閉環(huán)控制在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

李　麗天津工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

閉環(huán)控制在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

李麗
天津工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本文根據(jù)自身實(shí)踐和理論研究，對(duì)數(shù)控機(jī)床中的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了具體的論述，重點(diǎn)闡述了伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，以及PID控制方法在速度閉環(huán)控制方面的應(yīng)用，并以FANUC機(jī)床位具體案例，詳細(xì)的分析了PID參數(shù)的調(diào)試方法，對(duì)閉環(huán)控制在數(shù)控機(jī)床中的推廣應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐。

閉環(huán)控制；數(shù)控機(jī)床；PID；應(yīng)用

1　引言

在現(xiàn)代化的設(shè)備生產(chǎn)中，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，而且對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度和速度的要求也越來(lái)越高。為了更高精度、更高自動(dòng)化水平的控制數(shù)控機(jī)床的加工，需要在加工過(guò)程中加入反饋調(diào)節(jié)，從而對(duì)機(jī)床加工過(guò)程中的誤差因素進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使誤差不會(huì)隨時(shí)間的延續(xù)進(jìn)行累積，即在數(shù)控機(jī)床上實(shí)施閉環(huán)控制。目前，在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)備很多，并且這些機(jī)床在加工復(fù)雜精密零件時(shí)取得了很好的效果。本文根據(jù)自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論研究，對(duì)閉環(huán)控制在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用理論及具體案例進(jìn)行了詳細(xì)的論述，為閉環(huán)控制在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用和推廣提供了有力的技術(shù)支撐。

2　閉環(huán)控制在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

2.1數(shù)控機(jī)床中的閉環(huán)控制特點(diǎn)

在數(shù)控系統(tǒng)中，伺服控制系統(tǒng)必須具備較好的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性、魯棒性等。在所有的伺服系統(tǒng)中，穩(wěn)定性是其最根本的要求，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有兩種重要的作用，一是能自動(dòng)排除外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，能在有外部干擾的環(huán)境下，精確調(diào)節(jié)定位，二是自動(dòng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，不管系統(tǒng)處于什么樣的初始狀態(tài)，都能夠快速準(zhǔn)確的進(jìn)行定位；在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)特性是其最重要的衡量指標(biāo)，它主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的響應(yīng)速度和振幅，在通常狀態(tài)下，系統(tǒng)的最大振幅就表達(dá)這系統(tǒng)的控制精度，振幅越小，精度越高，而系統(tǒng)的響應(yīng)速度是影響振幅的重要因素，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間就越小，系統(tǒng)的誤差就越小，控制精度也就越高；穩(wěn)態(tài)特性閉環(huán)控制系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)特性，主要是是指控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)過(guò)渡階段后，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，其最終輸出的穩(wěn)態(tài)指與預(yù)期的穩(wěn)定指相符合的程度，通常情況下，伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)、內(nèi)部摩擦力、外界干擾等非線性的因素導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)際的穩(wěn)態(tài)值與期望值存在一定的誤差，這種誤差就是穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量閉環(huán)控制精度的重要指標(biāo)，而通過(guò)加入穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償，可以有效的調(diào)整伺服控制系統(tǒng)的控制精度和跟蹤速度；魯棒性的主要作用是幫助閉環(huán)控制系統(tǒng)控制誤差，其主要特點(diǎn)是在系統(tǒng)的約束條件發(fā)生變化時(shí)，保持系統(tǒng)自身的功能特性不變，即對(duì)于具有較好魯棒性特征的閉環(huán)控制系統(tǒng)，即使參數(shù)發(fā)生了變化，控制自身仍有保持穩(wěn)定性不變，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和振幅也不會(huì)隨參數(shù)變化而變化，如魯棒性好的數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)期使用造成的機(jī)械零件磨損不會(huì)導(dǎo)致機(jī)床自身誤差的增大。

2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)中的PID控制技術(shù)

PID控制技術(shù)是閉環(huán)控制中最早發(fā)展起來(lái)的一門技術(shù)，它以算法簡(jiǎn)單、可靠性高、調(diào)整方便、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其在一些被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有一定的不確定性，沒(méi)法得到精確的數(shù)學(xué)模型的情況下，可以采用PID控制技術(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)確定系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，也有僅采用PI控制和PD控制的控制系統(tǒng)。

PID控制技術(shù)是一種線性調(diào)節(jié)技術(shù)，它將系統(tǒng)的偏差分為比例、積分、微分三類運(yùn)算對(duì)被控量進(jìn)行具體的調(diào)節(jié)。它對(duì)速度的調(diào)節(jié)主要是根據(jù)速度指令r（t）與傳感器反饋的回來(lái)的實(shí)際y（t）進(jìn)行比較構(gòu)成控制的偏差e（t），并將此偏差按比例（P）、積分（I）、微分（D）的方式進(jìn)行線性組合，最終形成控制量u（t）對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)速度的精確控制的目的，具體列公式如下：

2.3閉環(huán)控制系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

在數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，PID控制技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。本文以FANCOi機(jī)床為例，其控制器的調(diào)試就主要分為比例增益、積分增益、微分增益三個(gè)部分，具體調(diào)試過(guò)程如下：首選將驅(qū)動(dòng)器設(shè)置成速度控制模式控制，對(duì)便于對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。伺服驅(qū)動(dòng)器的調(diào)節(jié)參數(shù)就是比例常數(shù)Kp、微分參數(shù)Kd和積分參數(shù)Ki，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)控制需要，手動(dòng)對(duì)PID的三項(xiàng)控制常數(shù)進(jìn)行具體的調(diào)節(jié)。首先，確定速度比例增益常數(shù)Kp的值。當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)安裝完畢后，第一步是對(duì)比例增益常數(shù)Kp就進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)樵谌齻€(gè)增益參數(shù)中，比例增益對(duì)振幅起到最主要的作用，確定比例參數(shù)的值后，再對(duì)積分增益Ki和微分增益Kd進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比例參數(shù)的方式是在對(duì)先將積分增益Ki和微分增益Kd設(shè)置為零，再?gòu)牧阒饾u增加比例參數(shù)Kp的值，觀察伺服電機(jī)停止時(shí)的振蕩情況以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的忽快忽慢現(xiàn)象，如果隨著Kp值的增加，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，就降低Kp值，消除振蕩，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，從而初步確定Kp的值。

在確定Kp的值后，保持Kp不變，從零逐漸增加系統(tǒng)的積分增益常數(shù)Ki的值，觀察積分增益的效應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)積分增益參數(shù)超過(guò)臨界值后就會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的振動(dòng)不穩(wěn)定，這時(shí)將Ki值進(jìn)行回調(diào)，消除振蕩，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)的Ki值就是初步確定的控制系統(tǒng)參數(shù)。

最后，對(duì)控制系統(tǒng)的微分增益進(jìn)行具體的調(diào)節(jié)。微分增益的調(diào)節(jié)可以有效的降低控制系統(tǒng)的振幅，它的主要工作原理是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)先控制，就是在系統(tǒng)的振蕩發(fā)生之前對(duì)其進(jìn)行校正，在實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)，從零開(kāi)始逐步增加Kd的值，從而改善旋轉(zhuǎn)速度的穩(wěn)定性。

3　結(jié)論

本文根據(jù)自身實(shí)踐和理論研究，對(duì)伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了論述，并對(duì)PID控制技術(shù)的原理以及實(shí)際生產(chǎn)中的參數(shù)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了具體的闡述，不僅為閉環(huán)控制技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐，也為閉環(huán)控制系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的推廣應(yīng)用提供了有效的理論依據(jù)。

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