[发明专利]一种平面轮廓轨迹跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械控制方法，尤其涉及一种平面轮廓轨迹运动过程跟踪控制方法。

背景技术

目前国内外对轮廓轨迹跟踪控制问题，主要采用了四类轮廓控制方法：轮廓轨迹PID控制，轮廓轨迹自适应控制，轮廓轨迹滑模变结构控制和轮廓轨迹模糊控制。

常规PID控制简单、可靠且容易实现，已广泛用于现有中低档数控机床轮廓轨迹控制系统。目前，这种轮廓控制方法在普遍采用两种控制策略，即忽略扰动和补偿扰动策略。在忽略扰动的轮廓轨迹PID控制中，轮廓轨迹运动过程的摩擦力特性当作干扰，依靠PID控制器的鲁棒性对该干扰施加控制，能够取得预期的效果。但在高速运动过程中，机床将产生干扰，且PID积分项作用较缓慢，故在高速运动情况下，PID将无法及时消除干扰的影响。但取消PID的积分项，虽然可以提高控制器的快速响应性能，但可能产生跟踪静态误差。

自适应控制具有能够认知被控对象的变化，自动校正控制动作的优点，并且不需要建立数学模型，因而在轮廓轨迹运动控制中广泛应用。但基于自适应控制的数控机床轮廓控制系统普遍存在控制精度差的问题。滑模变结构控制具有响应快速、对参数及外部干扰的变化不敏感、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点，但滑模变结构控制不仅存在抖震现象，而且还存在较大跟踪误差。轮廓轨迹模糊控制直接以轮廓误差及其变化量为控制量。模糊交叉耦合轮廓控制器与轴向伺服控制器相结合构成的双闭环结构控制器可以有效的提高系统的轮廓控制精度。但轮廓轨迹模糊控制器应用不成熟，还不能广泛应用到实际的多轴机床的轮廓轨迹控制。

中国发明专利《基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制方法》(专利号：201210359218.7)公开了一种轮廓控制方法。该方法是基于预测控制和交叉耦合控制实现了直驱XY平台轮廓控制方法。在单轴控制中，使用预测控制器减少系统中的跟踪误差，在双轴上采用交叉耦合控制器进行解耦，直接补偿系统的轮廓误差，从而提高加工精度。但在单轴控制中如果一个轴受到扰动影响的时候，另外轴并未得到相应的反馈信息，仍然认为两轴间在正常的协同工作，另一轴并未采取相应的补偿措施，从而降低了跟踪的性能。

中国发明专利《一种复杂轨迹的轮廓控制方法》(专利号200710030228.5)公开了一种复杂轨迹的轮廓控制方法。该方法结合一种具有轮廓误差预补偿功能的交叉耦合控制框架，通过极点配置算法实时调整控制器参数，提高轮廓轨迹跟踪控制精度。但由于都采用了交叉耦合控制策略，在已有的多个单轴控制回路的基础上，通过集成一个轮廓控制器来实现对轮廓误差的闭环控制，其轮廓控制与跟踪控制之间存在耦合，导致跟踪性能受到轮廓性能的影响，同时在高速加工过程中轮廓误差较大。

本发明考虑平面轨迹轮廓跟踪控制器设计，提供了一个完备的解决方案，并提供了超出现有技术的其他优点，能够在保证系统稳定的同时快速跟踪轨迹。

发明内容

本发明是为适应现代轮廓轨迹跟踪控制领域不断提高轮廓精度、跟踪速度和可靠性控制要求，设计针对平面轮廓轨迹跟踪控制过程中的高性能伺服控制器，其目的在于：从控制器稳定性和轮廓误差两方面考虑，提出一种高速、高精度的稳定化轮廓轨迹跟踪控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种平面轮廓轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤一、根据待跟踪的X轴与Y轴轮廓轨迹位置函数s_X与s_Y，建立平面轮廓轨迹跟踪控制状态空间数学模型，为方程一：