[发明专利]一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法

权利要求书

1.一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法，其特征在于，包括以下操作：

S1)利用集中参数法，针对滚珠丝杠进给系统建立高阶多刚体动力学模型，求得滚珠丝杠进进给系统的电机处力入速度出的频响传递函数(1)式和原点频响特性曲线，并进行模态分析，确定各阶模态参数及高阶模态；

S2)根据S1中得到的各阶模态参数和频响传递函数，求得进给系统模态叠加式如下：

式中：G为传递函数；s为复变数；J为进给系统的等效惯量；k_i为第i阶模态刚度；ω_i为第i阶固有频率；ζ_i为第i阶模态阻尼比；

求解式(2)的零极点图，判断出靠近单位圆成对出现的零极点为高阶模态对应的极点；

S3)设计高阶模态滤波控制器，使高阶模态滤波控制器与进给系统高阶模态的零极点对消，以消除高阶模态对进给系统带宽的限制作用，求得高阶模态滤波控制器的传递函数H(z)如式(3)所示：

式中：n₁为要滤除的模态个数，r_zi、r_pi为第i个零点和极点的在零极点图中半径值，z为复变量，a为调节因子；

S4)将高阶模态滤波控制器H(z)嵌入到进给系统的PID控制中：嵌入到速度环控制器与被控对象之间；

通过联调系统速度环增益和时间积分常数，直至速度指令发生轻微超调，调节系统的位置环增益，直至系统发生轻微振动，然后调低增益值使系统不发生振动；

S5)将M序列和匀速运动位移指令相叠加作为改进的激励信号，给系统施加激励，采集X轴的插补指令和编码器实际反馈位置指令；利用最小二乘法根据采集的插补指令和反馈指令辨识系统的传递函数模型，所述传递函数模型如式(4)所示：

式中：d表示系统延时周期数，A(z^-1)和B(z^-1)为互质的离散多项式；

B(z^-1)＝b₀+b₁z^-1+…+b_mz^-m,b₀≠0

式中：m为离散传递函数分子的阶数，n₂为离散传递函数分母的阶数；

S6)在进给系统控制中加入式(3)所表征的模态滤波控制器H(z)，对进给系统的高阶模态进行修整；

根据辨识模型，设计零相差跟踪控制器的传递函数式(5)；

式中：r为分子阶次；u为分母阶次；d为系统时延；

S7)在开放式数控系统中，将零相差前馈控制器C_r(z)嵌入到PID控制中的位置环控制器C_p(z)之前，实现基于模态滤波控制的零相差跟踪控制：

指令首先经过零相差前馈控制器C_r(z)后进入位置环控制器C_p(z)，然后经过位置环控制器C_p(z)后进入速度环，然后经过速度环控制器C_v(z)后进入模态滤波控制器H(z)，最终传到被控对象G_p(z)。

2.如权利要求1所述的一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法，其特征在于，在建立高阶多刚体动力学模型中，采用的等效条件如下：

X轴移动部件作刚体处理；

丝杠螺母动结合部等效为弹簧阻尼元件；

将丝杠等效为四个集中质量块；

支撑轴承等效为弹簧和阻尼元件；

联轴器与电机轴和丝杠刚性连接。

3.如权利要求1所述的一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法，其特征在于，所述的高阶模态滤波控制器、零相差跟踪控制器以算法的形式引入到系统的PID控制中；在系统运动控制过程中包括了高阶模态滤波控制器和零相差跟踪控制算法结合，在此基础上实现PID控制参数的最优匹配。