數(shù)控伺服系統(tǒng)

由于永磁同步電機(jī)具有耦合、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，使得永磁同步電機(jī)的控制比較困難，難以獲得較好的速度控制性能。直至 1971 年，由德國西門子公司的 F.Blaschke 博士提出的矢量控制理論第一次使交流電機(jī)控制理論獲得了質(zhì)的飛躍。矢量控制采用了矢量變換的方法，通過把交流電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)矩的控制解耦，使永磁同步電機(jī)的控制類似于直流電動(dòng)機(jī)，從而大大地提高了其控制性能，成為交流傳動(dòng)的基本控制方法，使永磁同步電機(jī)具有良好的速度控制性能和位置控制性能，從而在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床中交流伺服系統(tǒng)廣泛采用三環(huán)(電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán))PID 調(diào)節(jié)控制技術(shù)，已經(jīng)產(chǎn)品化、系列化。但是，傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)的三環(huán) PID 調(diào)節(jié)控制方式在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中仍然存在一些問題：

1. 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定繁瑣且誤差較大。傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡化，從而導(dǎo)致誤差加大，而且系統(tǒng)沒有在最優(yōu)的狀態(tài)下工作。

2. 伺服系統(tǒng)的解耦控制需要精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)(如電機(jī)的力矩系數(shù)、機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和切削力的大小、頻率等等)的依賴性較強(qiáng)，當(dāng)參數(shù)改變時(shí)，系統(tǒng)的性能可能會(huì)變得較差，嚴(yán)重時(shí)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

3. 傳統(tǒng)的研究成果中絕大部分的研究對(duì)象只考慮到電機(jī)的控制，很少考慮機(jī)械與電氣參數(shù)匹配問題和機(jī)床在加工時(shí)動(dòng)態(tài)切削力對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。而在全閉環(huán)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)和物理切削過程包含在位置環(huán)之內(nèi)，它們和電氣伺服控制系統(tǒng)之間不是完全割裂的子系統(tǒng)，而是通過反饋回路耦合形成一個(gè)新的綜合機(jī)電系統(tǒng)。

為了提高數(shù)控機(jī)床整體性能，專家學(xué)者們對(duì)數(shù)控交流伺服系統(tǒng)這一高階的、復(fù)雜的、綜合性的系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛而卓有成效的研究，主要包括：

對(duì)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的非線性影響因素的補(bǔ)償控制研究，此方面的研究成果很豐富，很多的理論成果已經(jīng)在實(shí)踐中得到應(yīng)用。

對(duì)高精度高性能的數(shù)控伺服系統(tǒng)采用新的控制方式，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、魯棒控制以及模糊控制等現(xiàn)代控制方法引入到伺服系統(tǒng)的控制中以大幅度提高伺服系統(tǒng)的性能。

采用復(fù)合控制策略提高伺服系統(tǒng)性能。事實(shí)上，每一種控制策略都有其優(yōu)點(diǎn)，也都存在一些問題。因此，各種控制策略互相滲透和復(fù)合，可以克服單一策略的不足，提高控制性能，更好地滿足數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的要求。復(fù)合控制策略主要有兩種形式：一是在傳統(tǒng) PID 控制策略的基礎(chǔ)上采用新型的控制策略，二是采用兩種以上的新型控制策略。研究重點(diǎn)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制的復(fù)合，復(fù)合控制將是今后的一個(gè)趨勢(shì)。

系統(tǒng)在線辨識(shí)。對(duì)于數(shù)控機(jī)床交流伺服系統(tǒng)，包括永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)(轉(zhuǎn)矩常數(shù)、定子電阻、定子電感等)會(huì)在運(yùn)行中發(fā)生變化，或者是系統(tǒng)的機(jī)械部分特性發(fā)生變化，亦可能是切削參數(shù)發(fā)生了變化，這些情形對(duì)于數(shù)控機(jī)床加工系統(tǒng)是不可避免的。這就會(huì)使得按照準(zhǔn)確參數(shù)設(shè)計(jì)的普通控制器的品質(zhì)變差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。自適應(yīng)算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法被用來進(jìn)行參數(shù)的在線辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)的結(jié)果相應(yīng)的調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，這在提高系統(tǒng)性能方面取得了一定的效果。研究希望得到設(shè)計(jì)簡單，計(jì)算量小，收斂速度快的參數(shù)估計(jì)方法 。

任何控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，均要考慮穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性、魯棒性等方面的指標(biāo)。

穩(wěn)定性：這是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本要求。控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可分為系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定性和系統(tǒng)外部的穩(wěn)定性。所謂系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定性即在任意初始狀態(tài)下從平衡點(diǎn)附近出發(fā)的軌跡當(dāng)時(shí)間無窮大時(shí)收斂于平衡點(diǎn)；系統(tǒng)外部的穩(wěn)定性即為輸入輸出的穩(wěn)定性，就是說有界的輸入可得有界的輸出。

動(dòng)態(tài)特性：即系統(tǒng)運(yùn)行過渡過程的形式和速度，其中包括響應(yīng)速度和超調(diào)量。系統(tǒng)的響應(yīng)速度可用系統(tǒng)過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間來表示；而超調(diào)量是指系統(tǒng)的最大振蕩幅度。一般而言，不同的系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)特性會(huì)有不同的要求，對(duì)于數(shù)控伺服系統(tǒng)而言，其響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)跟隨誤差越小，控制精度就越高。 穩(wěn)態(tài)特性：即當(dāng)過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值一致性程度。對(duì)任何實(shí)際工程系統(tǒng)，由于存在著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外部干擾、以及內(nèi)在摩擦等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間總會(huì)有誤差存在，該誤差可稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志，在控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)中一般都有具體的要求。

魯棒性：即當(dāng)系統(tǒng)的約束條件發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的功能特性不會(huì)受到什么影響。若系統(tǒng)的魯棒性好，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)依然能夠保持其穩(wěn)定性；在過渡過程中，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和超調(diào)量基本上不受參數(shù)變化的影響。這里所說的參數(shù)變化不僅包括實(shí)際的外部參數(shù)的變化，也包括系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化。

PID（Proportional、Integral and Differential）控制技術(shù)是最早發(fā)展起來的控制策略之一，已有數(shù)十年歷史。它以算法簡單、魯棒性好、可靠性高、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)需要也可用 PI 控制和 PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的偏差，通過比例、積分和微分運(yùn)算來對(duì)控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

數(shù)控伺服系統(tǒng)是以機(jī)械位移為直接控制目標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，也可稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)，簡稱為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一種是進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以直線運(yùn)動(dòng)為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運(yùn)動(dòng)，以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主。伺服系統(tǒng)的控制方法主要分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方法。它實(shí)際上是指伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制的三種方式。

本書共分8章，主要內(nèi)容包括：數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)的基本知識(shí)，數(shù)控機(jī)床液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成、工作原理，數(shù)控機(jī)床氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成、工作原理，電氣控制電路的分析方法，F(xiàn)1系列及FANUC可編程序控制器（PLC）及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置，數(shù)控伺服系統(tǒng)。綜合實(shí)訓(xùn)部分以本書內(nèi)容為基礎(chǔ)，介紹數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)的綜合應(yīng)用。

本書是高等學(xué)校機(jī)械工程及自動(dòng)化（機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化）專業(yè)系列教材之一。全書六章，主要包括數(shù)控編程技術(shù)、軌跡控制原理、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、檢測(cè)裝置和數(shù)控伺服系統(tǒng)。

本書內(nèi)容豐富、詳實(shí)，系統(tǒng)性強(qiáng)，各章既有聯(lián)系，又有一定的獨(dú)立性，特別適合高等工科院校本科生用作教材，還可供研究單位、工廠的技術(shù)人員作為參考書。