多轴系统同步控制技术研究分解

1、多轴系统同步限制技术研究摘要：本文主要介绍多轴系统的同步限制技术.首先介绍了多轴系统的产生原因 和同步限制的概念,然后结合两者介绍了多轴系统中同步限制技术的开展及其在 数控系统中的应用情况.其次,详细阐述了多轴系统同步限制的限制机理,分析 了同步限制的根本理论.基于限制机理,介绍了五种常用的同步限制策略,剖析了各种方法的优缺点及适用场合.最后,简要介绍了多轴系统中同步限制常用的限制算法.关键字：多轴系统,同步限制,限制机理,限制策略,限制算法Abstract : This article mainly introduces synchronous control skill in multi-

2、axis system. First, it expounds the reasons of development of multi-axis and the concept of synchronous control, and then introduces the development of synchronous control in multi-axis system and application in CNC system by combining multi-axis system with synchronous control. Second, it expounds

3、the control mechanism and basic theories of synchronous control. Based on control mechanism, this article introduces five control strategy methods, and discusses the relative merits of each method. At last, it presents the control algorithm used in synchronous control of multi-axis. Key Word : multi

4、-axis system , synchronous control , control mechanism control strategy , control algorithm自1952年美国麻省理工学院研制成功第一台数控系统,数控技术经过半个 多世纪的开展,在机械行业中得到了广泛的应用.随着电子技术和限制技术的飞速开展,当今的数控系统功能非常强大,数控系统的应用也日趋完善,大大的缩短了各种机械装置的生产周期,提升了机械加工效率和加工精度,改善了产品质 量.造纸、纺织、钺金加工等行业的开展,传统的单轴驱动技术由于存在以下局 限性而难以满足这些领域内的应用需求：一方面单运动轴系统的输出功率

5、存在上 限,无法应用于对功率需求较大的场合；另一方面,使用单运动轴驱动大型对称负载,往往会导致两端负载的驱动力不一致,从而对加工质量和设备使用寿命产生不利影响1.为解决单轴系统的各种缺点与缺乏,多轴限制技术应运而生.当 执行元件之间存在着一定的约束关系的时候,就需要采取适当的速度、位置策略对各执行器的运转进行同步限制.近年来伺服限制技术的飞速开展,多轴同步系统更是得到了广泛的应用.所谓同步限制,就是一个坐标的运动指令能够驱动两个电动机同时运行,通过对这两个电动机移动量的检测,将位移偏差反响到数控系统获得同步误差补 偿.其目的是将主、从两个电动机之间的位移偏差量限制在一个允许的范围内2.1.多轴

6、系统同步限制技术开展多轴系统同步限制技术是一门跨学科的综合性技术,是电力电子技术、电气 传动技术、信息技术、限制技术和机械技术的有机结合, 它的开展与其它相关技 术的开展是密切联系在一起的.电力电子技术、电气传动技术、限制理论和方法 的飞速开展促进了多轴系统同步限制的迅速开展,多轴系统同步限制技术可以获 得良好的限制效果,能够获得满意的限制精度和工作稳定性 3,在工程实际中得 到了广泛的应用,解决了诸多工程中的实际问题,获得了巨大的经济效益和社会 效益.多轴系统的同步限制最初采用的是非耦合限制.这种同步限制策略针对的是单个运动轴,各个运动轴相互独立,与其它轴没有任何的关联.在这种限制策略 中,

7、如果系统中某一运动轴由于扰动等因素, 其负载或者速度将会发生变化. 但 由于各运动轴相互独立,彼此之间没有影响,这种变化并不能在其它运动轴上得 以反映以减小同步误差.所以,单轴的扰动势必会影响限制系统的协调性能4.由此看来,非耦合同步限制这种限制策略并不能保证系统同步误差的减小,只能通过设计优良的限制器尽量使某些轴的单轴跟随误差减小.在这种情况下,Koren于1980年提出了交叉耦合补偿限制策略通常将系 统中某一运动轴的输出进行某种变换后作为其他轴的参考输入来实现交叉耦 合,该同步限制策略通过耦合系数将各运动轴的跟踪误差以及同步误差耦合成 各轴的同步限制信号,作用到各轴的限制器,对同步误差进行

8、补偿,以此到达同 步的目的.至此,多轴协调限制成为了研究的热点, 许多科学研究者针对多轴协 调限制理论展开了进一步的研究.Kulkami和Srinivasan对交叉耦合补偿限制策略进行了详细的分析,并与1989年提出了最优限制方案.由于传统的PID结构简单、调整方便、稳定性好,在多电机的限制中得到 了广泛的应用.随着模糊限制、神经限制、自适应限制、前馈限制等限制技术的 不断深化开展,这些限制技术在数控系统的伺服限制上得到了极大的发挥.但由于对于多电机同步限制过程中存在时变性、 对象不确定性、非线性以及随机干扰 等现象,PID限制很难得到精确的限制结果.因此由于 PID自身的特性,只在精 度要求

9、不高的被控对象中得到了广泛的应用.近年来,除了使用传统的PID限制外,许多科学研究者将现代限制理论, 如鲁棒限制、模糊限制、神经网络、模型参考自适应限制等,应用到多轴系统的 同步限制中.事实证实取得了很好的效果,进一步提升了系统的性能.除此以外, 研究人员将传统的PID限制技术与智能限制技术相结合,得到了很多新型多轴 系统的同步限制方法,如模糊PID限制方法、PID神经网络等,大大提升了同步 限制的精度.随着工业的开展,越来越多的场合用到了双轴或多轴限制系统.为了满足双轴驱动时同步限制的需要,国外的各大数控系统生产商都积极的开发出了自己的具有双轴同步限制功能的数控系统. 国外的数控技术起源早,

10、在技术方面远远领 先于国内,像德国的西门子、法国的 NUM、日本的FANUC等早已实现了双轴 的同步限制,并在实用中取得了良好的效果.比拟典型的机型有20世纪90年代 推出的西门子840D/810D,法国的NUM 1040M以及日本FANUC的FANUC-15i. 它们通过对参数的设置,来确定需要同步的双轴以及双轴的主从之分,并且通过设置参数来给定双轴不同步的最大极限值以此来保护机床 51.下面分别对上述三 种类型数控系统的同步限制方法加以说明.1西门子840D/810D的双轴同步西门子840D/810D实现双轴同步功能时,主要分为三个步骤：第一步：主动轴回零.主轴回参考点,从动轴跟随主轴同步

11、运行,直到主轴 到达参考点.第二步：从动轴回零.主动轴到达参考点后,从动轴自动回参考点内部自 动起动,此时主动轴跟随从动轴运动.所有的同步轴回到参考点后,然后对主 动轴与从动轴的位置进行比拟,如果差值不大于报警极限限制系统, 开始同步过 程强制连接,如果差值大于报警极限,那么限制系统不会自动开始同步过程, 并输 出等待同步起动信息,等待操作员起动同步处理,再次起动.第三步：同步处理.主动轴和从动轴的补偿功能被激活,时刻监视双轴的运行状态,并及时进行补偿.2） NUM 1040M中的双轴同步NUM 1040M数控系统在处理同步时与西门子的比拟相似,只是在处理同步 补偿时比拟简洁.直接将主、从动轴

12、的差值在下一个插补周期时叠加到从动轴的 输出上,简化了一系列的复杂的运算.NUM的独特之处在于其向用户展示的各项参数,具有很强的开放性,对 P 参数的设置是其开放性的特征之一,NUM 1040M系统中共有115个P参数,通 过修改P参数就可以实现对限制系统的配置.用户可在NUM专用软件的环境下, 方便、快捷的通过P参数对系统进行配置与调整,亦可不借助任何软件及工具, 在线修改P参数.NUM系统中,双轴同步限制的功能也是通过设定 P参数实现 的.3） FANUC-15i中的双轴同步其同步的建立有两种方式：基于手动返回参考点上的同步建立；基于机床坐 标系的同步建立.虽然国外很多数控系统供给商推出了

13、各自的具有双轴同步限制功能的数控 系统,并且在市场上还有不错的表现, 但是,这并不代表在现有的根底上双轴同 步限制的研究就到达了完美的境界, 这里面还是存在很多问题值得探讨的. 开发 具有双轴同步限制功能的数控系统周期长,在进行高速高精限制时,双轴的反响以及反响的处理一定要及时,这对数控系统本身就有很高的要求. 对于国产众多 数控系统来说,由于其插补周期的限制,在数控系统上进行双轴同步限制技术的 突破,颇有难度.随着电子技术的开展,伺服驱动的功能也日益强大起来,如果能将双轴同步 限制的功能整合到伺服驱动中,这样,不但减轻了数控系统的负担,而且使得反 馈回来的同步数据的处理更加迅捷,在限制高速高

14、精机床时更具有优势 6.2.多轴系统同步限制机理多轴系统是非线性、强耦合的多输入多输出系统.多轴系统同步限制的主要 性能指标有：速度比例同步；位置或角度同步；绝对值误差小于某限幅值. 多轴系统的同步运行关系一般分为以下几类7:1要求多轴系统的同步运动具有相同的速度或位移量在瞬态或稳态都能 够保持同步,这是通常将的侠义上的同步,也就是最简单的同步限制.以常见的 双轴系统为例,该种情况下角位移同步误差 A 8可由以下公式求得：i 2 i 2dt dt1-1其中?、色、心、分别为运动轴1和2的角位移和角速度.由公式1-1 可知,假设在某个阶段 A始终为零,那么A8也为零.但假设系统由于外界干扰等 原

15、因导致A8发生变换,为消除该同步误差,必然要求两个轴以不同的速度运动, 从而使得A偏离零点,即产生速度误差.由此可以看出,虽然在多数情况下系 统的位置同步需要有速度同步作为前提保证, 但在某些时刻,为了实现位移同步, 就必须牺牲一定的速度同步性能,此时两者呈现相互制约的关系.2要求多轴系统中个运动轴以一定的比例关系运行.在实际多轴系统中, 有些场合并不一定要求各台电机的速度完全相等, 而一般的情况是要求各台电机 之间能都协调运行.假设系统中运动轴 1、2的输出角速度为31、2,那么它 们之间应当保持如下关系才能满足此类同步限制的需求：1.1 a 21-2此处a即为速度同步系数,通过对该系数的在

16、线设定和修改,便可以实现系 统在各种不同场合下的同步运动,这便是广义上的同步概念.3另外,还有一种为了特殊的工艺要求,它不是要求各个输出单元的速度 保持一定的比值关系,而是要求可以在不同速度下仍保持恒定的速度差.目前,保证多轴系统同步运动的常用方法主要分为两大类：机械方式和电气方式.机械同步方式主要有机械总轴同步限制, 而电气同步方式主要有主令参考 同步限制、主从同步限制和交叉耦合同步限制等.机械同步方式机械结构固定, 但是结构复杂,噪声大,灵活性差,传动范围和传动距离小,单元负载小,系统 本钱高.电气同步方式同步性高,抗干扰性好,克服了机械方式的种种缺点,但是由于算法的不同,各种限制方式都有

17、不同的缺陷. 随着电子技术、计算机技术 等的开展,电气同步方式在很多场合都取代了机械同步,已经广泛应用到各机械 行业中.1.2 机械式同步限制机械式同步出现较早,其限制策略相对于其它限制方式而言比拟简单. 主要 通过在运动轴之间添加物理连接实现.该方法往往使用一台大功率电机作为驱动 力的来源,并通过齿轮、链条、皮带等机械结构来实现能量的传递.改变这些机 械传动环节的特性,就可以使整个系统的传动比、转速等参数产生相应的变化. 在工作时,如果某个从动轴的负载受到了扰动,该扰动将会通过机械环节传递给 主轴电机,改变主轴的输出.由于主轴和从轴之间均存在机械连接, 因此其它从 动轴的输出也会发生相应的变

18、化,从而起到同步限制的效果.机械式同步限制系统中,同步的机制是各个分区紧密地胶合在一起,使得各 个分区的运转如同一个整体.这种方案的优点就是能够很好地保证个单元之间的 同步关系网.但是实现这种胶合的方式是通过机械方式实现的,因此带有机械系 统的固有局限性,主要有如下缺乏之处：1由于机械式同步一般只使用单一的动力元件,导致各从轴所分配到的功 率相对较小,限制了各从动轴带动负载的水平；2机械同步系统中的传动环节一般采用接触式连接,工作时所产生的摩擦 不仅会造成传动能量的损耗,还会磨损传动零部件,影响同步性能,缩短系统的 使用寿命,不利于维护保养；3由于采用机械式连接,该种同步方法的结构比拟固定,参

19、数不易调节.假设需要对其做出修改,那么必须增加或者移去某些机械零部件, 操作较为繁琐.另 外机械连接也会受到长度上的限制,难以实现远距离的同步限制；4该同步方式本质上式开环限制,在多轴且偏载大的系统中纠偏水平差, 同步限制精度低9;5机械总轴极易出现振荡现象.一般来说,机械总轴系统中的粘性系数很 小,致使传递函数中的振荡环节极易出现共振现象机械谐振.如果谐振频率 较低,会影响系统的稳定性.而且在机械系统中,该阻尼系数无法调节,因此很 难获得预想的动态性能.1.3 电气式同步计算机限制的开展、功率电子器件和高性能伺服电机帮助人类挣脱了机械齿 轮传动的束缚.以此,科研人员提出了电气式同步限制方法,

20、 有效的解决了机械 式同步所存在的问题.系统中每个运动轴可以使用单独的电机提供能量和力矩, 用电子通讯模拟齿轮组的机械联系, 将速度、位置关系的向前传递和力矩的向后 反响以电子讯号的方式分别实现. 但是这两个方面之间的联系容易被忽略. 实际 生产中的负载常有的不对称性,会破坏整个系统的协调.结合电子啮合方式灵活 性,针对在实际中的不同问题,采取适当的举措可以改善多轴运动限制系统的性 能网.电气式同步限制主要由一个核心限制器以及与其相连的假设干个子单元组成, 每个子单元都有一个独立电机来限制对应运动轴.设计人员通过编写相应限制程序,使得各子单元在核心限制器的协调之下工作,限制对应运动轴同步运行.

21、由于每个轴都由单独的电机驱动,因此该种方法带动负载的水平有了显着提升,且简化了设备的机械结构,能够实现精度更高,同步性更好的限制.电气式同步同 时也涉及到了很多学科的综合知识,如驱动器、限制器、检测器、总线、限制算 法等.虽然较为复杂,但该方法具有巨大的开展前景,可以在各个领域内广泛应 用.3.多轴同步限制策略经过长期以来的开展,国内外科研人员对于同步限制策略的研究取得了长足 的进步,并将其广泛应用于工程实践中.对于电气式同步中所使用的限制策略, 一般可分为非耦合式与耦合式两大类10.目前常见的同步限制策略有以下几种： 主令参考式同步、主从式同步、交叉耦合式同步、偏差耦合式同步、虚拟主轴同3.

22、1 主令参考式同步限制主令参考式同步又称并行式同步,它是最简单直观的一种同步策略,其结构 如图3.1.在该方案中,所有运动限制器的输入来自于同一个信号,即主令参考 信号0每个运动轴在该信号的限制下并行工作,互不相干.如果其中一个轴 受到扰动,由此产生的同步误差只能通过该轴自身的调节来减小,其它轴并不会对其做出响应.图3.1主令参考式同步采用主令参考式的同步限制系统优点在于启动、停止阶段系统的同步性能很 好,每个被控对象之间的相互作用最小,响应速度快,系统稳态性能稳定.但是 整个系统相当于开环限制,当运行过程中某一轴受到扰动时,电机之间将会产生 同步偏差,同步性能很差11.目前主令参考式同步限制

23、在冷带轧机、 液压飞行仿 真转台等诸多设备中得到广泛应用.3.2 主从式同步限制主从式也称为串联式,将运动轴划分成主轴和从轴,如图 3.2.其中从轴的 参考输入信号来自于主轴输出,从而到达同步的目的12.由此可知,一旦主运动 轴因负载扰动而改变速度,从轴可以对其做出相应的调节,以此来减小同步误差. 但是,当从运动轴受到扰动时,主轴却不会对其有任何响应,导致同步误差得不 到及时修正.与此同时,这种主从模式也会导致从轴的运动在时间上滞后于主轴, 因此存在一定局限性.这种同步限制策略应用在对速度或者位置的同步精度要求 不是很高的工业生产中.图3.2主从式同步多轴系统的主从式同步限制可以通过软件和硬件

24、方式实现13 14.图3.3和3.4为分别采用软件和硬件实现的主从限制方式的结构图.图3.3软件主从限制方式采用软件主从方式时,分别对各个回路进行限制,再将各回路的位置反响信 号经过系统处理后将补偿量送入从动轴, 这种方式相应迅速,能及时地调整双轴 的不同步状态,但由于处理的数据量大,相对来说给系统造成了一定的负担.图3.4硬件主从限制方式采用硬件主从方式时,前一级的输出信号将直接给下一级回路, 从动轴的调 整由伺服来完成,系统只需在插补周期结束时发送一定的数据即可, 系统的负担 减轻了,但是由于信号从第一级传到第二级时有一定的延时, 并且伺服调整也需 要一点时间,这就使得真个系统的响应速度变

25、慢, 当机床的速度很高时,极易造 成事故.因此,两种限制方式要根据实际情况的不同有所取舍.湖南师范大学提出了一种采用了主从结构的高精度液压举升机同步限制系 统方案,如图3.5所示.系统中采用主动缸的位移作为理想参考值,以两个缸的 位移差为输入信号,采用从动缸跟随主动缸的运动方式. 仿真结果说明该限制系 统具有很好的同步精度140图3.5主从式液压举升机同步系统3.3 交叉耦合式同步限制该限制策H&最初由Koren在1980年首次提出,并将其应用于双轴平台的控 制中,具结构如图3.6所示.图3.6交叉耦合式同步交叉耦合式同步限制中,每个轴的运动不仅与输入的参考命令有关, 而且也 与其他运

26、动轴的运动有关系,从而实现运动轴之间的相互“协作,并最终实现轴之间的同步运动.当系统出现同步误差时,该方案可对两轴分别进行补偿,从 而对误差起到良好的抑制作用.该方法引入通过误差反响的思想,在各运动轴之 间建立了耦合关系,因此相比非耦合同步方案能够实现更好的同步限制性能.但 由于引进了轴间参数耦合,使模型在计算机中实现非常复杂,而且还有可能导致 系统整体稳定性变差,不适用于运动轴数大于二轴的系统15.3.4 偏差耦合式同步限制偏差耦合同步方案由Perez-Pinal等人提出,该方案适用于轴数大于二的多 轴系统.其根本思想是将某一台电机的速度反响同其它电机的速度反响分别作 差,然后根据各电机转动

27、惯量比值确定速度补偿量160该方法可以方便地扩展至 3台或以上的多电机同步限制,并且有效地减小了电机输出转矩的抖动. 该方案 对交叉耦合限制进行了扩展,能够根据同步情况,动态的分配各轴的速度补偿信 号.偏差耦合式同步结构如图3.7所示,该方案主要由信号混合模块、信号别离 模块和速度补偿器组成,其中,*为参考角速度信号,s (n=1,2,3)分别为 各运动轴输出角速度.在运行时,首先由补偿器求出所限制的运动轴与其它轴的 转速差,然后将其经过补偿算法处理后相加,作为该轴的转速补偿信号cn.由于偏差耦合方案把所有运动轴之间的偏差值作为补偿输入量,保证了每个轴都可得到足够的同步误差信息,使得各轴均能够

28、根据自身及其它轴的运动情况进行同 步调节,因此具有较好的同步性能.图3.7偏差耦合式同步3.5 虚拟主轴同步限制虚拟主轴(Virtual Shaft)的限制理念最初由 Robert D. Lorenz提出,当时的 名称为相对刚度运动限制(Relative Stiffness Motion Control).该方案在主从式 同步的根底上,将从轴的驱动力矩反响至主轴限制回路中, 实现了主轴与从轴之 间限制信号的耦合反响.随后,Kevin Payette明确提出了虚拟主轴的概念,通过 模拟机械主轴式同步方案的特性,为反响力矩赋予了物理意义,在各运动轴间建 立了联系.虚拟主轴同步限制方式是基于电子虚拟

29、轴技术的一种同步限制方式,虚拟主轴同步限制的结构与主从式同步限制结构较为相似.在虚拟主轴同步模型中,传动系统中每根机械辗轴均由单独的伺服电机驱动,各从轴接受来自主轴的输出信 号作为其给定信号输入.但是这里的主轴不再是实际的伺服电机驱动的机械轴, 而是基于限制系统中的虚拟主轴功能建立起来的一根电子虚拟轴,电子虚拟轴可以根据设定的速度仿真实际轴进行运转17.因此,电子虚拟轴同样可以作为是整 个系统中的主轴,即虚拟主轴,其限制结构如图3.8所示.图3.8虚拟主轴同步限制方式结构图虚拟主轴的同步系统中,将传动系统中的机械辗均作为从轴, 在限制周期中 它们同时接受虚拟主轴的限制信号,并根据各轴与虚拟轴速

30、度关系比进行变换后 得到的信号作为各轴输入给定信号, 各从轴跟随给定信号进行闭环限制, 从而使 各自的输出均准备无误地跟随虚拟主轴信号,这样就可以实现整个系统中各轴的 同步运动限制.虚拟主轴限制与主从式同步限制相比,由于前者的主轴为电子虚拟轴,从而可以有效地克服系统中各轴的指令时间差.但是,虚拟主轴同步模型同样没有在 主从轴之间建立反响关系.因此当某一从轴的出现干扰后对其跟随性能的影响, 不会反响到主轴或其他从轴上,这样也可能会导致该从轴问的失步甚到使整个系 统同步限制失效.4 .多轴同步限制算法目前,有很多限制方法被应用于多轴同步限制策略中.其中,最为常见的是传统PID限制,包括P限制、PI

31、限制、PD限制及PID限制.由于它具有简明的 工作原理、意义明确的限制参数,并且在大多数限制应用中能够取得很好的效果, 因此得到了广泛应用.对于智能限制方法,如模糊限制、神经网络、滑膜变结构 限制等,也在同步限制领域内受到越来越多的关注.4.1 常规PID限制按偏差信号的比例、积分、微分PID进行限制是历史最久、使用最普遍 的限制方式.虽然目前有越来越多的新型限制方式随着技术进步而被提出,但在实际限制应用中,仍有超过90%的场合会使用传统PID限制.在PID限制器中,比例环节的输出正比于偏差信号,用于消除偏差；积分 环的节输出正比于偏差积分值信号,用于消除系统静态误差；微分环节的输出正 比于偏

32、差变化率的信号,用于加快调节速率,缩短过渡时间,减少系统超调.如 果对这三个环节进行适当组合,就可获得快速、准确、平稳的限制效果.设计 PID限制器的关键问题在于如何比照例、积分、微分系数进行整定.随着微机技术的迅猛开展,实际多轴系统限制大多数采用数字PID限制器.其中经常采用的有位置式和增量式 PID限制算法.计算机限制是一种采样限制, 它只能根据采样时刻的偏差值计算限制量.因此,连续 PID限制算法不能直接 使用,通常还需要采用离散化的方法.在实际多轴系统中,由于各种各样的条件限制,为了提升限制精度,研究人 员并不单纯地使用PID限制算法,往往根据需要加以适当的变化,例如积分分 离、变增益

33、PID限制、不完全微分PID限制算法等19.在一般的多轴系统同步限制中,往往没有充分考虑驱动器饱和的影响.在实 际应用中驱动器都有一个最大输出力矩,超过该最大限度的力矩都将被限幅输 出,这样会严重影响系统的限制品质,降低同步限制精度.基于上述原因,Saberi 等人将输入受限理论运用到线性系统中, 提出了饱和PD加重力补偿的全局渐进 限制器的方法.有些研究人员在以上根底上提出了输入受限饱和比例一微分(SPD)加位置同步误差的同步限制器和输入受限饱和比例一微分( SPD)加前 馈补偿同步限制律的限制算法.另外,为了减少系统的振荡,采用外推法判别同 步误差的变化趋势,以便预先估计补偿值.PID限制

34、实际是一种线性限制规律, 同时也具有传统限制理论的缺点,因此 仅在限制简单的线性单变量系统时有较好效果.对于多变量、非线性、强耦合的 复杂系统,由于其运行情况多变,且系统参数具有时变性,如果对其使用PID限制,那么难以获得适宜的限制参数.因此,对于先进智能限制技术的研究和应用, 不断提升改善系统稳态精度、动态响应水平、抗干扰性以及对参数变化的自适应 性是一个必然趋势.随着现代限制理论、智能限制的研究和应用的开展,为限制复杂过程系统开 辟了新途径.近年来,为适应复杂的工况和高指标的限制要求,出现了 PID控 制器参数的自动诊定技术以及许多新型的 PID限制方式,如：自适应PID限制、 神经网络P

35、ID限制、模糊预测PID限制等多种技术结合的PID限制方式.由于 具有传统PID及现代限制理论、智能限制理论技术的多重特点,其对于复杂对 象的限制效果远远超过常规的 PID限制.4.2 智能限制技术近年来,智能限制如模糊限制、神经网络、滑模变结构、自适应限制方法等 的研究相当活泼,并在许多领域里获得了成功的应用.由于智能限制无需对象的 精确数学模型,并可以在处理不精确性和不确定性的问题中获得可处理性、鲁棒性,因而智能限制技术在多轴系统同步限制中也获得了广泛应用,如模糊限制、 神经网络等19.模糊限制是一种以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为数学根底的 限制方法.由于该方法不需要依靠准确的

36、数学模型, 因此在复杂系统的限制中可 以得到较好应用.在模糊限制中,知识的表述、模糊规那么以及合成推理均是基于 操作者经验或专家知识的.作为模糊限制的核心,模糊限制器主要通过计算机系 统实现,因此它具有计算机限制的特点,对于被控对象所受扰动具有出色的抑制 水平.将模糊限制与PID算法相结合产生的模糊PID限制算法,在多轴同步限制 系统中已经取得了应用.一种采用模糊 PID限制算法设计的补偿限制器如图 4.1 所示20.该限制器的模糊推理规那么基于预先设定的规那么表,不需要复杂的算法, 因此限制器的运算速度比拟快,能够适应系统的要求,采用转速误差e和转速误 差变化率ec的双重反响补偿能够尽快地减

37、小同步误差.图4.1模*P PID限制器模糊限制在实际应用中取得了很大的开展, 但是模糊限制规那么依赖于人的知 识经验,而且模糊逻辑限制器的设计不具有系统性, 对于复杂的被控对象很难得 到完善的限制规那么.神经网络是智能限制的另一重要的分支,根据大量神经元根据某种拓扑结构 学习和调整的限制方法,具有并行计算、分布存储、结构可变、高容错性、自我 组织、自学习等特点.虽然该方法不善于表达显式知识, 但对于非线性函数却具 有很强的逼近水平,适用于对任意复杂对象,特别是单输入多输出以及多输入多 输出系统的限制.就神经网络的连接形式而言,可以分为两种典型的结构模型： 前馈型网络和反响型网络.典型的前馈型

38、网络结构有：单层感知器、BP网络和RBF网络；广泛应用的反响型网络有 Hopfield0神经网络还可以与传统PID组合使用,构成PID神经网络,发挥其自学习 的特点,在线对PID参数进行整定,使PID神经元网络可限制系统的响应快、 超调小、无静差.PID神经元网络可以适用于多变量系统的解耦限制,无需测量 或辨识被控多变量对象的内部结构和参数,可以得到良好的解耦限制效果.但是目前的研究仅局限于采用神经元网络辅助选取或修改传统PID限制器的P、I、D参数,且仅局限于在单变量系统的限制方面.图4.2为将PID神经网络应用于双轴系统同步限制的限制系统仿真图.图4.2基于PID神经网络的双轴同步限制器尽管