一種關聯數據流的自適應控制方法及系統技術方案

本發明專利技術公開了一種關聯數據流的自適應控制方法與系統。本發明專利技術將軸的位置誤差與軸的時滯誤差解耦分離，每個軸的進給伺服系統處理該軸的位置誤差，采用時滯補償校正軸的時滯誤差，使關聯數據流的狀態流同步到達終點，實現多軸同步的自適應控制。本發明專利技術不關注強擾動、強耦合、多變量等復雜非線性因素所產生的機理與過程，而是關注這些復雜非線性因素所產生的綜合效應即動態時滯，所提出的自適應控制方法是開放的。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬先進控制領域。計算機數字控制技術以高精度伺服運動控制和多軸同步控制為主要特征，是數控設備、火炮、雷達以及陀螺導航等
的基礎性控制技術。本專利技術涉及多軸同步的自適應控制，針對被控對象的不確定性及其動態特性的變化，提出一種關聯數據流的自適應控制方法與系統。
技術介紹
所謂數字化就是將模擬量離散為"0"與"1"的數據流。所謂數字設備就是對輸入數據流進行數字處理以產生所需要的結果。因而，從數據流的觀點來看，任何數字設備都是數據流的合成裝置。數字電視將視頻與音頻的多維數據流合成為圖像與聲音協調一致的畫面，數控機床將X、 Y、 Z軸的多維數據流合成為運動軌跡，等等。對于多維數據流，在每個時序點上，如果數據流之間的"0""1"信息是相互依存的，這種耦合關系稱之為時序關聯性，其"0" "1"分布則稱之為該多維數據流在該時序點的狀態。相互之間具有時序關聯性的多維數據流稱之為關聯數據流。上述視頻與音頻的多維數據流和X、 Y、 Z軸的多維數據流都是關聯數據流。從關聯數據流的觀點來看，所謂關聯數據流的實時控制，例如X、 Y、…、Z軸的多軸聯動就是X、 Y、…、Z多維關聯數據流同時到達終點，即X、Y、…、Z多維關聯數據流的終點同步問題；高品質電視也涉及視頻與音頻的關聯數據流的終點同步問題。計算機數字控制技術以高精度伺服運動控制和多軸同步控制為主要特征，是數控設備、火炮、雷達以及陀螺導航等
的基礎性控制技術。5文獻《高性能運動控制在數控系統中的應用綜述》(載《信息與控制》，2003年第3期，中國自動化學會和中國科學院沈陽自動化研究所聯合主辦，作者王軍平，王安，敬忠良，陳全世)、《多軸協調運動中的交叉耦合控制》(載《機械設計與制造》，2006年第10期，遼寧省機械研究院主辦，機械設計與制造雜志社出版，作者叢爽，劉宜)綜述了多軸同步技術的現狀。在擾動、非線性、系統模型和參數不確定性的情況下設計高性能的伺服控制系統是高速高精度運動控制面臨的主要技術挑戰。時滯是工業過程中固有的特性，是物理系統中的最難控制的動態環節。現有進給伺服系統作為一個PID控制系統，其結構本身及其算法設計均依賴控制對象。機械系統的非線性外部擾動、摩擦力、軸的負載變化、軸的增益與時間常數不匹配等環境不確定性，系統模型的參數與結構的模型不確定性、進給速度與輪廓曲率變化的時變特性都影響時滯，從而改變軸的動態性能，產生輪廓誤差。而現有數字控制技術采用交叉耦合控制處理多軸同步問題，其技術手段都是采用建立系統模型與控制算法對輪廓運動的位置誤差進行實時補償，使多軸同時到達終點。交叉耦合指的是兩軸之間的交叉耦合， 一旦軸數增加，交叉耦合的組合數以指數遞增。因而，交叉耦合控制在處理兩軸以上的多軸同步問題時，必然面臨"組合爆炸"。現有數字控制技術的另一個技術難點在于，進給速度與輪廓曲率變化的時變特性難于和傳遞函數結合在一起進行分析，由此產生了速度規劃問題。許多研究工作試圖采用自適應控制(Adaptivecontrol)來處理多軸同步問題。然而，由于PID控制系統完全依賴于精確的數學模型，對不確定模型無能為力，傳統的自適應控制在實際應用中遇到了很大的困難。因此，突破傳統控制思想的約束，面向實際工業過程的特點研究發展各種對模型要求低、在線計算簡單方便、實時性好、控制效果佳的自適應控制技術，成為新的技術方向。摩擦力、軸的負載變化(在數控機床中主要是切削力的變化所導致的軸的負載變化)是影響多軸同步的主要因素。在現有數字控制系統中，要6求每個軸的數據流以給定的速度在同一時刻開始運動，即起始時刻必須同步，同時將速度的變化視為影響輪廓精度的間接原因。從關聯數據流的觀點來看，多軸不同步產生位置誤差的直接原因是，每個軸的動態時滯不同導致多維關聯數據流的終點不同步，從而產生位置誤差。數據流關聯控制抓住時滯是導致多軸不同步的直接原因，不關注影響多軸同步的那些非線性因素的內部機理與實際過程，而只關注這些非線性因素最終所產生的綜合效應即動態時滯的大小。因而，從關聯數據流的觀點來看，關聯數據流的終點同步問題實質上是一個關聯數據流的自適應控制問題，或者說，數據流關聯控制采用時滯補償，將多軸同步的自適應控制轉化為關聯數據流的終點同步控制。對于數字控制而言，時間控制本來是最簡單的。在現有數字控制系統中，時滯補償卻不能使用最簡單的時間控制，導致這一悖論的原因是，在現有數字控制系統中時間被鎖定為系統時鐘。現有數字控制系統采用時間分割法(又稱數字增量法)進行插補迭代控制，插補是其最重要的實時任務。公式er=(TF)，)描述了逼近誤差^與進給速度F和插補周期T、圓弧半徑r之間的關系。該公式指出，逼近誤差^與進給速度F和插補周期T的平方成正比。插補速度和插補精度成為現有數字控制系統最重要的技術指標，因而，提高插補速度是現有數字控制系統的首要目標。該公式說明，實時操作系統的插補周期作為系統時鐘，"大權獨攬，小權不放"， 一竿子插到底，設計、施工全包，而且是"邊設計，邊施工"。這樣一來，時間被插補周期鎖定，不是一個可控的外部變量，而是一個系統參數，現有數字控制系統因而成為一個強實時的高度剛性的非開放式系統，不能使用最簡單的時間控制，不可能提出關聯數據流的終點同步問題，不可能進行時滯補償，并產生了速度規劃問題。這是現有數字控制技術在實現自適應控制方面遇到很大困難的根本原因。
技術實現思路
本專利技術針對軸的負載變化、摩擦力變化產生的強擾動、強耦合、不確定性等非線性特性提出一種對關聯數據流實時進行終點同步的自適應控制方法與系統。本專利技術的思路是，關聯數據流通過閉環進給伺服系統或半閉環進給伺服系統(為敘述簡便，統而言之簡稱進給伺服系統)的加工后傳輸給軸。將軸與控制軸的進給伺服系統看作一個整體并視為信道，稱之為軸的控制信道。控制信息在控制信道中進行加工與傳輸必然要產生延遲，控制信道的時滯是引起位置誤差的主要原因，隨著高速加工時進給速度的提高而更加嚴重。數據流關聯控制將控制信道視為一個真正的"黑箱"，所需要的全部信息都包含在控制信道的輸入數據流與輸出數據流之中，不需要進給伺服系統內部任何有關加工過程的提示信息。數據流關聯控制還將控制信道的時滯視為控制信道所固有的特征值，進而歸結為軸的一個精細結構常數，稱之為軸的靜態時滯，并存儲在軸的結構常數數據庫中。顯然，軸的負載變化、摩擦力變化、進給伺服系統內加工過程的變化以及非線性外部擾動等因素都影響控制信道的時滯。換言之，在軸的運動過程中，控制信道的時滯是可變的，成為動態時滯。數據流關聯控制不關注上述強擾動、強耦合、多變量等復雜非線性因素所產生的機理與過程，而是關注這些復雜非線性因素所產生的綜合效應即動態時滯，通過對動態時滯的檢測與處理解決關聯數據流在復雜非線性環境中的終點同步問題，實現在復雜非線性環境中的自適應控制。本專利技術將軸的位置誤差與軸的時滯誤差解耦分離，也就是將多軸輪廓運動的位置誤差解耦為每個軸的位置誤差與每個軸的控制信道的時滯誤差。每個軸的進給伺服系統處理該軸的位置誤差。每個軸的進給伺服系統接收該軸的輸入數據流，通過反饋又接收該軸的輸出數據流到達終點時的8位置信息與時間信息，從而獲得軸的控制信道的靜態時滯。當軸的負載發 生變化、摩擦力發生變化、進給伺服系統內加工過程發本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種關聯數據流的自適應控制方法，其特征在于，包括以下步驟：　１）控制信息制造系統接收用戶程序，構建多軸關聯數據流和靜態時滯數據流，并傳輸給可編程數據流控制器；　２）可編程數據流控制器按照靜態時滯數據流設定的起始時刻將多軸數據流發 送給每個進給伺服系統；　３）進給伺服系統接收并執行多軸關聯數據流，將每個軸的動態時滯反饋給可編程數據流控制器；　４）可編程數據流控制器接收每個軸的動態時滯，構建動態時滯數據流，并按照動態時滯數據流設定的新的起始時刻將多軸數據流發 送給每個進給伺服系統；并重復步驟３）直至多軸關聯數據流發送完畢。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：江俊逢，
申請(專利權)人：江俊逢，
類型：發明
國別省市：94[]