m<η。
[0046] 综合全局频域误差J与特征频点误差1构造混合误差评价准则，作为控制迭代终 止的判定条件。如果全局频域误差J小于预先设定的目标精度pre_g，并且特征频点误差Jn 小于预先设定的目标精度pre_n，则判定控制迭代终止。
[0047] J^pre_g&Jn^pre_n
[0048] 其中，pre_g为预先设定的全局频域误差的目标精度；pre_n为预先设定的特征频 点误差的目标精度。
[0049] 混合误差准则的构造及应用，有两点优势和好处。第一，混合误差准则可有效提升 控制效率，并保障控制过程更加平稳光滑。如图2所示，由于时域信号和频域信号并非一对 一关系，因此，采用全局频域误差J来进行权值系数优化以及总体误差判定可更好的反映 在线频域振动信号Y与目标频域信号D的差异。否则，如果采用时域误差，则可能导致控 制过程的震荡。第二，基于全局频域误差和特征频点误差的混合误差准则可有效提升本方 法的自适应性与抗干扰能力。在很多情况下，我们更多地会关注振动信号中特征频点的幅 值，如果单独采用全局频域误差构成误差准则，将会对所有频点的幅值进行平均化处理，不 能有效的反映特征频点处幅值的变化。如果单独采用特征频点误差构成误差准则，将会更 多的关注于特征频点的幅值，忽略非特征频点处幅值，从而造成不能接受的控制效果。如图 3所示，如果单独采用全局频域误差，将所有频点平均化处理，可能特征频点处的幅值已满 足要求，如图3(a)，而由于其他频点的影响，算法不能收敛；如果单独采用特征频点误差， 过度的关注特征频点幅值，忽略其他频点幅值，可能得到图3 (b)所示的不能接受的控制效 果。另外，如果适当的调整全局频域误差的目标精度与特征频点误差的目标精度，可有效提 升方法对背景噪声的抗干扰能力。
[0050] (3)在控制流程中加入预判断模块，有效防止局部最优及控制参数溢出造成的硬 件损坏。
[0051] 如图4所示的控制流程，在控制过程中实时监测控制器输出驱动参数的值，在输 出给硬件装置之前，将其与硬件装置的参数阈值进行比较，如若驱动参数的值小于硬件阈 值，则正常输出给硬件装置驱动激励。如若驱动参数的值大于硬件阈值，则对整个控制器重 新附初值，重新迭代循环，这样有效避免了非正常驱动参数对硬件装置的损坏。
[0052] F<Fthreshold
[0053] 其中，F为控制迭代输出驱动参数，Fthrashcild为硬件装置的参数阈值。
[0054] 当控制器迭代循环首次达到目标精度后，赋予控制器输出驱动参数F-定的扰动 量，让其重新迭代，如果在扰动量叠加后二次收敛达到同一收敛状态（即误差精度一致）， 则判定此状态为全局最优，迭代终止。如果在叠加扰动量后二次收敛与第一次收敛非同一 收敛状态（即误差精度不一致），则判定此状态为局部最优，给控制器赋予新的初始参数重 新启动控制循环。
[0055] F2=F!+ΛF
[0056] 其中，R为首次达到目标精度后控制器输出的驱动参数，F2为对Fi叠加扰动量后 的驱动参数，AF为扰动量，此扰动量由随机参数产生。
[0057] 【应用实例】
[0058] 图5所示为实验系统构成图，实验系统由铣床、被铣削工件、加速度传感器、数据 采集器、实时控制器、功率放大器、压电激励装置等组成。实验流程为：通过传感器与数据采 集器收集铣床受控前的加工振动信号，经FFT变换与预先设定的目标信号做差后作为控制 器的输入，控制器通过迭代优化，输出激励参数，经功率放大器放大后驱动压电激励装置动 作，采集原始振动与压电激励装置共同激励后新的振动信号反馈于控制器，并输出新的激 励参数，如此循环，直到达到误差准则要求的目标精度。
[0059] 图6所示为铣削加工受控前与受控后振动信号频谱对比图，图7为受控前与受控 后能量谱效果对比图。控制目标是减小铣削加工过程中的低频振荡。通过对受控前与受 控后铣削加工在线振动频域信号与能量谱的对比可以发现，本控制系统运行后使低频振动 (< 600Hz)得到了有效的衰减，衰减幅值大于50%，使加工质量得到了有效提升。
[0060] 以上对本发明所提供的一种铣削加工振动的在线主动抑制方法进行了详细介绍， 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用 于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想， 在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本 发明的限制。
【主权项】
1. 一种铣削加工振动的在线主动抑制方法，该方法用于铣削加工振动的在线消减与主 动抑制，其特征在于： 该方法包括如下步骤： (1) 步骤1 :基于改进的频域LMS算法实现频域主动控制，每个控制循环只进行一次 FFT运算，无 IFFT运算，有效减少了控制时间，提高了控制效率； (2) 步骤2 :构造混合误差准则，将全局频域误差和特征频点误差相结合，有效提高了 控制算法的自适应性和抗干扰能力； (3) 步骤3 :在控制流程中加入预判断模块，有效防止局部最优及控制参数溢出造成的 硬件损坏与控制失效。2. 根据权利要求1所述的铣削加工振动的在线主动抑制方法，其特征为：优选的，所述 步骤1包括如下步骤： (1) 假设铣削振动控制的目标信号为D，控制器输出驱动参数为F，时域铣削振动信号 为y (t)，频域铣削振动信号为Y，误差信号为E，建立控制器的输入输出关系为： F = WX (D-Y) = WXE 其中，F是包含次级激励装置激励频率、幅值、相位信息的控制器输出驱动参数;W为控 制器的权值系数，根据误差大小不断的迭代更新优化在线频域振动信号Y ;误差信号E是由 目标频域信号D和在线频域振动信号Y相减得到； 除了在线时域振动信号y(t)以外，驱动参数F、目标信号D、在线频域振动信号Y以及 误差信号E均为频域信号，因此，一个控制循环只需对在线振动信号y (t)进行一次FFT运 算，无任何IFFT运算，有效保证了控制的时效性； (2) 控制器通过不断的迭代更新权值系数W，从而优化输出激励参数F使在线频域振动 信号Y不断的去逼近目标频域信号D ; 构造控制器权值系数的收敛方式如下： W (n+1) = W (η) - Δ ff (η) 其中，η为自然数，W(n+1)是第η+1步迭代中控制器的权值系数，W(n)为第η步迭代中 控制器的权值系数，Λ W(n)为n+1步迭代中权值系数的变化量，即梯度向量：其中，J为全局频域误差； 因此，控制器权值系数的迭代公式为： ff (n+1) =W(n) + riE(n) 其中，η为学习率，用于控制循环迭代过程的步长。3. 根据权利要求2所述铣削加工振动的在线主动抑制方法，其特征为： 所述步骤2包括如下步骤： (1)构造全局频域误差函数，用于评判在线振动频域信号与目标频域信号的距离，控制 器权值系数的迭代更新：其中，山为目标频域信号D中第i个元素的幅值i为在线频域振动信号Y中第i个 元素的幅值；η为目标频域信号D或在线振动频域信号Y离散采样后的频点个数；M · I I表 示求范数； (2) 构造特征频点误差函数，用于评判控制过程中在线频域振动信号Y中特征频点幅 值与目标频谱信号D中特征频点幅值的距离，用于实时反映特征频点处的控制效果；其中，4为目标频谱信号D中第k个特征频点的幅值；y k为在线频域振动信号Y中第k 个特征频点的幅值;m为特征频点的总个数；且山，dke D，y ;，yke Y，m < η ; (3) 综合全局频域误差J与特征频点误差1构造混合误差评价准则，作为控制迭代终 止的判定条件：如果全局频域误差J小于预先设定的目标精度pre_g，并且特征频点误差J n 小于预先设定的目标精度pre_n，则判定控制迭代终止； J ^ pre_g&Jn^ pre_n 其中，pre_g为预先设定的全局频域误差的目标精度；pre_n为预先设定的特征频点误 差的目标精度。4.根据权利要求1所述铣削加工振动的在线主动抑制方法，其特征为： 所述步骤3包括以下步骤： (1) 当控制器迭代循环首次达到目标精度后，赋予控制器输出驱动参数F -定的扰动 量，让其重新迭代，如果在扰动量叠加后二次收敛达到同一收敛状态，则判定此状态为全局 最优，迭代终止，如果在叠加扰动量二次收敛后与第一次收敛非同一收敛状态，则判定此状 态为局部最优，给控制器赋予新的初始参数重新启动控制循环： F2= F !+AF 其中，F1为首次达到目标精度后控制器输出的驱动参数，F2为对F1叠加扰动量后的驱 动参数，Λ F为扰动量，此扰动量由随机参数产生； (2) 在控制过程中实时监测控制器输出驱动参数的值，在输出给硬件装置之前，将其与 硬件装置的参数阈值进行实时比较，如若驱动参数的值小于硬件阈值，则正常输出给硬件 装置驱动次级激励装置；如若驱动控制的值大于硬件阈值，则对整个控制器重新附初值，重 新迭代循环，这样有效避免了非正常驱动参数对硬件装置的损坏， P Pthreshold 其中，F为控制迭代输出驱动参数，Fthrashcild为硬件装置的参数阈值。
【专利摘要】本发明公开一种铣削加工振动的在线主动抑制方法。首先，基于改进的频域LMS算法构造了频域在线主动控制架构。然后，推导了权值系数的迭代公式。再次，融合频点误差和全局频域误差，构造了一种混合误差收敛准则，用于控制算法权值系数的迭代更新和控制收敛点的判定。最后，以铣削加工工件的表面振动为控制目标，以大驱动力压电激励装置为次级激励源，实现铣削加工振动的在线主动抑制。该方法基于频域实现，一个控制循环只进行一次FFT运算，无IFFT运算，可有效保证控制效率。混合误差准则的构造，可在一定程度上有效提高算法的自适应性以及抗干扰能力。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105425586
【申请号】CN201510768344
【发明人】张兴武, 陈雪峰, 王晨希, 曹宏瑞
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月11日