[发明专利]一种直线电机驱动FTS基于ESO滑模改进重复控制方法

说明书

一种直线电机驱动FTS基于ESO滑模改进重复控制方法，包括基于改进插入式重复控制和一种基于扩张状态观测器的滑模控制，其特征在于插入式结构可以使重复控制器设计与其他控制器具有独立性，同时重复控制利用内模原理将系统外部信号的数学模型嵌入到内部控制环节中可以实现对外部周期性信号和干扰进行高精度跟踪及抑制，并且为了减小因低通滤波器引起的相位延迟加入一个超前模块。针对快速刀具伺服系统在高频输入给定时，由于惯性等因素造成的相位滞后问题，采用改进重复控制和ESO滑模控制结合的方式，能够得到很好解决。基于内模原理的重复控制能有效提高系统的跟踪精度，插入式结构可以使系统获得较宽的控制带宽，及较强的鲁棒性。

·技术领域

本发明属于数控技术加工领域，特别涉及一种直线电机驱动FTS(Fast ToolServo，FTS快速刀具伺服系统)基于ESO(Extended State Observer,ESO,扩张状态观测器)滑模改进重复控制方法的设计与实现。

背景技术

近年来，非圆截面零件和非轴对称(即非旋转对称)光学元件分别在机械工业和光电产业中得到了广泛应用。这些零件表面轮廓非对称、形状复杂，精度要求高，传统加工方法如靠模仿形加工、研磨抛光、电化学腐蚀、光刻等的加工效率较低,加工精度一致性差，达不到所需的要求，因此实现高速超精密加工具有非常重要的现实意义。而实现高速超精密加工的关键是开发出具有高速超精密能力的数控机床，由直线电机直接驱动的快速刀具伺服系统具有高响应、高精度的优势，可重复加工具有复杂形状的各种异形元件,一次加工即可获得很高的零件尺寸形状精度和很低的表面粗糙度且可以增加工件的切除效率，因此逐渐被人们所关注。

快速刀具伺服系统(Fast Tool Servo，FTS)，它驱动刀具完成与工件回转运动相协调的，沿工件轴向的高速高精度往复运动。快速刀具伺服有两个关键技术；一是高响应直线执行机构的优化设计，二是高速高精度的运动控制算法。从控制的角度看，快速刀具伺服是一个闭环位置随动系统，它一方面要驱动刀具沿指定轨迹做精密跟踪运动，同时应能抑制时变切削力对刀具运动的负作用，并克服执行机构中的非线性摩擦和磨损的影响。因此，提高快速刀具伺服控制器性能对于提高微结构表面加工精度和表面质量至关重要。

一些研究者采取了各自控制算法，零相位误差跟踪控制，其算法取得很好的跟踪控制性能，有效控制相位滞后，但依赖系统模型，对参数变化敏感。自抗扰控制器算法简单、易于实现、精度高、速度快、抗扰能力强，但参数调整较难。重复控制能很好提高控制的跟踪精度，但其鲁棒性较低，而滑模控制具有强鲁棒性，实现简单的优点，然而由于其控制作用的不连续性会导致抖振现象。

发明内容

发明目的

针对现有控制技术的不足，本发明提出一种直线电机驱动FTS基于ESO滑模改进重复控制方法。其目的是解决以往所存在的问题，其将ESO滑模控制和重复控制结合起来，重复控制可以实现对周期性信号的高精度跟踪以及对周期性扰动的良好抑制；而滑模控制的鲁棒性可以抑制切削过程中切削力的扰动作用,并且扩张状态观测器还能将获得的对象模型中内扰和外扰的实时控制量加入控制率中，提高控制精度。最终实现本发明的目的：高频响输入时，在保证系统强鲁棒性和高频响应速度的同时提高了系统的跟踪精度。

技术方案

一种直线电机驱动FTS基于ESO滑模改进重复控制方法，包括基于改进插入式重复控制和一种基于扩张状态观测器的滑模控制，其特征在于插入式结构可以使重复控制器设计与其他控制器具有独立性，同时重复控制利用内模原理将系统外部信号的数学模型嵌入到内部控制环节中可以实现对外部周期性信号和干扰进行高精度跟踪及抑制，并且为了减小因低通滤波器引起的相位延迟加入一个超前模块。而ESO滑模控制以扩张状态观测器观测的系统状态构建滑模面并且将观测到的模型内外扰动的实时控制量加入到控制率中，增强了滑模控制的精确性，同时，为了削弱滑模控制固有的抖振本文采用一种逼近函数替代符号函数。

本发明技术的实现——基于ESO滑模重复控制的快速刀具伺服装置包括；