[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

说明书

本发明属于数控机床伺服驱动控制相关技术领域，其公开了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，伺服系统包括感知及控制层、高速通信层及计算层，感知及控制层集成有状态反馈控制器及模糊调谐器，高速通信层用于实现感知及控制层与计算层的通信链接；计算层包括实时监督调试软件，实时监督调试软件集成有模糊神经网络监督决策器；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、转矩等，使得电机角度能够以给定的精度逼近指令轨迹；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。本发明为跟踪精度的跨尺度多层级自愈调控提供可靠有效的软硬件基础。

技术领域

本发明属于数控机床伺服驱动控制相关技术领域，更具体地，涉及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。

背景技术

伺服驱动控制系统作为高端数控机床的重要关键部件，其性能将直接影响数控机床的加工精度和效率。随着装备制造业的不断发展，对伺服系统的控制性能也提出了越来越高要求。伺服系统在各类不确定性扰动下的跟踪精度自愈问题已成为制约数控机床迈向高速高精的关键因素之一。

对于数控机床伺服系统而言，负载的变化、复杂的电磁干扰、非线性摩擦、温度的变化、机械装置和电子元器件的老化等各类不确定性因素都会使系统状态偏离预定域，导致跟踪精度无法满足预定的指标。为此，国内外研究学者提出了各类控制策略，以实现伺服系统的跟踪精度自愈。例如，专利202010659860.1提出一种无刷直流电机伺服系统扰动抑制与高精度跟踪控制方法，该方法通过降阶扩张状态观测器对非匹配总扰动进行实时辨识与补偿，确保系统在受到复杂扰动后能及时回归稳定域。相比于基于观测器的跟踪精度自愈调控策略，模糊PI控制器可以利用模糊推理，通过专家知识构建的模糊规则库，在线调整PI控制增益，实现对各类不确定性扰动的实时补偿。该策略具有无需精确模型，适用性好等优势，已在数控机床进给伺服系统的控制中得到了应用。

然而，现有的伺服系统跟踪精度自愈调控策略主要关注于特定工作任务下运动过程中的系统状态调控，当工作任务或者工况发生改变时，需要手动调整控制律。否则，固定的控制律将难以使得伺服系统在复杂的任务需求和工况中始终获得预定精度指标。因此，需要探索合适的精度自愈调控策略实现多尺度的控制律及系统状态自调整，以降低人工干预，提高作业效率和跟踪精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了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，其利用光纤总线构建了低延时的信息物理系统，可综合利用上位机的计算资源和嵌入式平台的计算速度，为实现跨时间尺度精度自愈调控奠定基础。其中操作层的模糊调谐器和任务层的模糊神经网络监督决策器分别实现毫秒级和微秒级的控制律自调整，以应对运动过程中的干扰及工作任务或者工况的改变，确保伺服系统跟踪误差快速自动收敛至给定误差域内。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种数控立车伺服系统，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。

近一步地，所述非级联状态反馈控制利用位置参考指令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，其控制律可表示为：