(1.清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室 北京 100084;
2.西北工业大学自动控制系 西安 710072; 3.上海交通大学航空航天信息与控制研究所 上海 200030)
摘 要:分析了在高速高精度加工中设计高性能运动控制器时存在的问题及面临的挑战,评述了高性能
数控系统运动控制器设计方法的发展现状,对存在的主要问题和今后可能的发展方向作了进一步的探讨.
关键词:数控系统;高速加工;运动控制;开放式体系结构
1 研究背景(Researchbackground) 数控机床正是适应这种需求而正在发展着CONTROL ENGINEERING China版权所有,已发展有加工中心!柔性制造单元等.它们是电子技术!信息技术和机床技术相结合的产物
现代科学技术给机械制造业带来了深刻的变化.一方面,它们促使形成国际上的激烈竞争市场,使用户对产品质量!品种和价格的要求越来越严格,在机械制造业中表现为高精度!多品种!小批量!低成本和快周期的生产要求;另一方面,它们与机械制造科学技术的结合,为机械制造产业适应这种发展趋势提供了重要的系统理论和实现的技术基础[1].
.近十几年来,国外数控机床技术发展很快.我国数控机床技术发展相对工业发达国家来说,无论在产量!产值和拥有量的数控化率方面,还是在品种!性能和可靠性等技术方面,都还有很大差距.因此,根据国内外机械制造自动化发展现状,从我国的实际出发控制工程网版权所有,除必要的跟踪研究以外,集中必要的人力和资金研究机械制造自动化关键设备和基础理论与技术,例如高性能新型数控系统!高精度伺服控制技术与主轴驱动技术等,对我国机械制造水平CONTROL ENGINEERING China版权所有,特别是基础技术水平的提高,为更高层次的综合自动化的开发以及对国民经济的发展均具有重要意义.新一代数控装置,实现高速度!高精度!高效率和高可靠性的加工是优先考虑的问题[1].应该指出,高速度!高精度!高效率和高可靠性4个高性能指标是统一的整体.要实现高性能控制,高性能数控系统伺服控制器设计是基础和关键技术之一.本文对其中一个重要研究方面)))高性能运动控制在数控系统中的应用进行评述.
2 研究现状(Presentsituation)
2.1 面临挑战
高速高精度加工是目前最重要的研究领域之一,其目的在于提高机械加工生产率及改善加工质量.然而,高速高精度加工在实用之前也面临着许多挑战.最主要的问题是在存在扰动!非线性!模型和参数不确定性的情况下设计高性能的伺服控制器[2].当使用有限带宽的伺服控制器时,伺服延迟也成为引起位置误差的主要原因,并会随着高速加工时进给速度的提高而更加严重.现代加工系统由伺服系统所支持,伺服控制器的性能和加工质量!效率密切相关.从机床控制系统的角度看CONTROL ENGINEERING China版权所有,机床控制是一个动态系统,控制系统中不确定因素的产生主要是由于[1]:1)系统的输入包含有随机扰动;2)系统的测量传感器具有测量噪声;3)系统数学模型的参数甚至结构具有不确定性.我们把第一!二类不确定因素称为不确定环境因素,把第三类不确定因素称为不确定模型因素.传统的数控系统对机床的控制主要采用经典控制论方法[3].大部分是PID控制,PID控制器以其结构简单,使用方便和运行可靠等优点在运动控制中也经常被采用.不过在解决系统中存在着非线性因素不易定量描述的控制问题时,PID控制器显得力不从心.由于PID控制器的结构本身以及算法设计依赖对象的局限性,使得精度的改善导致动态性能的减弱,而动态性能的改善,又使执行机构庞大且能耗增加;再者,在从事具有快速高精度和鲁棒性要求的运动控制系统的设计时,同一控制器不仅用来改善输入输出的动态性能控制工程网版权所有,而且还用来消除负载扰动,要想得到使系统具有满意的动静态性能指标的PID参数整定算法是相当困难的.由于经典控制论方法完全依赖于精确数学模型,只能实现随机控制,所以这类系统对不确定模型因素无能为力.而对不确定环境因素的处理则依赖于控制模型的非线性能力.这类控制系统的不确定因素处理能力是极为有限的.现代控制论中的自适应控制技术的作用是跟踪系统参数!环境条件和输入信号等,然后通过改变内回路的补偿元件的参数而获得满意的性能.由于传统数控系统的专有体系结构,系统的控制策略难以更新,实现自适应控制需要较高的成本和代价,而自适应控制对控制性能的改善也不够显著,所以自适应控制并没有成为机床控制中的主流技术.
另外一个难题是实现高速加工过程和数控加工状态的监控[2].加工过程和数控加工状态主要包括下列几方面的因素[3]:1)控制执行机构状态;2)各运动轴状态;3)刀具状态;4)机床辅助功能工作状态等.状态反馈信号主要来自于各类传感器.由于目前传感技术的限制,要全面地反馈以上加工状态信息还不太现实.特别是对于刀具状态和工件状态的测