數(shù)控伺服系統(tǒng)動態(tài)特性仿真及參數(shù)優(yōu)化

龍靚靚

摘 要：科學技術(shù)的進步使得工業(yè)生產(chǎn)慢慢進入了智能化、現(xiàn)代化、科技化的生產(chǎn)狀態(tài)模式中。特別是以計算機為領(lǐng)導的一系列的現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸取代了獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)，使得生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)能夠形成統(tǒng)一的整體，節(jié)約時間的同時大大的提高生產(chǎn)效率。文章通過數(shù)控伺服系統(tǒng)動態(tài)特性仿真方面的介紹，以及相應的參數(shù)優(yōu)化進展情況的介紹使人們能夠進一步了解數(shù)控技術(shù)在目前機床生產(chǎn)領(lǐng)域中的重要作用，同時將PID參數(shù)優(yōu)化理論同數(shù)控伺服系統(tǒng)進行很好的結(jié)合，保證動態(tài)切削系統(tǒng)運行更加的連貫，提高自動化的效率。進而提高數(shù)控機床的加工效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)控伺服系統(tǒng) 動態(tài)銑削 參數(shù)優(yōu)化 仿真

中圖分類號：TH161 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0067-01

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，科技在經(jīng)濟發(fā)展中逐漸取得了主導地位，人們進入了知識經(jīng)濟的時代。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域科學技術(shù)的應用尤為突出，例如在機床生產(chǎn)領(lǐng)域以數(shù)控技術(shù)為代表的現(xiàn)代自動化生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸取代了人員手工操作，不僅提高了生產(chǎn)效率保證了生產(chǎn)質(zhì)量，同時為其他領(lǐng)域逐漸實現(xiàn)自動系統(tǒng)運行提拱了技術(shù)經(jīng)驗支持。

1 數(shù)控機床交流伺服系統(tǒng)的歷史及現(xiàn)狀

1.1 永磁同步電機的發(fā)展

電動機在電流經(jīng)過磁極后產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子在磁場中做切割磁感線的運動。但是普通的電源技術(shù)并不能使進行自由的啟動。變頻電源的出現(xiàn)能夠使得中小功率的調(diào)速系統(tǒng)使用在同步電動機進而保證電動機運行正常。雖然變頻電源出現(xiàn)解決了同步電動機的問題但是由于它與異步電動機不同在電網(wǎng)電壓下不能自行起動，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下平均的扭矩為零這就導致在生產(chǎn)中不能充分的使用同步電動機。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，高性能永磁材料，電力電子技術(shù)，計算機控制技術(shù)的出現(xiàn)將同步電動機經(jīng)過技術(shù)改造轉(zhuǎn)變成永磁同步電動機。加之高性能的變頻電源的出現(xiàn)使得電動機運行逐漸同計算機連接，計算機通過一定的系統(tǒng)將生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)步驟進行組織安排實現(xiàn)自動化的控制程序。

1.2 數(shù)控機床交流伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

永磁同步電動機雖然在工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的技術(shù)性能優(yōu)勢但是同時由于自身特點使得例如耦合性，時變性，非線性使得永磁同步電動機在進行控制時不能隨意的自由進行控制。很難獲得較好的速度控制性能。隨著時間的推移進入20世紀70年代矢量控制理論的出現(xiàn)解決上述問題，該理論的提出使得交流電動機第一次在電機控制理論中得到證明。矢量控制理論是采用矢量變換的控制方法，將交流電動機的磁通同轉(zhuǎn)矩的控制進行解耦，進而使得永磁同步電動機的控制方法同類與直流電動機的控制形式。通過控制方式轉(zhuǎn)變永磁電動機的控制性能有了進一步的提高。將永磁電動機同交流電機的控制方法的結(jié)合實現(xiàn)電動機在生產(chǎn)中自由的起動大大的提高了電動機的速度控制性能和位置控制性能，從而實現(xiàn)了在數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中的廣泛應用。提高了數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的運行效率同時也大大的提高整個機床生產(chǎn)領(lǐng)域的工作效率。數(shù)控機床中交流伺服系統(tǒng)廣泛采用（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）三環(huán)PID控制調(diào)節(jié)技術(shù)。但是由于傳統(tǒng)的永磁同步電動機的控制技術(shù)采用的三環(huán)PID調(diào)節(jié)控制方式在數(shù)控機床應用實踐還是發(fā)現(xiàn)了一些問題。例如，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定比較繁瑣同時存在相應的誤差，這主要是由于傳統(tǒng)的手工伺服需要進行系統(tǒng)的簡化，這其中就使得系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化導致系統(tǒng)出現(xiàn)誤差。伺服系統(tǒng)的解耦控制同時需要精確的數(shù)學模型，這就導致系統(tǒng)對于參數(shù)的依賴性較大容易，一旦參數(shù)的選擇不夠正確或是偏差較大時那么整個系統(tǒng)運行狀態(tài)就會大打折扣。

1.3 數(shù)控機床切削參數(shù)優(yōu)化選擇現(xiàn)狀

數(shù)控機床切削技術(shù)的應用已經(jīng)在機械零件的加工領(lǐng)域中取得重要的地位，逐漸的取代了以手工控制為主體的傳統(tǒng)的零件加工方式。數(shù)控機床控制下的切削系統(tǒng)需要進行參數(shù)的確定，隨著加工零件規(guī)格的不同必須要對系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整進而對加工機床進行調(diào)整。參數(shù)的確定是否合理關(guān)乎到機床生產(chǎn)的效率，機床加工速度，以及機床加工出產(chǎn)品的精度。但是由于受到技術(shù)經(jīng)驗的限制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定往往需要借助規(guī)范手冊或是經(jīng)驗公式。但是由于經(jīng)驗公式或是參考手冊中提供的參數(shù)數(shù)據(jù)往往都是在特定的實驗條件下確定這就使得參數(shù)的精確性受到一定的影響。同時現(xiàn)行使用的參數(shù)手冊的制定主要是針對于普通的機床進行參數(shù)借鑒對于水平較高的數(shù)控機床來說進一步減弱了機床的精確水平。同時由于機床操作人員技術(shù)水平的影響也使得機床在參數(shù)設(shè)定方面存在一定的問題。這些因素都對數(shù)控伺服系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定產(chǎn)生影響。

2 交流伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

2.1 伺服系統(tǒng)優(yōu)化模型

傳統(tǒng)的交流位置伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定在設(shè)計時把各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)簡化成相應的典型環(huán)節(jié)，通過頻率特性和根軌跡法對調(diào)節(jié)器參數(shù)進行整定，這使得參數(shù)的整定比較繁瑣，而且在一定程度上依賴工程師的經(jīng)驗，存在一定的誤差，系統(tǒng)并沒有在最佳的狀態(tài)下工作。為了使得系統(tǒng)在最優(yōu)或者是次最優(yōu)的狀態(tài)下工作， 專家學者們提出了最優(yōu)PID參數(shù)自整定方法，即建立性能指標函數(shù)，把系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)的PID參數(shù)看作是該性能指標函數(shù)的變量對指標函數(shù)進行尋優(yōu)，得到性能指標函數(shù)最小時的 PID參數(shù)，該結(jié)果就是最優(yōu)的系統(tǒng)PID參數(shù)。最優(yōu)PID參數(shù)自整定的關(guān)鍵是性能指標函數(shù)的選取和優(yōu)化算法，其直接影響到系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果。常見的目標函數(shù)包括ITAE、IST 2 E、GISE。

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

目標函數(shù)的選取是伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵，選擇不同的目標函數(shù)，參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果也必將不同，必須選擇一個能夠反映系統(tǒng)性能的目標函數(shù)，該文采用的三種優(yōu)化目標函數(shù)，分別對系統(tǒng)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化結(jié)果做比較。首先應該對初值進行結(jié)果分析后才能進行下一步的數(shù)據(jù)篩選工作。目標函數(shù)初值的選擇對于結(jié)果的影響較大因此從全局尋找最有的結(jié)果很難只能在局部選擇最優(yōu)結(jié)果。其次是將篩選的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)模型比對后才能確定參數(shù)的數(shù)值。利用廣義誤差平方積分為準則進行數(shù)據(jù)的篩選可以更加精確的確定數(shù)值，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，數(shù)據(jù)誤差值將會控制在一個較為合理的范圍內(nèi)。這就更加適合永磁同步電動機的運行。

3 結(jié)語

總之，伺服系統(tǒng)的性能直接決定了數(shù)控機床的使用性能，高性能數(shù)控伺服系統(tǒng)設(shè)計整定的前提是充分了解機械系統(tǒng)、切削過程的動態(tài)特性；切削參數(shù)的選擇影響了數(shù)控機床的使用效率，因此在參數(shù)的設(shè)定方面一定要注意數(shù)據(jù)的合理性，保證系統(tǒng)在設(shè)定完成后能夠以一個更好的狀態(tài)運行，保證數(shù)控機床生產(chǎn)的優(yōu)越性。

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