非規(guī)則六面轉(zhuǎn)鼓加工中轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服控制研究

肖 為 史國(guó)權(quán) 胡明亮

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 引言

非規(guī)則六面轉(zhuǎn)鼓是熱像儀的重要組成部件。由于目前國(guó)內(nèi)仍采用手動(dòng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整轉(zhuǎn)鼓位置進(jìn)行加工，致使轉(zhuǎn)鼓成品率低，嚴(yán)重限制了紅外熱像儀的廣泛應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)六面轉(zhuǎn)鼓的低成本、高效率及高精度飛切，本文開(kāi)展基于橫滾和方位兩軸的二維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制研究，以期實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中轉(zhuǎn)鼓定位的自動(dòng)化研究。

目前工業(yè)領(lǐng)域中至少90%的控制系統(tǒng)仍在采用常規(guī)PID算法。常規(guī)PID參數(shù)的調(diào)整是建立在有精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，且是線性定常系統(tǒng)。本課題組研究的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)存在參數(shù)隨時(shí)間不斷變化及非確定性負(fù)載等特點(diǎn)。因此，采用常規(guī)PID無(wú)法滿(mǎn)足高精度要求。于是提出了基于模糊理論的模糊PID控制。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)模糊PID方案確定

圖1 轉(zhuǎn)鼓加工示意圖

圖2 方位軸控制系統(tǒng)

圖3 未校正系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)非規(guī)則六面轉(zhuǎn)鼓高精度飛切加工，二維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)基本運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿(mǎn)足（如圖1所示）：轉(zhuǎn)鼓裝夾完成后，將橫滾軸旋轉(zhuǎn)特定的角度，方位軸旋轉(zhuǎn)一定的偏角，使轉(zhuǎn)鼓其中一面處于加工位置，然后電磁制動(dòng)器將兩軸抱緊鎖死，防止在轉(zhuǎn)鼓飛切中刀具使轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生竄動(dòng)，保證轉(zhuǎn)臺(tái)能穩(wěn)定可靠的完成該面飛切，然后旋轉(zhuǎn)橫滾軸，并再次旋轉(zhuǎn)方位軸到一定角度，加工另一個(gè)面，依次完成各個(gè)面的加工。

由于橫滾和方位兩軸結(jié)構(gòu)相似，且控制系統(tǒng)也相似，本文僅以方位軸為例。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中執(zhí)行元件、測(cè)量元件及轉(zhuǎn)鼓加工過(guò)程中負(fù)載特點(diǎn)進(jìn)行分析，在常規(guī)PID校正基礎(chǔ)上，確定了電流環(huán)和速度環(huán)仍采用常規(guī)PID校正，而位置環(huán)采用模糊PID校正（如圖2）。

3 轉(zhuǎn)臺(tái)模糊PID控制仿真及分析

根據(jù)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)精度要求，這里選用成都微精電機(jī)股份有限公司的永磁直流力矩電機(jī)，方位軸電機(jī)型號(hào)為J110LYX01，則未校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框（如圖3）。

圖4 模糊PID控制結(jié)構(gòu)

首先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，利用常規(guī)PID可以確定出電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)PID校正環(huán)節(jié)。電流環(huán)常規(guī)PID校正環(huán)節(jié)：

速度環(huán)常規(guī)PID校正環(huán)節(jié)：

位置環(huán)常規(guī)PID校正環(huán)節(jié)：

轉(zhuǎn)臺(tái)模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電流環(huán)和速度環(huán)采用上述常規(guī)PID校正環(huán)節(jié)，而位置環(huán)則利用了模糊PID控制算法。

（1）轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)模糊PID結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)依據(jù)e和ec的值對(duì)PID三個(gè)參數(shù)修整。轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖4。PID參數(shù)調(diào)整實(shí)際就是對(duì) 、 和 根據(jù)輸入變量進(jìn)行修正。因此，實(shí)際系統(tǒng)中PID參數(shù)應(yīng)為：

模糊推理算法常用的有兩種，這里選用Mamdani型。轉(zhuǎn)臺(tái)模糊PID控制系統(tǒng)中，取e及ec的模糊論域?yàn)閇-6，6]，模糊控制輸出量比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)論域取[-6，6]，模糊變量的語(yǔ)言變量為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，隸屬函數(shù)選用三角型函數(shù)。

表1 、 、 與E和EC的模糊規(guī)則關(guān)系

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)模糊PID控制simulink仿真

圖6 subsystem模塊

圖7 在同樣的干擾輸入作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

圖8 負(fù)載作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

由專(zhuān)家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)及模糊PID思想，確定出模糊規(guī)則。如表1所示。其語(yǔ)言描述為：If E is Aiand EC is Bi， then

轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)模糊PID仿真圖如圖1.5所示，subsystem如圖6所示。

下面研究模糊PID與常規(guī)PID抗干擾能力，在同樣的系統(tǒng)干擾作用下，它們的階躍響應(yīng)如圖7。從中可以看出，在同樣的干擾作用下，模糊PID控制比常規(guī)PID具有更高的穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度也快。當(dāng)有負(fù)載作用時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖8。當(dāng)系統(tǒng)中突加負(fù)載作用時(shí)，模糊PID控制穩(wěn)定性幾乎不發(fā)生改變，而常規(guī)PID發(fā)生了較大的變化。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)二維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)仿真分析結(jié)果。表明在轉(zhuǎn)鼓加工中系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化及存在非確定性因素時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)采用模糊PID相對(duì)采用常規(guī)PID具有如下優(yōu)點(diǎn):（1）在同樣的干擾作用下，模糊PID控制抗干擾能力強(qiáng)；（2）模糊PID響應(yīng)速度比常規(guī)PID快；（3）當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，模糊PID輸出比較穩(wěn)定。

基于模糊PID控制的優(yōu)點(diǎn)，本文的研究為高精度轉(zhuǎn)鼓加工奠定了理論基礎(chǔ)。

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