非規則六面轉鼓加工中轉臺的伺服控制研究

肖 為 史國權 胡明亮

（長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022）

1 引言

非規則六面轉鼓是熱像儀的重要組成部件。由于目前國內仍采用手動控制轉臺調整轉鼓位置進行加工，致使轉鼓成品率低，嚴重限制了紅外熱像儀的廣泛應用。為了實現對六面轉鼓的低成本、高效率及高精度飛切，本文開展基于橫滾和方位兩軸的二維數控轉臺伺服控制研究，以期實現加工過程中轉鼓定位的自動化研究。

目前工業領域中至少90%的控制系統仍在采用常規PID算法。常規PID參數的調整是建立在有精確數學模型基礎上，且是線性定常系統。本課題組研究的數控轉臺控制系統存在參數隨時間不斷變化及非確定性負載等特點。因此，采用常規PID無法滿足高精度要求。于是提出了基于模糊理論的模糊PID控制。

2 轉臺系統模糊PID方案確定

圖1 轉鼓加工示意圖

圖2 方位軸控制系統

圖3 未校正系統傳遞函數圖

為了實現對非規則六面轉鼓高精度飛切加工，二維數控轉臺基本運動應滿足（如圖1所示）：轉鼓裝夾完成后，將橫滾軸旋轉特定的角度，方位軸旋轉一定的偏角，使轉鼓其中一面處于加工位置，然后電磁制動器將兩軸抱緊鎖死，防止在轉鼓飛切中刀具使轉臺發生竄動，保證轉臺能穩定可靠的完成該面飛切，然后旋轉橫滾軸，并再次旋轉方位軸到一定角度，加工另一個面，依次完成各個面的加工。

由于橫滾和方位兩軸結構相似，且控制系統也相似，本文僅以方位軸為例。通過對轉臺控制系統中執行元件、測量元件及轉鼓加工過程中負載特點進行分析，在常規PID校正基礎上，確定了電流環和速度環仍采用常規PID校正，而位置環采用模糊PID校正（如圖2）。

3 轉臺模糊PID控制仿真及分析

根據數控轉臺精度要求，這里選用成都微精電機股份有限公司的永磁直流力矩電機，方位軸電機型號為J110LYX01，則未校正系統的傳遞函數方框（如圖3）。

圖4 模糊PID控制結構

首先根據工程經驗，利用常規PID可以確定出電流環、速度環及位置環PID校正環節。電流環常規PID校正環節：

速度環常規PID校正環節：

位置環常規PID校正環節：

轉臺模糊PID控制系統設計中電流環和速度環采用上述常規PID校正環節，而位置環則利用了模糊PID控制算法。

（1）轉臺系統模糊PID結構

控制系統執行時，系統實時依據e和ec的值對PID三個參數修整。轉臺系統的模糊PID控制結構圖4。PID參數調整實際就是對 、 和 根據輸入變量進行修正。因此，實際系統中PID參數應為：

模糊推理算法常用的有兩種，這里選用Mamdani型。轉臺模糊PID控制系統中，取e及ec的模糊論域為[-6，6]，模糊控制輸出量比例系數、積分系數和微分系數論域取[-6，6]，模糊變量的語言變量為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，隸屬函數選用三角型函數。

表1 、 、 與E和EC的模糊規則關系

圖5 轉臺模糊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的階躍響應

圖8 負載作用下系統的階躍響應

由專家知識經驗及模糊PID思想，確定出模糊規則。如表1所示。其語言描述為：If E is Aiand EC is Bi， then

轉臺系統模糊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PID抗干擾能力，在同樣的系統干擾作用下，它們的階躍響應如圖7。從中可以看出，在同樣的干擾作用下，模糊PID控制比常規PID具有更高的穩態精度，同時，系統的響應速度也快。當有負載作用時，系統的階躍響應如圖8。當系統中突加負載作用時，模糊PID控制穩定性幾乎不發生改變，而常規PID發生了較大的變化。

4 結論

根據對二維數控轉臺伺服系統仿真分析結果。表明在轉鼓加工中系統參數發生變化及存在非確定性因素時，轉臺系統采用模糊PID相對采用常規PID具有如下優點:（1）在同樣的干擾作用下，模糊PID控制抗干擾能力強；（2）模糊PID響應速度比常規PID快；（3）當系統參數變化時，模糊PID輸出比較穩定。

基于模糊PID控制的優點，本文的研究為高精度轉鼓加工奠定了理論基礎。

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