[发明专利]一种数控立车伺服系统及其跟踪精度自愈调控方法与应用

权利要求书

1.一种数控立车伺服系统，其特征在于：

所述伺服系统包括感知及控制层、高速通信层及计算层，所述感知及控制层集成有非级联状态反馈控制器及模糊调谐器，所述高速通信层用于实现所述感知及控制层与计算层的通信链接；所述计算层包括实时监督调试软件，所述实时监督调试软件集成有模糊神经网络监督决策器；

所述感知及控制层用于调控伺服电机运转，实时监测电机运转过程中的电流、电压、转速、转矩以及执行机构的定位精度，使得电机角度能够以给定的精度逼近指令轨迹；所述计算层利用上位机平台的计算资源，根据作业需求和系统状态实现对感知及控制层的自学习调优。

2.如权利要求1所述的数控立车伺服系统，其特征在于：所述模糊调谐器用于根据系统的跟踪误差和误差变化率，实时调控状态反馈控制器的可调增益矩阵K(t)，以应对伺服系统在数控机床加工作业过程中的各类扰动，防止系统跟踪误差超于预定约束值。

3.如权利要求2所述的数控立车伺服系统，其特征在于：所述模糊神经网络监督决策器负责根据切削速度、进给量、切削深度、精度指标、负载力矩、转动惯量及伺服系统跟踪误差，在线优化状态反馈控制器的初始控制增益和模糊调谐器的可调参数，以应对作业任务的切换及工况的缓慢改变，实现伺服系统在全生命周期的跟踪精度自愈调整。

4.如权利要求2所述的数控立车伺服系统，其特征在于：所述模糊调谐器根据系统的跟踪误差及误差变化律等状态信息，利用模糊推理机和模糊规则库非级联状态反馈控制器的定量化增益调整值，以此间接生成当前扰动的补偿量，驱使系统跟踪误差稳定收敛至给定误差域；所述非级联状态反馈控制器利用位置参考指令θ_r(t)、位置反馈θ(t)、速度反馈ω(t)、d-q轴的电流反馈(i_q(t)、i_d(t))进行位置调控，其控制律为：

u(t)＝K(t)·[e(t) ω(t) i_q(t) i_d(t) ce(t)]^T，式中，K(t)为具有合适维度的控制增益矩阵，e(t)为位置误差e(t)＝θ(t)-θ_r(t)，ce(t)为误差积分

5.如权利要求1所述的数控立车伺服系统，其特征在于：所述模糊调谐器的设计包括以下步骤：

(1)选择跟踪误差e(t)和误差变化率Δe(t)作为输入变量，对应的模糊变量设定为E和ΔE，并利用输入量化因子η_e和η_Δe，将其从自然论域映射到模糊论域，从自然论域中输入变量到模糊论域中模糊变量的映射关系式为：

式中，η_e和η_Δe代表输入量化因子，E_max为E模糊论域的最大值，ΔE_max为ΔE模糊论域的最大值，sign()为符号函数；

(2)根据Mamdani型模糊逻辑，借助专家控制经验和伺服系统机理模型确定各类不确定性扰动对系统的影响机制，分析伺服系统在不同运动阶段的控制需求，以此明晰主控制器增益的变化规律，制定相应的模糊规则；

(3)设定隶属度函数，将模糊数值变量转换为语言变量，以便利用模糊规则进行模糊推理。

6.如权利要求5所述的数控立车伺服系统，其特征在于：所述模糊调谐器利用Mamdani型模糊推理准则求解当前输入下每条规则的模糊输出：

f＝η(E)∧η(ΔE)，式中，η(·)是模糊变量的隶属度，∧是取大算子。