[发明专利]一种PI形式的鲁棒自适应铣削主轴振动控制方法

说明书

本发明公开了一种PI形式的鲁棒自适应铣削主轴振动控制方法，包括：1)构建铣削加工振动系统的动力学模型；2)根据步骤1)建立的铣削加工振动系统的动力学模型，建立系统的状态空间方程；3)引入位移量的积分项作为新的状态向量，基于步骤2)建立新的PI形式的增广状态空间模型；4)构建线性矩阵不等式，得到振动系统的基准控制器和鲁棒自适应控制器设计所需的参考模型；5)根据步骤3)和4)，构建误差驱动的铣削振动增广系统状态空间，引入系统未建模动态，对未建模动态的自适应参数进行在线动态估计；6)在步骤5)中加入死区控制，最终得到铣削振动抑制所需的鲁棒自适应控制器，总控制器为基准控制器加上包含死区控制的自适应控制器。

技术领域

本发明属于铣削主轴振动控制技术领域，具体涉及一种PI形式的鲁棒自适应铣削主轴振动控制方法。

背景技术

主轴是机床的核心部件之一，主轴的振动会对机床的加工效率和加工质量产生非常大的影响。现代制造对机床的加工能力提出的要求愈来愈高，希望机床能够在多种工况下仍能实现高加工质量和高加工效率。为了抑制机床主轴在加工过程中产生的振动，国内外的专家学者对主轴振动的产生机理进行了深入的研究，并提出了多种控制方法。

目前比较有效的振动控制方法主要有两大类，一类是被动控制，即通过设计振动能量吸收装置如阻尼器、振动吸收器等来抑制振动。受限于布置体积和布置质量，这类控制方法能够起到的作用十分有限，而且需要根据不同的工况条件对装置参数进行调整，对机床的工况变化非常敏感。另一类则是主动控制，在机床主轴的适当位置布置传感器，实时测量主轴的振动位移，按照一定的控制方法来计算控制力，通过作动装置来施加控制力，最终实现主轴振动的抑制。国内外的研究人员设计了多种主轴振动控制器包括鲁棒控制器、滑膜控制器和自适应控制器等。传统的自适应控制器在设计时，一般不会考虑未建模动态，因而鲁棒性较差；也没有考虑外部干扰对自适应参数在线辨识的影响，因而抗干扰能力较差。已有的鲁棒控制器尽管考虑了这些因素可能带来的影响，但设计时过于保守，造成了能量的浪费，而且在控制器设计时，需要对时滞项进行近似处理，造成控制器阶数过大，不易进行物理实现。滑膜控制器通过设置滑膜面，迫使振动状态向滑膜面靠拢来实现振动的抑制，但振动状态在靠近滑膜面时会产生抖振，从而对加工表面的质量产生不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PI形式的鲁棒自适应铣削主轴振动控制方法，以解决传统控制器鲁棒性差、抗干扰能力差、控制器阶数过高不易实现的问题。

为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种PI形式的鲁棒自适应铣削主轴振动控制方法，包括以下步骤：

1)构建铣削加工振动系统的动力学模型，该动力学模型为典型的二自由度振动系统模型；

2)根据步骤1)建立的铣削加工振动系统的动力学模型，建立系统的状态空间方程；

3)引入位移量的积分项作为新的状态向量，基于步骤2)建立的铣削振动系统动力学模型，建立新的PI形式的增广状态空间模型；

4)构建线性矩阵不等式，得到振动系统的基准控制器和鲁棒自适应控制器设计所需的参考模型；

5)根据步骤3)建立的增广状态空间模型和步骤4)建立的参考模型，构建误差驱动的铣削振动增广系统状态空间，引入系统未建模动态，对未建模动态的自适应参数进行在线动态估计；

6)在步骤5)得到的自适应参数控制率中加入死区控制，最终得到铣削振动抑制所需的鲁棒自适应控制器，总控制器为基准控制器加上包含死区控制的自适应控制器。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，建立的铣削加工振动系统的动力学模型如下：