[发明专利]一种进给系统双位置环反馈的抗扰控制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种进给系统双位置环反馈的抗扰控制器，具体涉及一种主要用于进给系统高速高精控制的双位置环反馈的抗扰控制器。

背景技术

当今社会，精密和超精密加工技术已经成为现代机械制造的重要组成部分。数控机床作为机械制造中的重要工具，它的精度指标是影响工件加工精度的重要因素。而进给系统作为数控机床主要的组成部分，其跟随性能和抗干扰能力严重影响了数控机床的加工精度。

现在大多数进给系统采用的是电机+联轴器+丝杠螺母+工作台的传动方式。联轴器、丝杠螺母和支撑轴承的有限刚度导致了进给系统具有较低的第一阶共振频率。当控制器的参数设置不当或者工作台受到外部干扰时，进给系统会产生不期望的振动，从而影响工件的加工质量。此外，随着对生产效率要求的提高，高速数控机床得到了广泛的应用，但是高速数控机床大幅值、高频宽的驱动力、惯性力、切削力会激励起机械系统显著的振动。

现有机床进给系统控制应用的主要是级联控制：电流环PI控制，速度环PI控制以及位置环P控制。速度环通过电机侧的角度编码器实现速度的反馈，位置环通过角度编码器实现半闭环的位置控制或者通过工作台处的直线光栅尺实现全闭环的位置控制。但是由于级联控制完全不依赖于系统的数学模型，控制带宽受进给系统第一阶共振频率的限制，控制效果较差，不太实用于进给系统的高速高精控制。针对此问题，国内外学者提出了模糊控制、神经网络控制、鲁棒控制和自适应等先进的控制方法用于进给系统的高速高精控制，并且通过实验室实验取得了较好的控制效果；但是这些控制方法算法比较复杂、控制参数调试困难或者依赖于系统的精确模型，因此应用性比较差。

自抗扰控制技术是由中国科学院数学与系统科学研究所系统所的韩京清研究员及其领导的科研小组提出的。自抗扰控制技术既继承和发扬了经典PID控制的思想精髓——基于误差消除误差，同时又吸收了现代控制理论的思想，其核心是将未建模动态和未知外扰总称为对象的总扰动，利用扩张状态观测器进行实时的在线评估与补偿，从而实现动态系统的反馈线性化，在利用非线性配置构成的非线性反馈控制率或者线性反馈控制率来提高闭环系统的控制性能。由于自抗扰控制具有基本不依赖于对象的数学模型、较高的抗扰性、较强的鲁棒性和较好的控制性能等优点，因此本发明利用自抗扰的思想设计了一种进给系统双位置环反馈的抗扰控制器结构，主要用于进给系统高速高精控制。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种进给系统双位置环反馈的抗扰控制器，主要用于进给系统高速高精控制。此控制器具有较高的控制带宽、较高的抗干扰能力和较强的鲁棒性；此外，还具有算法简单、控制参数物理意义明确且易调试等特点。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供的技术方案是：

一种进给系统双位置环反馈的抗扰控制器，所述的控制器采用不同于传统进给系统位置环、速度环控制方式的双位置反馈控制架构：内环以电机角位置信号作为反馈信号，以减小微分不准确、噪声放大和滤波延时的影响，而外环通过负载位置的反馈实现整个系统的闭环控制。所述控制器包括负载位置控制器、电机位置控制器、负载位置状态观测器和电机位置状态观测器，所述控制器采用电机旋转角位置θ_{M_list}与负载位置x_{L_list}反馈的双位置环反馈；

所述负载位置控制器利用负载参考位置x_Lr与负载实际位置之间的误差e_L1及其微分误差e_L2设计线性反馈率，得到负载位置的控制量x_L0；

所述负载位置状态观测器利用电机角位置的等效直线位置x_{M_list}和负载的实测位置x_{L_list}评估得到负载位置的评估值Z_L1、负载速度的评估值Z_L2/Z_LR1以及负载位置反馈环的总扰动Z_L3/Z_LR2；

所述电机位置控制器利用电机位置指令信号x_Mr与电机实际位置之间的误差e_M1及其微分误差e_M2设计线性反馈率，得到电机位置的控制量x_M0；