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數控機床上運用智能控制器的設計及各部件的介紹(2)
閱讀：181 發(fā)布時間：2020-8-12
3. 2 仿真結果與分析
Simulink 環(huán)境中,建立了以直線電機為伺服執(zhí)行元件的自適應模糊位置控制系統(tǒng)的仿真模型( 圖5) .
仿真實驗采用美國Par ker 公司SL 系列電機為研究對象.該直線電機和控制系統(tǒng)參數為: 力常數k = 16. 63N m/ A, 質量 m= 20kg, 粘滯阻尼系數B
= 10- 5N. S/ m,電樞電阻Ra = 7 1 7 歐, 電樞電感L a= 2 1 94mH, 電樞時間常數 T1 = 0 1 38ms, 機械時間常數T m= 0 1 012ms,電流環(huán)比例增益K pi = 1000, 速度環(huán)濾波時間常數Tov = 800Ls,速度環(huán)比例增益K v= 1200,積分時間常數S v = 0 1 126s.仿真時隨機取負載質量為17kg .
仿真結果如圖 6、 圖 7 所示. 從圖 6 可以看出:采用模糊控制后的系統(tǒng)響應變快,并且不容易產生超調.負載為 17kg 時, 傳統(tǒng)控制已出現較大超調,但模糊控制還沒出現. 精密數控機床是不允許出現超調的,一旦出現, 產品將成為次品.但是模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差比傳統(tǒng)誤差大,分析原因,主要是在設置模糊規(guī)則的時候, 為了在負載較大時,響應依舊不出現超調,當誤差為PS 時, $ kp 為ZO 或PS,相對應的kp 值較小,穩(wěn)態(tài)誤差自然大.從圖7 可以看出:自調整位置增益模糊控制后系統(tǒng)的跟隨性比傳統(tǒng)控制好.
5 模糊控制器調整
為了減小穩(wěn)態(tài)誤差,考慮位置控制器加入積分環(huán)節(jié).但如果簡單地加入一個普通積分環(huán)節(jié),通過仿真發(fā)現,在減小穩(wěn)態(tài)誤差的同時,系統(tǒng)比原來的模糊控制容易出現超調.基于以上考慮,設想積分系數也用模糊控制器來調節(jié), 以便達到期望的效果.則模糊控制器結構變?yōu)閳D 8所示.
$ki 的模糊集、 論域、 隸屬函數與 $kp 的一樣,針對不同的控制偏差 e 和偏差的變化率ec ,歸納出$K i 的整定原則:
? 在響應初始, 誤差較大. 為了避免形成大的積分,到后面引起超調,積分系數要適中.
? 在響應接近穩(wěn)態(tài)值時,誤差較小, 為了消除靜差,積分系數要適當取大些.
? 當e< 0 且ec< 0,說明響應產生超調,且朝著遠離目標值發(fā)展,這時積分系數要小,避免超調進一步嚴重; | e| 越大,積分系數越小.
? e< 0且 ec> 0,說明響應產生超調,但正朝著目標值發(fā)展,這時可以有一個中等偏小的積分系數, 以減小穩(wěn)態(tài)誤差.
? e> 0且 ec> 0,說明響應小于目標值,并朝著遠離目標值發(fā)展,這時積分系數要取大, 使響應盡快回到目標值.
則整定 $ki 模糊控制規(guī)則如表2 所示.
再次通過Simulink 仿真,仿真模型的模糊控制器部分改為圖9 所示,其它部分同圖 5.仿真時負載質量取17kg ,圖10 為仿真結果.
從仿真結果可以看出, 位置控制采用自調整$ kp 和$k i 的模糊控制器后,階躍響應速度快, 超調小,可以適應較大的負載,并且穩(wěn)態(tài)誤差小.
6 結論
本文設計直線電機進給系統(tǒng)的模糊控制器,自整定 $ kp 和模糊控制器提高了系統(tǒng)速度, 降低超調, 但穩(wěn)態(tài)誤差大. 將控制器調整為同時整定 $kp和$k i 的模糊控制器, 則系統(tǒng)在提高響應速度的同時, 減小了穩(wěn)態(tài)誤差, 并在負載較大時, 依舊不出現超調,相當于提高了系統(tǒng)抗負載擾動的能力.所以模糊控制能夠適用于高速數控機床直線進給伺服系統(tǒng).
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