一种智能双模数控伺服进给控制器设计

　　以数控伺服进给控制器为研究对象，采用在全论域范围内带有自调整模糊规则因子和模糊比例因子的自适应控制策略，提出一种可提高数控伺服进给系统动态性能的智能Fuzzy PID双模控制器设计方法。仿真分析证明该方法在不同的工作状态下，根据不同的响应阶段的动态性能要求在线自动调整控制器的控制参数和控制算法，可有效地克服传统控制算法存在的扰动、超调量大、调节时间长等缺点。Matlab软件仿真证明该控制器较常规PID、模糊控制器具有响应快、超调小、鲁棒性强和自寻优等特点。

　　数控进给伺服系统是数控设备的核心部件之一，其动态性能的好坏对整个系统性能起着决定性的作用。由于数控伺服系统结构复杂，各组成环节具有非线性、时变性、机电耦合等，影响了整个数控伺服进给系统的动态性能。目前，在数控进给伺服系统控制研究方面的文献还相对较少，虽然文献中引入了一些模糊控制理论，但效果并不理想。如文献中论述了为满足椭圆活塞车削对伺服系统快速性的要求，基于模糊控制理论设计了自校正PID控制器；文献将Ｆｕｚｚｙ控制器和PID控制器有机地结合，设计出一种新型混合智能调节器ＦｕｚｚｙＰＩＤ控制器；文献讨论了采用模糊推理自校正的方法，来对ＰＩ控制器的控制参数进行实时自整定。然而，上述方法在控制器中都没有规则因子，只是单纯地调整PID控制器的参数，效果不太理想。笔者以图1典型闭环数控伺服进给控制器为研究对象，以提高进给伺服系统的动态性能为目的，根据数控进给伺服系统的特点和性能要求，采用基于自调整比例因子和自调整规则因子的ＳｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅＦｕｚｚｙPID双模控制技术对系统进行控制。

1　数控伺服进给系统及性能分析

　　1.1　数控伺服进给系统模型

　　闭环数控进给伺服系统的简化模型。m为执行部件的质量，Cr为导轨副上的粘性阻尼系数，k为机械传动刚度，i为电机轴到丝杠的传动比，L为丝杠导程，PE（S）为电机的传递函数，θM（S）为直流伺服电机的角位移，kN为位置环增益系数，kv为速度反馈环的增益系数，kA为速度环增益系数。

　　1.2　影响伺服系统动态性能的主要因素

　　速度环增益、位置环增益、负载质量等时变因素对进给伺服系统伺服动态特性影响较大。要减弱这些时变因素对数控进给伺服动态性能的影响，惟一可行的方法是改变常规的控制策略，选用一种能根据主要影响因素的变化实时地改变控制参数或控制结构，减弱或消除对数控进给伺服系统伺服动态性能的影响。

2 智能双模数控伺服进给控制器设计

　　由于影响进给伺服系统性能的主要因素具有时变性和不确定性，在综合自适应控制模糊控制和常规PID控制算法优点的基础上，设计了图4所示的Self adaptiveFUZZYPID智能双模控制器，其工作原理如下：在大误差范围内采用基于自调整模糊比例因子和规则因子的Self adaptiveFUZZY 控制器进行调整，实现系统响应的快速性和稳定性；小误差范围采用传统线性PID控制器进行调整来消除系统的余差。两种控制方式的切换采用无触点模糊切换开关进行。

　　2.1 自适应模糊控制器设计

　　图4中的自适应模糊控制器选用基于自调整模糊比例因子和规则因子的自适应模糊控制器，该控制器依据伺服系统动态性能指标上升时间T、超调量Y调整比例因子Ku，依据伺服系统的误差E、误差变化EC在线自调整规则因子。

　　2.1.1 基于性能指标的自调整比例因子确定

　　对于数控进给伺服系统而言，较为重要的性能指标是系统响应是否迅速、准确和有超调，因此选取在线测量上升时间、稳态误差和超调量，据此来调整比例因子。该调整过程由一个模糊控制器来实现，输入为系统响应上升时间T和超调量Y，输出为比例因子调整量Ku。

　　如图5所示，上升时间T和超调量Y的隶属函数均为对称三角形均匀分布，论域为［0，1］；比例因子调整量Ku采用了三角形对称分布，论域为［－1，1］。

　　根据系统控制要求，选取比例因子调整量在第犖个控制周期，控制器根据上升时间T、超调量Y按模糊控制规则得到比例因子调整量Ku。

　　2.1.2　基于改进的全论域的自调整规则因子确定

为获得更好的系统动态性能实时性，采用在每个采样周期根据误差犈和误差变化犈犆的大小及关系对规则因子α进行调整，将E，Ec和&alpha的调整量均模糊化为｛NB，NS，ZE，PS，PB｝。

　　2.2 控制规则的无触点软切换

　　智能双模控制器采用基于模糊规则的软切换原理进行，控制器的控制算法由如下的模糊控制规则进行切换：

　　通过改变模糊切换规则的隶属度函数的形状和ai（i＝1，2）的值可以获得不同的控制强度分量。当输入误差和误差变化量分别为Ei和Eci时，通过模糊切换控制规则隶属函数对应得到m1 和m2，与（ａｎｄ）运算方式采用取小运算。

3 仿真分析

　　当系统参数发生变化时，PID控制器所对应的响应曲线变化最大，常规模糊控制器对应的响应变化较小，基于自调整模糊比例因子、规则因子智能双模控制器对应的响应变化最小。这表明ＰＩＤ控制器、常规模糊控制器、自适应模糊控制器的鲁棒性依次增强。

4 结　　论

　　（1）针对伺服进给系统的复杂性、非线性以及模型不确定性的特点，设计出的Self adaptiveFUZZYＰＩＤ智能双模控制器能根据伺服进给系统在不同的响应阶段和性能指标，自动调整控制参数，自动切换控制算法，以适应数控进给伺服系统在不同的工作状态下的动态性能要求。

　　（2）模糊无触点软切换功能避免了一般双模控制算法在控制方式切换时存在的扰动、超调量增大、调节时间长等缺点，实现了控制方式的平稳过渡。

　　（3）仿真试验表明，所设计的Self adaptiveFUZZYPID智能双模控制器具有动态响应快、控制精度高等特点，提高了系统的动、静态特性，是一种提高控制性能的有效方法。