[发明专利]虚拟轴机床并联机构运动控制的自适应动态滑模控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种由电机驱动的虚拟轴机床，尤其涉及其并联机构的运动控制方法。

背景技术

虚拟轴机床由多杆并联运动机构构成，目前对虚拟轴机床实现高性能控制仍然是业界公认难题，成为虚拟轴机床在高精度加工领域实现实用化、产业化的最大障碍和亟待解决的关键问题之一，严重制约了其优势发挥。实现虚拟轴机床高性能控制加工的关键技术之一，是对其主体结构—并联机构的运动实施高性能控制。目前在工业上人们常用PID控制方法，即以并联机构各支路驱动电机期望位置与实际位置之偏差的比例积分微分作用作为各支路电机的驱动控制量，这种控制方法对于多变量、强耦合、非线性并且存在强烈加工干扰的虚拟轴机床并联机构的运动控制，一般不能获得稳定的控制效果。

文献《新型并联机器人机构3-RRRP(4R)的无震颤滑模控制》（高国琴等，第二十四届中国控制会议论文集. 2005年7月，第1513-1518页）以一种无震颤滑模控制方法实现对三自由度并联机器人并联机构的运动控制，其特点是：其控制精度无需依赖于模型准确度，因此，无需建立精确的被控对象数学模型；滑模控制量直接改由连续函数构成，解决了常规滑模控制方法存在的震颤问题，增强了滑模控制技术的实用性。

申请号是200910036068.4、名称为“一种用于虚拟轴机床刀具运动控制的滑模控制方法”的专利申请公开了一种用于虚拟轴机床刀具运动控制的无震颤滑模控制方法，所建各控制支路数学模型为简化的线性定常模型，且无需精确确定被控对象数学模型参数；通过公式计算出滑模控制开关曲面函数并确定虚拟轴机床各控制支路电机驱动控制量，滑模控制开关曲面参数依据二阶最佳动态品质系统设计，确定具最佳动态品质滑模控制量由连续函数构成，不仅解决了常规滑模控制方法存在的震颤问题，而且使虚拟轴机床系统在形成滑模运动后具有最佳动态品质，并能降低控制参数调试工作量。

但上述两种相关控制技术，属于光滑滑模控制技术，它们均存在一个边界层，边界层大小与干扰变化的上限和电机驱动控制量中开关函数系数的大小有关，干扰变化的上限越小，开关函数系数越大，则边界层越窄，系统性能越好，反之越宽，系统性能越差。在边界层外，系统满足滑模条件，其性能不受系统参数变化和干扰影响，具有良好控制品质，但系统运行状态一旦进入边界层内，由于滑模条件已破坏，系统的控制性能将有所下降，特别当系统受强烈干扰时，系统控制品质会由于边界层的扩大而进一步下降。另外，上述相关控制技术也不能解决虚拟轴机床执行机构快变动力学特性对系统控制性能存在不利影响的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提出一种自适应动态滑模控制方法，用于由电机驱动的虚拟轴机床并联机构的运动控制，以提高虚拟轴机床并联机构的运动控制性能，实现虚拟轴机床的高性能控制。

本发明采用的技术方案是采用如下步骤：

1）以电机驱动器和电机为被控对象，以虚拟轴机床并联机构为负载，建立带有电机驱动轴干扰项的虚拟轴机床各支路控制器的被控对象数学模型；

2）根据虚拟轴机床加工控制要求，规划出虚拟轴机床并联机构的运动路径，确定在实现并联机构期望运动过程中虚拟轴机床各支路驱动电机的期望运动轨迹；

3）检测虚拟轴机床各支路驱动电机的实际运动状态；

4）构建动态切换函数；

5）设计针对电机驱动轴干扰的自适应率；

6）基于步骤1）所建立的被控对象数学模型设计自适应动态滑模控制律，据此计算出虚拟轴机床各控制支路电机驱动控制量；

7）将各控制支路电机驱动控制量发送给各电机驱动器，驱动虚拟轴机床并联机构实现期望运动。

本发明首次将自适应动态滑模控制方法应用于虚拟轴机床并联机构的运动控制，其特点和有益效果是：

1、通过动态滑模控制设计，不仅使滑模控制技术因解决了抖振问题而成为一种实用技术，而且能够削弱虚拟轴机床执行机构快变动力学特性对系统控制性能的不利影响。

2、在动态滑模控制基础上，通过引入自适应控制，对虚拟轴机床并联机构运动控制时的电机驱动轴干扰实施在线估计和实时控制，增强了动态滑模控制系统对于强烈干扰的抵抗能力，从而进一步提高了虚拟轴机床并联机构的运动控制性能。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是虚拟轴机床并联机构各支路运动控制的自适应动态滑模控制方法的原理示意图。