[发明专利]一种用于滚珠丝杠进给系统的抗扰跟随控制器

说明书

本发明公开了滚珠丝杠进给系统的抗扰跟随控制器，主要用于滚珠丝杠进给系统的高速高精控制。此控制器利用自抗扰技术与比例积分（PI）控制实现了电机位置和负载位置的精确控制。在此控制框架下，扩展状态观测器被应用于实时在线评估与补偿高阶未建模动态、参数变动以及切削等扰动，以提高系统的抗干扰性能和鲁棒性。此外，在利用自抗扰控制的反馈线性化特性的基础上，一种基于等效误差模型的前馈控制器被设计，大大改善了系统的跟随性能。此等效误差模型具有不依赖机械模型、设计简单、调试容易等优点。实验与仿真结果都表明，所设计的控制器具有较好的跟随性能、抗干扰性和鲁棒性。

技术领域

本发明涉及一种用于滚珠丝杠进给系统高速高精控制的抗扰跟随控制器结构，具有算法简单、控制参数物理意义明确且易调试等特点和具有较好的跟随性能、较高的抗干扰能力、较强的鲁棒性等优点。

背景技术

由于滚珠丝杠进给系统具有高刚性、高传动精度、对切削力和工件质量变动的低灵敏度和高性价比等优点，被广泛的应用在现代的数控机床中。随着对工件加工质量和加工效率要求的提高，对进给系统控制系统设计提出了更高的要求：不仅具有较高的瞬态和稳态跟随精度，还必须具有较好的抗干扰能力和对高频建模不准确、参数变动(负载质量)等的鲁棒性。

为了获得较高的跟随精度，进给系统就必须具有较高的控制带宽，但是机械结构的第一阶共振频率影响了其控制带宽的提高。到目前为止，很多控制策略被提出用来抑制机械结构的共振，其中包括运动指令及控制信号的输入整形和陷波滤波器等。陷波滤波器虽然能有效抑制机械系统的共振，但不能消除外部干扰对机械系统的激励作用，而且在一定程度上会减小控制系统的相位裕度，影响其稳定性。此外，H∞控制、极点配置控制、滑模控制以及预测控制等先进的控制策略也被用于进给系统的主动振动抑制，从而允许其控制带宽的增加。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。自抗扰控制是在深入认识经典控制理论与现代控制理论各自优缺点的基础上，保留并发扬经典PID控制“基于误差消除误差”的思想精髓，借鉴现代控制理论中状态观测器的思想发展而来的，其核心是将未建模动态和未知外扰总称为对象的总扰动，利用扩张状态观测外进行实时的评估与补偿，从而实现动态系统的反馈线性化，再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，因此本发明在以前专利“一种进给系统双位置环反馈的抗扰控制器”(申请号：201410374191.1)的基础上利用自抗扰的思想设计了一种抗扰跟随控制器结构，主要用于滚珠丝杠进给系统高速高精控制。

发明内容

本发明专利的目的在于，实现了一种滚珠丝杠进给系统的抗扰跟随控制器结构，主要用于进给系统高速高精控制。此控制方法具有算法简单、控制参数物理意义明确且易调试等特点和具有较高的控制带宽、较高的抗干扰能力、较强的鲁棒性等优点。

本发明采用的技术方案：

一种滚珠丝杠进给系统的抗扰跟随控制器，所述控制器包括等效误差模型前馈控制器、负载位置控制器、电机位置状态观测器、电机位置控制器和摩擦补偿控制器：

所述的等效误差前馈控制器利用负载参考位置x_r和等效误差模型G_e得到误差前馈补偿指令x_fe，并与负载参考位置x_r相加形成新的负载位置指令x_rl；

所述的负载位置控制器利用负载位置指令x_rl与负载实际误差e的比例积分值x_se之和通过电机位置指令生成器G_r，再加上负载实际误差的比例值x_pe得到电机位置控制指令x_mr；