激光切割機(jī)的傳動(dòng)控制可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)容摘要﹕一種先進(jìn)的位置跟蹤控制算法已經(jīng)研制出來了，并將其應(yīng)用在激光切割機(jī)的數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制器上。激光切割機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。彈性伺服機(jī)構(gòu)可以看成是一個(gè)彈簧連接的雙量機(jī)構(gòu)。由于存在彈力,摩擦力和干擾,利用可行的傳統(tǒng)的控制方法得到的閉環(huán)回路是有限的。因此, 利用可變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制理論推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)控制算法。算例分析表明文中有效控制抑制機(jī)械振動(dòng)和保證系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)牟淮_定性。因此,確保準(zhǔn)確的位置跟蹤。1 簡(jiǎn)介：對(duì)許多工業(yè)驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)動(dòng)控制的性能具有非常重要性。最高的利益是快速動(dòng)態(tài)行為與準(zhǔn)確軌跡跟蹤。如應(yīng)用在機(jī)床必須滿足這些高的要求。激光切割機(jī)也是，它要求快速運(yùn)動(dòng)快速且高準(zhǔn)確度。這篇論文講述了激光切割機(jī)的一種低成本的建立在有兩個(gè)自由度的二維笛卡爾表基礎(chǔ)上的運(yùn)動(dòng)控制算法(圖1)。激光切割機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由有一個(gè)正時(shí)帶的帶傳動(dòng)組成的。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的正時(shí)帶具有吸引力是因?yàn)樗哂懈咚俣?、高效、遠(yuǎn)距離行進(jìn)和低成本特性(霍斯,1996) 。另一方面,他們產(chǎn)生較多的不確定的動(dòng)態(tài)和更高的傳動(dòng)誤差。因此,傳動(dòng)帶遭受較低的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。此外,帶傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)包括很多諧振頻率，即反饋控制中的不穩(wěn)定因素。因此,傳統(tǒng)的控制方法像比例積分控制、比例微分控制或比例積分微分控制未達(dá)到可接受的性能。設(shè)備參數(shù)的變化、不確定的動(dòng)態(tài)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的干擾,以及機(jī)械振動(dòng)是必能保證系統(tǒng)的強(qiáng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)的高性能的因素。在這片論文中講述了一種先進(jìn)的穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制方案,內(nèi)容涉及到正時(shí)帶驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制?？刂品桨甘窃谶\(yùn)動(dòng)控制算法的基礎(chǔ)上由詰責(zé)尼克、科克和哈尼克1994年研制出的。用變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(VSS)理論使其得到了強(qiáng)健的抵御與一個(gè)名義上的對(duì)象模型有關(guān)的干擾的性能。漸近線的擾動(dòng)的估算是控制方案的關(guān)鍵的部分。 然而,就像文章指出, 因?yàn)槭菫閯傂詸C(jī)器人機(jī)制而研制的故不是穩(wěn)定諧振帶動(dòng)力學(xué)。因此,介紹了一種改進(jìn)后的會(huì)出現(xiàn)非剛性、彈性傳動(dòng)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制方案。因此,保證其低位置跟蹤誤差的快速反應(yīng)。本文陳述如下。激光切割機(jī)的陳述和控制系統(tǒng)模型機(jī)械傳動(dòng)在文章的第二節(jié)。在第三節(jié),對(duì)于關(guān)于系統(tǒng)彈性伺服機(jī)構(gòu) 可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制進(jìn)行了深入探討,并對(duì)運(yùn)動(dòng)的起源控制方案進(jìn)行了闡述。第四節(jié)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果和后續(xù)討論。摘要在第五部分總結(jié)和歸納了。2.模型控制2.1 .機(jī)床的描述激光切割機(jī)包括XY工作臺(tái)和激光系統(tǒng)（如圖1）。激光系統(tǒng)的基本組成﹕●因此沒有考慮運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)所以電源設(shè)備被放置在后臺(tái)﹔●激光束來源即產(chǎn)生激光束(激光器) ﹔●激光頭即引導(dǎo)激光到理想的剖切面。必須移坐標(biāo)軸且與放置激光頭在水平面里。采用兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這樣的水平面。他們提供沿卡迪爾XY軸和Z軸移動(dòng)。X軸傳動(dòng)使激光頭沿X軸方向的運(yùn)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)﹑激光頭以及激光器放置在橋接器上,以確保激光束有一條高品質(zhì)的光路徑。Y軸運(yùn)動(dòng)是由Y傳動(dòng)提供的。激光頭代表X驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷, 它負(fù)載了全部X驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括激光頭和激光器，而Y驅(qū)動(dòng)由電機(jī)來負(fù)載。 這些負(fù)載在無阻力的滑動(dòng)面滑過。定位系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器,放大器,直流電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。X驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由一變速箱以及帶傳動(dòng)(圖2)。 當(dāng)帶傳動(dòng)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)變速箱降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。帶傳動(dòng)由正時(shí)帶和兩個(gè)滑輪組成﹕讓皮帶運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪。Y驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)更為復(fù)雜。沉重的橋接器由兩條平行傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng);每個(gè)橋面都連接到其中一個(gè)傳動(dòng)帶上。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過減少馬達(dá)的速度的傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)和變速箱來帶動(dòng)的主動(dòng)輪與傳動(dòng)系聯(lián)系。2 .2 假設(shè)這臺(tái)機(jī)器驅(qū)動(dòng)代表一個(gè)復(fù)雜的非線性分布參數(shù)系統(tǒng)。高階系統(tǒng)擁有多項(xiàng)的能被驅(qū)動(dòng)器的階躍響應(yīng)觀測(cè)到的共振頻率(見第4部分)。根據(jù)控制設(shè)計(jì)觀點(diǎn),困難產(chǎn)生于在所要控制帶寬(~ 10赫茲)出現(xiàn)的機(jī)械振動(dòng)。另一方面,設(shè)計(jì)目的是得到一個(gè)高性能控制系統(tǒng)的同時(shí)降低控制器復(fù)雜性。因此,一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型將只考慮它的一階共振,而忽視了高階動(dòng)態(tài)。換句話說,控制設(shè)備的設(shè)計(jì)模型將密切配合真正系統(tǒng)頻率響應(yīng)直到第一階共振。其次,控制器設(shè)計(jì)應(yīng)充分地應(yīng)對(duì)多諧振峰值的大幅下降直到保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性的情況下的高階共振。因此,根據(jù)信號(hào)分析與驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn),假設(shè)可制定為如下:●在電流控制方式里直流伺服系統(tǒng)的運(yùn)作確保在電機(jī)軸上有一個(gè)忽略的時(shí)間常數(shù)的高動(dòng)態(tài)扭矩?！褡兯傧淅锏男￠g隙和取決于應(yīng)用拉伸的正時(shí)帶的帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙是可以忽略不計(jì)的。●電機(jī)軸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)輪的剛性關(guān)聯(lián)是可采用的。●相對(duì)其他傳動(dòng)系統(tǒng)中的部件從動(dòng)帶輪的慣性是可以忽略不計(jì)的。用以上假設(shè),動(dòng)態(tài)模型將縮減至一個(gè)有兩個(gè)傳動(dòng)輪的只包含一階共振的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在控制設(shè)計(jì),由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性都比較低，負(fù)載的不確定的位置必須加以考量。沒有注意到的耦合的動(dòng)力學(xué)Y軸傳動(dòng)由于平行傳動(dòng),因此,雙履帶傳動(dòng)可看成同級(jí)別的單履帶傳動(dòng)。3.運(yùn)動(dòng)控制算法由于錯(cuò)誤的不確定的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的的控制模型的要求,提出了一種魯棒控制律。傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)保證了不確定模型系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性,即它已被證明在傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論,就是閉合回路決定于移動(dòng)方式的選擇。傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的目標(biāo)控制設(shè)計(jì)是找到一個(gè)控制輸入,這樣的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)僅局限于滑動(dòng)方式。如果系統(tǒng)的狀態(tài)是局限于滑動(dòng)方式然后一移動(dòng)的模型的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的方法利用不連續(xù)的切換控制保證了滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)在滑模面里?；Ｃ媸怯刹皇芟到y(tǒng)中的不確定性影響的降階系統(tǒng)控制的。因此,滑模面不受擾動(dòng)和參數(shù)變化的影響(Utkin,1992年)。傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制的主要部分是它的不連續(xù)控制作用?？刂齐姍C(jī)驅(qū)動(dòng)電源轉(zhuǎn)換裝置是正常的。在這種情況下,傳統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間/不連續(xù)傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制方法可以得到了成功的應(yīng)用。然而,在很多不連續(xù)傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的控制應(yīng)用程序都失敗了還發(fā)生震動(dòng)。振動(dòng)在力學(xué)系統(tǒng)里是一個(gè)不良的現(xiàn)象，因?yàn)樗蟮牟僮鞑荒軐?shí)現(xiàn)，更糟糕的是伺服系統(tǒng)的機(jī)械零件都有可能被弄?dú)?。震?dòng)的主要原因是忽略高階控制裝置動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、傳感器噪聲,還有在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)里的計(jì)算機(jī)離散時(shí)間的實(shí)施。因?yàn)閭鲃?dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制的主要目的就是抵制干擾及系統(tǒng)的未知干擾參數(shù)，如果擾動(dòng)具有足夠的補(bǔ)償就有必要使不連續(xù)的反饋控制消失,例如通過使用干擾估計(jì)。詰責(zé)尼克已經(jīng)開發(fā)了一種實(shí)現(xiàn)機(jī)械剛性原理通過結(jié)合常規(guī)傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制理論及干擾估計(jì)的方法的控制算法。然而,忽視了分散或者集中應(yīng)力的存在的剛體假設(shè)會(huì)使轉(zhuǎn)換裝置的控制輸入頻率引起與忽略的模型共振。此外,在離散系統(tǒng)里的不連續(xù)控制不能保證滑模面,取而代之的是采用連續(xù)控制。為避免與為建模動(dòng)力學(xué)和震動(dòng)有關(guān)的不連續(xù)反饋控制相關(guān)的問題不再是至關(guān)重要的。震動(dòng)是一個(gè)不重要的問題。設(shè)備里控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置，它有兩種可能的有限的帶寬:執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶寬超出所要求的閉合回路的帶寬,或者,想要的閉合回路帶寬超出了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶寬。在第一種情況里,制動(dòng)器動(dòng)力學(xué)將會(huì)被認(rèn)為是非模型動(dòng)力學(xué)。因此,該滑?？刂撇捎貌贿B續(xù)傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制不能實(shí)行,因?yàn)榭刂圃O(shè)備輸入是連續(xù)的。因此,干擾估計(jì)方法者優(yōu)先考慮,而不是傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制抑制擾動(dòng)。在第二種情況下,驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力學(xué)是與設(shè)備合并在一起的。在滑膜里與抑制擾動(dòng)和靈敏度的參數(shù)的變化相一致的情況是違反的。因?yàn)檠b置具有的主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)之間插入物理輸入和控制器的輸出。當(dāng)為抵消的干擾存在于傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不能保證不變滑模面。這一限制可以輕松通過引入高階滑?？刂凭褪嵌喾N滑模的選擇,以便相關(guān)的傳遞函數(shù)有一個(gè)相對(duì)階數(shù)大于一。這樣的一種控制方案已被用于很多最近發(fā)展起來的傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)里，如在巴圖里尼、費(fèi)拉拉和埃塞里。后來,二階滑模控制被調(diào)用來創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)控制器通過在一種派生的控制輸入上短暫的不連續(xù)控制作用消除了抖振問題。該系統(tǒng)將被給定的方程式控制。圖(1)-(5)和系統(tǒng)輸出是負(fù)載的位置。控制目標(biāo)是位置的軌跡跟蹤。本文提出控制算法根據(jù)詰責(zé)尼克提出的傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)控制理論被發(fā)現(xiàn)了。因?yàn)閺椥詡鲃?dòng)機(jī)構(gòu)和制動(dòng)器的帶寬很相像所以傳統(tǒng)的傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制算法未能實(shí)現(xiàn)規(guī)定的控制目標(biāo)。因此,本文中所出現(xiàn)的系統(tǒng)的魯棒軌跡跟蹤控制算法已經(jīng)派生的用到在二階滑?？刂评铩榱讼墩駟栴}和保存的魯棒性,控制算法采用連續(xù)控制方法。根據(jù)傳動(dòng)控制變可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制干擾的估計(jì)方法,將會(huì)發(fā)現(xiàn)所提出的運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算的干擾估計(jì)特性與詰責(zé)尼克的控制算法相似。此外,所提出的控制算法考慮了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力,以期重塑這些低度阻尼致動(dòng)器的帶寬。因此,本文提出的運(yùn)動(dòng)控制器由一種在外回路的魯棒位置追蹤控制器和在內(nèi)回路的振動(dòng)控制器組成。