閉環控制在數控機床中的應用

李　麗天津工程職業技術學院

閉環控制在數控機床中的應用

李麗
天津工程職業技術學院

本文根據自身實踐和理論研究，對數控機床中的閉環控制系統進行了具體的論述，重點闡述了伺服閉環控制系統的主要特點，以及PID控制方法在速度閉環控制方面的應用，并以FANUC機床位具體案例，詳細的分析了PID參數的調試方法，對閉環控制在數控機床中的推廣應用提供了有力的技術支撐。

閉環控制；數控機床；PID；應用

1　引言

在現代化的設備生產中，數控機床的應用變得越來越廣泛，而且對數控機床加工精度和速度的要求也越來越高。為了更高精度、更高自動化水平的控制數控機床的加工，需要在加工過程中加入反饋調節，從而對機床加工過程中的誤差因素進行實時調節，使誤差不會隨時間的延續進行累積，即在數控機床上實施閉環控制。目前，在數控機床上應用閉環控制系統的設備很多，并且這些機床在加工復雜精密零件時取得了很好的效果。本文根據自身實踐經驗和理論研究，對閉環控制在數控機床中的應用理論及具體案例進行了詳細的論述，為閉環控制在數控機床中的應用和推廣提供了有力的技術支撐。

2　閉環控制在數控機床中的應用

2.1數控機床中的閉環控制特點

在數控系統中，伺服控制系統必須具備較好的穩定性、動態特性、穩態特性、魯棒性等。在所有的伺服系統中，穩定性是其最根本的要求，系統的穩定性有兩種重要的作用，一是能自動排除外界對系統的干擾，能在有外部干擾的環境下，精確調節定位，二是自動恢復穩定狀態，不管系統處于什么樣的初始狀態，都能夠快速準確的進行定位；在閉環伺服控制系統中，動態特性是其最重要的衡量指標，它主要表現在系統的響應速度和振幅，在通常狀態下，系統的最大振幅就表達這系統的控制精度，振幅越小，精度越高，而系統的響應速度是影響振幅的重要因素，系統的響應速度越快，系統的過渡時間就越小，系統的誤差就越小，控制精度也就越高；穩態特性閉環控制系統的正常工作狀態特性，主要是是指控制系統經過過渡階段后，進入穩定狀態的情況下，其最終輸出的穩態指與預期的穩定指相符合的程度，通常情況下，伺服閉環控制系統會因為自身結構、內部摩擦力、外界干擾等非線性的因素導致系統的實際的穩態值與期望值存在一定的誤差，這種誤差就是穩態誤差，穩態誤差是衡量閉環控制精度的重要指標，而通過加入穩態誤差補償，可以有效的調整伺服控制系統的控制精度和跟蹤速度；魯棒性的主要作用是幫助閉環控制系統控制誤差，其主要特點是在系統的約束條件發生變化時，保持系統自身的功能特性不變，即對于具有較好魯棒性特征的閉環控制系統，即使參數發生了變化，控制自身仍有保持穩定性不變，系統的響應速度和振幅也不會隨參數變化而變化，如魯棒性好的數控機床長期使用造成的機械零件磨損不會導致機床自身誤差的增大。

2.2閉環控制系統中的PID控制技術

PID控制技術是閉環控制中最早發展起來的一門技術，它以算法簡單、可靠性高、調整方便、魯棒性好等優點在工業控制領域廣泛應用，尤其在一些被控對象的結構和參數有一定的不確定性，沒法得到精確的數學模型的情況下，可以采用PID控制技術依據現場調試和經驗確定系統控制器的結構和參數。在實際工程應用中，也有僅采用PI控制和PD控制的控制系統。

PID控制技術是一種線性調節技術，它將系統的偏差分為比例、積分、微分三類運算對被控量進行具體的調節。它對速度的調節主要是根據速度指令r（t）與傳感器反饋的回來的實際y（t）進行比較構成控制的偏差e（t），并將此偏差按比例（P）、積分（I）、微分（D）的方式進行線性組合，最終形成控制量u（t）對驅動器進行控制，從而達到對電機速度的精確控制的目的，具體列公式如下：

2.3閉環控制系統在數控機床中的應用

在數控機床的閉環控制系統中，PID控制技術的應用非常廣泛。本文以FANCOi機床為例，其控制器的調試就主要分為比例增益、積分增益、微分增益三個部分，具體調試過程如下：首選將驅動器設置成速度控制模式控制，對便于對伺服驅動器參數進行優化調節。伺服驅動器的調節參數就是比例常數Kp、微分參數Kd和積分參數Ki，根據實踐經驗和現場控制需要，手動對PID的三項控制常數進行具體的調節。首先，確定速度比例增益常數Kp的值。當閉環控制系統安裝完畢后，第一步是對比例增益常數Kp就進行調節，因為在三個增益參數中，比例增益對振幅起到最主要的作用，確定比例參數的值后，再對積分增益Ki和微分增益Kd進行調節，調節比例參數的方式是在對先將積分增益Ki和微分增益Kd設置為零，再從零逐漸增加比例參數Kp的值，觀察伺服電機停止時的振蕩情況以及電機轉速的忽快忽慢現象，如果隨著Kp值的增加，系統產生振蕩現象，就降低Kp值，消除振蕩，穩定轉速，從而初步確定Kp的值。

在確定Kp的值后，保持Kp不變，從零逐漸增加系統的積分增益常數Ki的值，觀察積分增益的效應現象，當積分增益參數超過臨界值后就會導致控制系統的振動不穩定，這時將Ki值進行回調，消除振蕩，穩定轉速，此時的Ki值就是初步確定的控制系統參數。

最后，對控制系統的微分增益進行具體的調節。微分增益的調節可以有效的降低控制系統的振幅，它的主要工作原理是對系統進行預先控制，就是在系統的振蕩發生之前對其進行校正，在實際調節時，從零開始逐步增加Kd的值，從而改善旋轉速度的穩定性。

3　結論

本文根據自身實踐和理論研究，對伺服閉環控制系統的特點進行了論述，并對PID控制技術的原理以及實際生產中的參數調節方法進行了具體的闡述，不僅為閉環控制技術在數控機床中應用提供了有力的技術支撐，也為閉環控制系統在數控機床中的推廣應用提供了有效的理論依據。

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