外部干扰。因此，描述执行器的频率和响应性能，其放大器的传递函数可以定义为： （2）其中u是放大器的输入电压，与VCM产生的输入力相对应。建模的物理优势是它提供的洞察力甚至是不同参数和变量的物理定义。然而缺点是根据第一原则来建立模型是非常困难而且耗时的，教学模型的建立往往与实验相结合。因此，在方程式（2）中的模型是衡量一个基于软件的动态信号分析仪，使用“正弦扫频”方法产生固定的频率振幅，不同的正弦波22。由于系统的频率响应，经常需要用比双频率依赖性多项式的代数表达式来表达。本征多项式系数的评价方法通常被用来确定额定的频率响应。这是基于小型化的加权平方绝对值与实际值间的误差和多项式的不同频率23。为了简化，额定的频率响应曲线是线性的二阶传递函数，可以描述为： （3）对于现有的控制器的设计和分析，这样一个简单的线性二阶模型是足够的。2.2 参考输入信号的建模图2表示了非圆加工中刀具和