[发明专利]一种基于复合自抗扰控制的FTS控制方法

说明书

本发明公开了一种基于复合自抗扰控制的FTS控制方法，属于精密加工领域。所述方法在构建FTS系统模型时，引入了完全未知的迟滞非线性函数、状态时滞和时变时滞的双时滞系统以及内部未建模动态非线性，针对所构建的FTS系统模型设计的控制器将迟滞时滞及系统内部的动态非线性性视为对FTS系统的总扰动，由线性观测器实时估计，并利用自适应神经网络逼近未知的非线性误差函数，实现迟滞时滞补偿功能。从而较好描述精密切削过程中的颤振现象，解决了现有FTS模型无法解释和预测切削颤振导致的幅值失真现象、稳定振幅与切削参数的关系、跳变现象对切削过程稳定性的影响及外界干扰对切削精度影响等问题。

技术领域

本发明涉及一种基于复合自抗扰控制的FTS控制方法，属于精密加工领域。

背景技术

在追求产品小型化、集成化的今天，微机械零件被广泛应用于信息处理、空间技术和光纤通讯等诸多领域。微机械零件的加工过程通常是在车床上安装有快速响应能力的刀具微进给伺服系统完成的，刀具微进给伺服系统又称快速刀具伺服(Fast Tool Servo，FTS)系统，车削过程中，FTS驱动刀具完成高频高精度跟踪运动，是加工微纳米级零件的关键部件。

现有的FTS包括压电陶瓷型FTS、磁致伸缩型FTS、洛伦兹力FTS以及麦克斯韦力FTS；其中压电陶瓷型FTS具有响应速度快，加速度高、频响范围可达数千赫兹等优点，因此在非轴对称车削中得到了广泛应用并取得了良好效果，但是由于精密车削过程往往因为自激振动而产生切削颤振，不仅会影响加工质量，限制切削效率，还会产生噪声污染，增大系统机械磨损，大大降低了机床和刀具的使用寿命。由于切削颤振机理的复杂性以及切削过程众多干扰因素影响，很难对其进行有效的预测和消除。因此，研究和分析FTS系统切削过程中切削力与切削厚度的关系，建立相关数学模型，进而设计控制器来抑制切削颤振具有重要的理论意义和工程实用价值。

近年来，在快速刀具伺服系统建模与控制领域中，非线性时滞FTS模型渐渐取代线性时滞FTS模型成为主流，进而对非线性时滞FTS模型反演求其逆模型进行控制，但这往往需要获得被控对象的精确数学模型。而现有的非线性时滞FTS模型不能解释和预测切削颤振导致的幅值失真现象、稳定振幅与切削参数的关系、跳变现象对切削过程稳定性的影响及外界干扰对切削精度影响等，因此无法进一步提供更为精确的数学模型，也就导致切削精度无法进一步提高。

自抗扰控制是一种新的无模型抗扰控制，然而传统自抗扰控制参数整定较为复杂，并且一组参数只适用于单一系统。线性自抗扰控制解决了传统自抗扰控制参数整定复杂的难题，然而，在实际车削过程中，控制器带宽会受到如生产成本、噪声灵敏度等诸多因素的限制。因此，当观测器带宽无法达到实际需要数值时，切削精度无法得到保证。

发明内容

为了进一步提高切削精度，本发明提供了一种基于复合自抗扰控制的FTS控制方法，所述方法应用于压电陶瓷型FTS中，所述压电陶瓷型FTS包括主轴、工作间、切刀以及压电作动器，其中切刀通过弹簧与压电作动器相连；所述方法包括：

步骤1：基于主轴旋转下的状态时滞β₁、压电作动器迟滞非线性以及内部未建模动态非线性的结合，以及切刀横向给进产生的时变时滞β₂建立FTS系统模型；所述内部未建模动态非线性指压电陶瓷型FTS中除时变时滞、状态时滞以及迟滞非线性之外的其他未能明确的动态非线性总和；

步骤2：针对步骤1建立的FTS系统模型，将系统中主轴旋转下的状态时滞β₁、压电作动器迟滞非线性以及内部未建模动态非线性的结合，以及切刀横向给进产生的时变时滞β₂视为总扰动，采用线性自抗干扰控制器对总扰动进行初步估计；

步骤3：针对步骤2采用线性自抗干扰控制器对总扰动进行初步估计所产生的估计误差，采用BP神经网络控制器逼近对总扰动的估计误差，从而确定对总扰动的精确估计；

步骤4：根据步骤2和3最终得到的总扰动的精确估计对系统进行补偿，实现对压电陶瓷型FTS的精确跟踪。