1 引言

　　數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石。它的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平已經(jīng)是衡量一個(gè)國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志。為了提高加工精度和加工效率，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)必須具有較高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度。具有高速反應(yīng)能力的直線伺服進(jìn)給系統(tǒng)一“零傳動(dòng)”方式便應(yīng)運(yùn)而生。

　　直線電機(jī)伺服系統(tǒng)與傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”進(jìn)給方式相比，雖然消除了機(jī)械傳動(dòng)所帶來的一些不良影響，但卻增加了控制的難度。直線交流伺服電動(dòng)機(jī)具有耦合性、非線性、負(fù)載擾動(dòng)、時(shí)變不確定性等，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，使用常規(guī)的PID控制器難以達(dá)到理想的控制效果。而模糊控制是一種語言控制，不依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，能夠直接從操作者的經(jīng)驗(yàn)歸納、優(yōu)化而得到，而且適應(yīng)能力好、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好。本文將模糊控制應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的位置伺服中，將模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，就能夠有效地解決模糊控制存在穩(wěn)態(tài)誤差的缺陷。

2 直線永磁同步電機(jī)

　　直線伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以永磁直線電機(jī)和直線感應(yīng)電機(jī)為主。直線永磁電機(jī)和直線感應(yīng)電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但隨著鐵硼(NdFeB)等高磁能積、高矯頑力磁性材料的出現(xiàn)，永磁直線電機(jī)更適合用于直線伺服單元驅(qū)動(dòng)。

　　根據(jù)直線永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并忽略一些次要因素，可以建立直線進(jìn)給單元的傳遞

3 數(shù)控機(jī)床的位置控制

　　數(shù)控機(jī)床的直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。該伺服系統(tǒng)還是采用傳統(tǒng)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，分別為位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三部分。系統(tǒng)輸入為上位機(jī)發(fā)送的位置指令，輸出為直線電機(jī)的位移。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)速度來控制位移。

　　其中，電流環(huán)的作用是穩(wěn)定電流。即在加速中，始終保持允許的最大電流，提高系統(tǒng)快速性；抑制電流環(huán)內(nèi)部的擾動(dòng)，主要是來自電網(wǎng)的擾動(dòng)；限制過大的電流，確保安全。速度環(huán)的作用是穩(wěn)定速度。即使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；抑制速度環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)，主要是負(fù)載的擾動(dòng)。位置環(huán)的作用是保證直線電機(jī)的位移跟蹤上位機(jī)發(fā)送的位置指令，要求要有高的快速響應(yīng)能力和好的穩(wěn)態(tài)精度。

　　傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，位置調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器。經(jīng)過簡(jiǎn)化后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。在速度器的輸出端配置有一個(gè)低通濾波器，是用來消除由于干擾引起的存在于速度調(diào)節(jié)器輸出中的高頻雜波信號(hào)。

4 模糊控制器設(shè)計(jì)

　　通過Simulink仿真可以發(fā)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)器比例增益是。對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。對(duì)于一個(gè)確定的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)在保證系統(tǒng)穩(wěn)定和不超調(diào)的情況下，盡可能的取大的位置環(huán)增益k_p，以提高系統(tǒng)的加工輪廓精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。但是由于耦合性、非線性、負(fù)載擾動(dòng)等的影響，直線交流伺服電動(dòng)機(jī)的模型參數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)不再保持原有的良好性能。例如：當(dāng)負(fù)載質(zhì)量增大，原系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，且容易出現(xiàn)超調(diào)。為了提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，位置調(diào)節(jié)器采用基于模糊控制理論設(shè)計(jì)的自調(diào)整參數(shù)的PID控制器，從而實(shí)現(xiàn)過程的自適應(yīng)控制。

　　4.1 位置調(diào)節(jié)器比例增益k_p自整定原則

　　模糊自整定位置調(diào)節(jié)器比例增益控制器是利用模糊理論建立位置比例增益變化△尼。與控制偏差e和偏差的變化率ec間的二元關(guān)系，并根據(jù)輸人e和ec自整定控制器的參數(shù)△kp，再用△尼。來修正kp。實(shí)際應(yīng)用中，模糊推理過程通過查表來實(shí)現(xiàn)。

　　針對(duì)不同的控制偏差e和偏差的變化率ec，歸納出△kp的整定原則：

　　4.2 模糊規(guī)則表的建立

　　自適應(yīng)模糊控制器采用e和ec為輸人語言變量，△愚。為輸出語言變量，e和ec、△kp的模糊集均為(NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB)，論域均為(-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6)，隸屬函數(shù)均為三角函數(shù)。

5 仿真結(jié)果與分析

　　Matlab軟件中的Simulink模塊已成為控制領(lǐng)域解決非線性系統(tǒng)建模、分析的理想工具。本文在Simulink環(huán)境中，建立了以直線電機(jī)為伺服執(zhí)行元件的自適應(yīng)模糊位置控制系統(tǒng)的仿真模型。仿真實(shí)驗(yàn)中，本文所采用的直線電機(jī)參數(shù)為力常數(shù)k_f=16.63Nm／A，質(zhì)量m=20kg，粘滯阻尼系數(shù)B=10-5N.S／m，電樞電阻R_a=7.7Ω，電樞電感L_a=2.94mH，電樞時(shí)間常數(shù)T₁=0.38ms，機(jī)械時(shí)間常數(shù)T_m=0.012ms，電流環(huán)比例增益K_pi=1200，速度環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)T_σv=800肛s速度環(huán)比例增益K_v=1200，積分時(shí)間常數(shù)τ=0.126s。

　傳統(tǒng)比例位置控制和模糊控制下，當(dāng)負(fù)載為13kg時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。為傳統(tǒng)比例位置控制和模糊控制下，當(dāng)負(fù)載為17kg時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線?？梢钥闯?，模糊控制下的系統(tǒng)響應(yīng)速度比傳統(tǒng)比例位置控制下的系統(tǒng)響應(yīng)快，還可以看出，負(fù)載增大后，傳統(tǒng)比例位置控制下的系統(tǒng)響應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)了超調(diào)，而模糊控制還沒有。既要響應(yīng)快，又要沒超調(diào)，這在傳統(tǒng)比例控制下是做不到的，但模糊控制做到了。同時(shí)當(dāng)負(fù)載超過17kg，傳統(tǒng)比例位置控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)，而模糊控制還能適應(yīng)，這也反映模糊控制系統(tǒng)的適應(yīng)性增強(qiáng)。

6 結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的模糊控制器，其算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。通過仿真結(jié)果表明，該智能高速進(jìn)給控制器提高響應(yīng)速度的同時(shí)，改善了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。能夠適用于高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)。