[发明专利]一种运动控制系统及其位置控制方法

说明书

技术领域

本发明属先进控制领域，具体涉及高速高精度加工的基础技术之一的运动控制系统。基于数据流关联控制，本发明为开放式数控系统提出一种高性能运动控制系统及其位置控制方法。

技术背景

开放式数控系统、高性能运动控制系统、高精度传感器是高速高精度加工的基础技术。

在机床的数字控制中，运动控制系统主要用于控制伺服电机的转速与转角。所谓转速控制又称速度模式，也就是速度控制，用于控制主轴的转速；所谓转角控制又称位置模式，也就是位置控制，用于控制坐标轴的位移。

由位置环、速度环、电流环构成的PID控制器是运动控制系统的基本技术方案。速度环中的速度增益和速度积分时间常数、位置环中的比例系数增益是需要调整的基本参数。这些参数值，取决于机械系统中运动副的摩擦力与运动部件的惯量、进给速度与加速度、切削力、电机的转子惯量与输出惯量等众多外部因素以及运动控制系统内部的时滞。从公开的统计资料来看，数控设备中75％以上的故障出自运动控制系统，其主要原因在于，这些因素都是非线性的，在加工过程中必然产生上述参数值的漂移，从而导致工件的加工精度超差。

在工程技术中，运动控制系统又称为伺服驱动装置，数控系统与运动控制系统之间的界面则称为运动控制接口。本发明涉及位置模式的运动控制系统，其接收与执行的数字控制信息为坐标轴的离散位置信息，位置反馈信息由运动控制系统内的嵌式入系统处理。

运动控制系统的基本问题是单轴的高精度随动控制与多轴联动的协调控制。面对上述种种非线性因素所产生的非线性复杂性，根据现代控制理论与基于IEEE定义的现有开放式数控系统，综述文献《高性能运动控制在数控系统中的应用综述》(《信息与控制》，2003年第3期，作者：王军平，王安，敬忠良，陈全世)评述了现有运动控制系统在高速高精度加工方面存在的主要问题与发展方向。

1、复合控制问题

在非线性多变量系统中的应用申，复合控制成为当前控制领域的一个研究热点。

所谓复合控制就是在PID控制的基础上，结合其他控制算法构建复合控制器。这些附加的补偿控制算法通过在线实时调整位置环与速度环的参数，用于抑制种种非线性扰动所产生的影响。

系统辨识、建立误差补偿数学模型与误差补偿方程、确定误差补偿控制算法与补偿控制器，是现有复合控制的基本技术方案。

由于环境因素(系统输入的随机扰动与传感器的测量噪声)的不确定性与模型因素(数学模型的参数与结构)的不确定性，对于具有非线性、强耦合、不确定性的复杂系统，很难从理论上进行性能设计和分析，实验数据成为系统辨识的基础，只有高质量的实验数据才能获得良好的数学模型，开发者只能利用历史经验、简化的理论公式、实验数据来确定模型的结构和定义模型的参数，再经过线性化处理得到简化的误差补偿数学模型与误差补偿方程，进而设计误差补偿控制算法，实时计算轮廓误差完成误差的实时补偿。

因而，“面向实际工业过程的特点研究发展各种对模型要求低、在线计算简单方便、实时性好、控制效果佳的控制新算法”成为现有复合控制技术的发展方向。

2、时滞问题

时滞是工业过程中固有的特性，是物理系统中的最难控制的动态环节。任何过程都有时滞，静态下的时滞称为静态时滞。种种非线性因素所产生的非线性复杂性与不确定性都使时滞发生变化，形成动态时滞，导致坐标轴不同步而产生轮廓误差。当数控系统应用高速加工时，进给速度大大提高，时滞产生的坐标轴不同步使工件的轮廓误差显著增加。动态时滞导致的坐标轴不同步所产生的轮廓误差是影响加工精度的重要因素。

为了解决因动态时滞导致的多轴不同步所产生的轮廓误差，交叉耦合控制(Cross Coupling Control，CCC)成为现有数字控制技术中的关键技术。所谓交叉耦合控制是将伺服驱动装置的实际位移量两两相互耦合，通过适当的误差数学模型，在线计算轮廓误差，完成轮廓误差的实时补偿。

对于三轴及三轴以上的多轴系统，由于交叉耦合控制必然产生组合爆炸，一般只能用于2轴系统。因而，采用零相差跟踪控制原理(Zero phase error tracking control，ZPETC)结合前馈控制(look-ahead)，提高单轴随动控制的精度，成为解决时滞的技术途径之一。

发明人认为，现有运动控制系统存在下述缺陷。

1、现有运动控制系统的技术方法

上述综述文献认为，“控制策略的实现问题实际上就是开放式体系结构的研究，这也是实现高性能、智能化数控的关键技术”，控制策略对用户的开放性成为运动控制系统的研究重点。