一种新型的用于滚珠丝杠进给系统的抗扰跟随控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于滚珠丝杠进给系统高速高精控制的抗扰跟随控制器结构，具 有算法简单、控制参数物理意义明确且易调试等特点和具有较好的跟随性能、较高的抗干 扰能力、较强的鲁棒性等优点。
【背景技术】
[0002] 由于滚珠丝杠进给系统具有高刚性、高传动精度、对切削力和工件质量变动的低 灵敏度和高性价比等优点，被广泛的应用在现代的数控机床中。随着对工件加工质量和加 工效率要求的提高，对进给系统控制系统设计提出了更高的要求：不仅具有较高的瞬态和 稳态跟随精度，还必须具有较好的抗干扰能力和对高频建模不准确、参数变动（负载质量） 等的鲁棒性。
[0003] 为了获得较高的跟随精度，进给系统就必须具有较高的控制带宽，但是机械结构 的第一阶共振频率影响了其控制带宽的提高。到目前为止，很多控制策略被提出用来抑制 机械结构的共振，其中包括运动指令及控制信号的输入整形和陷波滤波器等。陷波滤波器 虽然能有效抑制机械系统的共振，但不能消除外部干扰对机械系统的激励作用，而且在一 定程度上会减小控制系统的相位裕度，影响其稳定性。此外，Hm控制、极点配置控制、滑模 控制以及预测控制等先进的控制策略也被用于进给系统的主动振动抑制，从而允许其控制 带宽的增加。但是这些控制方法算法比较复杂、控制参数调试困难或者依赖于系统的精确 模型，因此应用性比较差。
[0004] 自抗扰控制技术是由中国科学院数学与系统科学研究所系统所的韩京清研究员 及其领导的科研小组提出的。自抗扰控制是在深入认识经典控制理论与现代控制理论各 自优缺点的基础上，保留并发扬经典PID控制"基于误差消除误差"的思想精髓，借鉴现代 控制理论中状态观测器的思想发展而来的，其核心是将未建模动态和未知外扰总称为对象 的总扰动，利用扩张状态观测外进行实时的评估与补偿，从而实现动态系统的反馈线性化， 再利用非线性配置构成的非线性反馈控制率或者线性反馈控制率来提高闭环系统的控制 性能。由于自抗扰控制具有基本不依赖于对象的数学模型、较高的抗扰性、较强的鲁棒性和 较好的控制性能等优点，因此本发明在以前专利"一种进给系统双位置环反馈的抗扰控制 器"（【申请号】201410374191. 1)的基础上利用自抗扰的思想设计了一种新型的抗扰跟随控 制器结构，主要用于滚珠丝杠进给系统高速高精控制。
【发明内容】
[0005] 本发明专利的目的在于，实现了一种滚珠丝杠进给系统的抗扰跟随控制器结构， 主要用于进给系统高速高精控制。此控制方法具有算法简单、控制参数物理意义明确且易 调试等特点和具有较高的控制带宽、较高的抗干扰能力、较强的鲁棒性等优点。
[0006] 本发明采用的技术方案：
[0007] -种新型的滚珠丝杠进给系统的抗扰跟随控制器，所述控制器包括等效误差模型 前馈控制器、负载位置控制器、电机位置状态观测器、电机位置控制器和摩擦补偿控制器：
[0008] 所述的等效误差前馈控制器利用负载参考位置&和等效误差模型得到误差前 馈补偿指令xfe，并与负载参考位置&相加形成新的负载位置指令Xy
[0009] 所述的负载位置控制器利用负载位置指令&与负载实际误差e的比例积分值X% 之和通过电机位置指令生成器匕，再加上负载实际误差的比例值导到电机位置控制指 令Xmr;
[0010] 所述的电机位置状态观测器利用输入电机控制量U和电机的等效直线位置xM，评 估得到电机等效直线位置的评估值Zi、电机等效直线速度的评估值z2以及电机位置反馈环 的总扰动Z3;
[0011] 所述的电机位置控制器利用电机位置控制指令与电机实际位置之间的误差eM1 及其微分误差eM2设计比例微分反馈率，得到电机位置的控制量u。；
[0012] 所述摩擦补偿控制器利用负载参考位置指令的微分\和摩擦力模型f(v)得到摩 擦力补偿量f。
[0013] 优选的，所述的电机位置状态观测器通过线性扩张状态观测器LES0利用输入电 机控制量u和电机的等效直线位置xM，评估得到电机等效直线位置的评估值Zi、电机等效 直线速度的评估值Z2以及电机位置反馈环的总扰动Z3，其算法如下：
[0014]
[0015] 式中，b。表示电机位置反馈环中被控对象的控制增益，βuβ2,β3为观测器的增 益，通过合适的选择，使得< 4/，f为进给系统的总扰动，利用极点配 置的方法，把状态观测器的极点都配置在_ωΜ。处，因此=3以=3以,
[0016] 优选的，所述的电机位置控制器利用电机位置指令信号经过微分处理产生电 机速度指令信号，并与线性扩张状态观测器LES0得到的电机等效速度的评估值Ζ2相减得 到电机速度误差信号eM2;利用电机位置指令信号X"减去线性扩张状态观测器LES0得到的 电机等效位置的评估值ZJ#到电机位置误差信号eM1，进而设计线性反馈率得到电机位置 的控制信号u。;电机位置的控制信号u。减去线性扩张状态观测器LES0得到电机位置反馈 环的总扰动Z3，并经过具有参数化放大系统Ι/b。的比例放大环节得到输入电机的控制量u， 其中线性反馈率算法如下：
[0017] u〇=KpeM1+KdeM2
[0018] 式中，&，1^表示控制器增益，利用极点配置的方法，将控制器的所有极点配置 在-ωΜ。，故A：. =2>,,，其中ωΜ。表示控制器带宽，ζ表示阻尼比。
[0019] 优选的，所述的负载位置控制器利用负载位置指令^减去负载实际位置^得到 负载位置实际误差e，并对负载位置实际误差e进行积分、比例得到比例积分值X%，将比例 积分值与负载位置指令^相加得到新的负载位置指令XΜ负载位置指令Xm通过电 机位置指令生成器匕得到电机位置指令x?，并与负载实际误差e的比例（2.2)相加得到新 的电机位置指令，电机位置指令生成器可表示为：
[0020]
[0021] 式中，]^表示辨识的滚珠丝杠进给系统等效双质量模型中的负载侧的等效质量，k 表示辨识的等效刚度，c表示等效的粘性阻尼。
[0022] 优选的，所述的等效误差模型前馈控制器利用等效误差模型t和比例环节得到误 差的前馈补偿值1&，等效误差模型可表示为：
[0023]
[0024] 式中&表示积分增益，K%表示比例增益。
[0025] 本发明的另一种方案是：所述的电机位置状态观测器通过降阶线性扩张状态观测 器RLES0利用输入电机控制量u和电机等效直线位置xM评估得到电机等效速度的评估值 ZMR1以及电机位置反馈环的总扰动ZMR2;电机位置控制器利用电机位置指令信号的微分与降 阶线性扩张状态观测器RLES0得到电机等效速度的评估值ZMR1相减得到速度误差信号eM2; 利用电机位置指令信号减去的实测电机等效位置xμ得到电机位置误差信号eM1，进而设 计线性反馈率得到电机位置的控制信号u。;电机位置的控制信号u。减去降阶线性扩张状态 观测器RLES0得到电机位置反馈环的总扰动ZMR2，并经过具有参数化放大系统Ι/b。的比例 放大环节得到输入电机的控制量u;其中降阶状态观测器算法如下：
[0026]
[0027] 式中，Z。Z2是计算的中间量，b。表示电机位置反馈环中被控对象的控制增益有， β_β为观测器的增益，利用极点配置取I, =
[0028] 本发明的有益效果：
[0029] 本发明所提供的双位置环反馈的抗扰控制器，可以使进给系统具有较好的跟随性 能、较高的抗干扰能力和较强的鲁棒性，进而实现进给系统的高速高精控制，而且本控制器 基本不依赖于进给系统的数学模型，且控制参数物理意义明确易调整。因此，本抗扰控制器 具有比较广泛的应用。
【附图说明】
[0030] 图1是进给系统的抗扰跟随控制器的第一实施例的结构原理图，采用扩张状态观 测器评估总扰动；
[0031] 图2是进给系统的抗扰跟随控制器的第二实施例的结构原理图，采用降阶线性扩 张状态观测器评估总扰动；
[0032] 图3为本发明实施例中进行实例仿真所采用轨迹的位移图、速度图、加速度图与 加加速度图；
[0033] 图4是仿真得到工作台实际位置与理想位置之间的误差图；
[0034]图5是在负载惯量与等效刚度变化时利用P-PI控制器所得到的工作台实际位置 与理想位置之间的误差图；
[0035]图6为在负载惯量与等效刚度变化时，利用本发明控制器所得到的工作台实际位 置与理想位置之间的误差图；
[0036] 图7是单轴滚珠丝杠进给系统实验设置图；
[0037] 图8是实验得到的工作台实际位置与理想位置之间的误差图。
【具体实施方式】
[0038] 以下结合附图对上述方案做进一步说明。以下结合具体实施例对上述方案做进一 步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采 用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验 中的条件。
[0039] 实施例1
[0040]图1首先给出进给系统的抗扰跟随控制器的大体组成，采用不同于传统进给系统 位置环、速度环控制方式的的双位置反馈控制架构：内环以电机角位置等效位置信号χΜ作 为反馈信号，而外环通过负载位置信号k的反馈实现整个系统的闭环控制。此控制器具有 等效误差模型前馈控制器1、负载位置控制器2、电机位置状态观测器3、电机位置控制器4 和摩擦补偿控制器5,其中：
[0041] 电机位置状态观测器3通过线性扩张状态观测器LES03. 1利用输入电机控制量u 和电机的等效直线位置χΜ，评估得到电机等效直线位置的评估值Zi、电机等效直线速度的 评估值Z2以及电机位置反馈环的总扰动Z3，其算法如下：
[0042]
[0043] 式中，b。表示电机位置反馈环中被控对象的控制增益，βuβ2,β3为观测器的增 益，通过合适的选择，使得Z, 4i,i5Zu 4/，f为进给系统的总扰动，利用极点配 置的方法，把状态观测器的极点都配置在_ωΜ。处，因此/〗=3以=3<^..,，及..=以，：
[0044] 电机位置控制器4利用电机位置指令信号经过微分处理4. 3产生电机速度指 令信号，并与线性扩张状态观测器LES03. 1得到的电机等效速度的评估值&相减得到电机 速度误差信号eM2;利用电机位置指令信号减去线性扩张状态观测器LES03. 1得到的电 机等效位置的评估值ZJ#到电机位置误差信号eM1，进而设计线性反馈率得到电机位置的 控制信号u。;电机位置的控制信号（u。）减去线性扩张状态观测器（LES0, 4. 2)得到电机位 置反馈环的总扰动（Z3)，并经