[发明专利]一种机床主轴精密运动输出反馈控制方法

说明书

一种机床主轴精密运动输出反馈控制方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤(1)：建立机床主轴驱动电机伺服系统的数学模型；步骤(2)：设计参数自适应律对系统遭受的不确定性参数进行估计；步骤(3)：设计自适应状态观测器对系统中的速度进行估计；步骤(4)：设计机床主轴精密运动输出反馈控制器；步骤(5)：选取恰当的观测器带宽以及对角自适应律矩阵并调节参数的值保证机床主轴驱动电机伺服系统的位置输出准确地跟踪期望的位置指令。本发明所设计的机床主轴驱动电机伺服系统精密运动控制方法在同时存在测量噪声、强参数不确定性、外干扰等因素且仅有角位置测量值的工况下能保证电机伺服系统的位置输出渐近地跟踪期望的位置指令。

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种机床主轴精密运动输出反馈控制方法，属于机电伺服控制领域。

背景技术

机床主要用于工件的加工，机床的性能直接决定着工件的最终加工性能。目前机床主轴主要采用伺服电机驱动，主要是由于电机具有响应速度快、能源获取便利、维护便利等优点。工业、工程等领域针对电机伺服系统的运动控制仍然主要基于经典三环(电流环、速度环及位置环)控制，然而随着这些领域朝着高性能方向发展，这种常用的控制方法已逐渐不能满足系统的需求。因此，迫切需要研究更加先进的控制方法。电机伺服系统在运行过程中必然会受到模型不确定性的影响，包括参不确定的影响比如变化的负载质量/转动惯量和粘性摩擦、库仑摩擦等摩擦系数通常难以精确获取，以及外部扰动的影响比如突发的外部扰动、加工工件时产生的切削力等，此外系统还会受到测量噪声的影响。这些不利因素的存在会使系统期望的控制性能恶化，甚至导致所设计的闭环控制器失效。

目前针对考虑机床主轴驱动电机伺服系统不确定性因素的先进控制策略，有自适应鲁棒控制、自适应滑模控制、鲁棒自适应控制、自抗扰自适应控制等方法。典型地，自适应鲁棒控制策略针对系统中的参数不确定性，设计恰当的在线估计策略对其进行估计并前馈补偿；对可能发生的外干扰等扰动，通过提高非线性反馈增益对其进行抑制进而提升系统性能。由于强非线性反馈增益往往导致设计的保守性(即高增益反馈)，从而使其在工程应用中有一定困难。值得注意的是，当外干扰等扰动逐渐增大时，所设计的自适应鲁棒控制器会使跟踪性能恶化，甚至出现不稳定现象。并且这种控制方法在一般情况下只能保证系统获得有界跟踪性能，即保证系统的跟踪误差在一个有界的范围内，如何在理论上和实际应用中获得性能更好的渐近跟踪想能值得进一步研究。自抗扰自适应控制策略对系统中的不确定性参数和时变外干扰，分别结合自适应控制以及扩张状态观测器来估计未知参数和外干扰，并在设计控制器时进行前馈补偿，从而在一定程度上抵抗扰动的影响。然而，以上提到的控制策略仅能确保系统获得有界跟踪性能，并且针对系统中存在噪声等扰动仍没有处理。此外，在仅有输出信号测量值的情况下如何有效的设计控制器也是研究的难点和重点。

总结来说，现有机床主轴驱动电机伺服系统的控制技术的不足之处主要有以下几点：

1.在输出反馈工况下难以获得性能更优的渐近跟踪性能。对于实际的系统来说，由于经济成本、安装空间、重量等因素，通常难以直接获取设计控制器所需要的所有状态测量值，在这种工况下如何设计理论完善且性能优良的闭环控制器是研究的难点。

2.忽略系统的测量噪声扰动。在进行机床主轴驱动电机伺服系统闭环控制器的设计过程中，通常会利用系统信号的测量值，而这些测量值中必然会引入噪声。这些测量噪声的存在，可能会使系统所设计的控制器出现性能降阶、甚至产生不稳定等现象，而这种不利因素会对机床主轴的精密运动造成很大的影响，甚至严重影响工件的加工精度。如何在设计控制器的同时抑制测量噪声的影响值得进一步深入研究。

发明内容

本发明为解决现有机床主轴驱动电机伺服系统控制中在输出反馈工况下难以获得性能更优的渐近跟踪性能且忽略测量噪声带来的不利影响等因素，提出一种机床主轴精密运动输出反馈控制方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的具体步骤如下：

一种机床主轴精密运动输出反馈控制方法，具体步骤如下：