[发明专利]一种适用于双轴或三轴进给驱动系统的有限控制集模型预测轮廓控制方法

说明书

本发明公开了一种适用于双轴或三轴进给驱动系统的有限控制集模型预测轮廓控制方法，在统一建模的基础上，提出一种应用有限控制集模型预测控制的双轴或三轴进给驱动系统统一控制架构，交互各轴之间的输出信息，且统整各轴回路控制器。同时在此控制构架下，设计紧凑的无级联预测控制器，以轮廓误差、电机运行性能和电流幅值限制为评价指标建立统一的价值函数，来实现多变量的协同优化控制。与传统的轮廓控制策略不同，有限控制集模型预测控制策略能够在轮廓误差发生之前对其进行预测控制，并能够提高轨迹转折点处的动态响应速度和轮廓精度，同时具有建模直观、结构简单等优点。

技术领域

本发明涉及双轴进给驱动系统轮廓控制技术领域，特别是涉及适用于双轴或多轴进给驱动系统的有限控制集模型预测轮廓控制方法。

背景技术

轮廓加工精度是多轴运动控制技术的一个重要性能指标，用来评估多轴轮廓跟踪的轮廓精度。如何控制多轴进给驱动系统协同工作以实现末端执行机构的精密轮廓跟踪是运动控制领域研究的重点课题之一。近些年，模型预测控制由于其建模直观、动态响应快、易于处理多目标控制问题等优点，给多轴进给驱动系统的改进提供了新的思路。

传统控制策略主要分为单轴解耦轮廓控制和交叉耦合轮廓控制，单轴解耦轮廓控制本质上是通过提高单轴的跟踪精度以提高多轴的轮廓精度，典型方法有采用零相位误差跟踪控制和摩擦补偿控制，其中零相位误差跟踪控制是一种典型的基于零极点对消的前馈控制方法，但是零极点对消需要精确的对象模型，因此零相位误差跟踪控制对建模误差和非建模扰动非常敏感；摩擦补偿控制是一种依赖于精确的摩擦模型的前馈控制方法，然而在实践中难以实现摩擦的精确建模。虽然降低单轴的跟踪误差可以在一定程度上提高轮廓精度，然而这种控制策略并没有考虑到多个轴之间的协调控制，在高速加工领域会造成系统轮廓性能的退化。

能否使各轴在保证自身加工精度的同时，兼顾多轴间的协调作用以减小轮廓误差，这便是交叉耦合轮廓控制的初衷。交叉耦合轮廓控制是将轮廓误差看作直接控制目标，将轮廓误差按一定的比例关系分配到各轴再进行补偿控制，且不改变各个单轴位置控制环，可以看作是轮廓误差的闭环控制方法。众多研究人员在该结构的基础上展开研究，如采用交叉耦合模糊逻辑控制器改进轮廓性能，结合鲁棒控制、自适应控制、滑模变结构控制、迭代学习控制等先进控制理论设计交叉耦合控制器，来提高系统的鲁棒性与轮廓性能；如变增益交叉耦合控制中对传统交叉耦合控制的增益结构进行了改进，使非线性轮廓控制性能更优。虽然已有许多研究人员在这方面做出了大量的改进，但是仅限于交叉耦合增益确定的情况，当使用更加精确的轮廓误差估计方法进行估计时，交叉耦合增益是不可预测的。

此外，传统控制策略通常采用前馈补偿的方法，且目的在于控制已经发生的轮廓误差，不能实现轮廓误差发生前的提前控制，减小轮廓误差的程度是有限的，且对于转折较多的复杂轮廓轨迹，运动惯性等因素会影响轨迹跟踪的动态响应速度，因此研究多轴进给驱动系统精密轮廓跟踪控制有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有前馈补偿减小轮廓误差存在滞后、且轨迹转折点处跟踪动态响应速度慢的技术缺陷，而提供一种适用于双轴或三轴进给驱动系统的有限控制集模型预测轮廓控制方法，打破了传统的级联控制结构，在统一建模的基础上，提出一种应用有限控制集模型预测控制的双轴或三轴进给驱动系统统一控制架构，交互各轴之间的输出信息，且统整各轴回路控制器。同时在此控制构架下，设计紧凑的无级联预测控制器，以轮廓误差、电机运行性能和电流幅值限制为评价指标建立统一的价值函数，来实现多变量的协同优化控制。与传统的轮廓控制策略不同，有限控制集模型预测控制策略能够在轮廓误差发生之前对其进行预测控制，并能够提高轨迹转折点处的动态响应速度和轮廓精度，同时具有建模直观、结构简单等优点。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种适用于双轴进给驱动系统的有限控制集模型预测轮廓控制方法，包括以下步骤：