數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的分析及MATLAB仿真文學(xué)理論

1、非筆試課程考核報告（以論文或調(diào)研報告等形式考核用）2013至2014學(xué)年第2學(xué)期考核課程：系統(tǒng)建模分析與仿真提交日期：2014年6月23日報告題目：數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的分析及MATLAB/simulink 仿真考核成績考核人姓名XXXXXX學(xué)號2013070105年級13 級研究生專業(yè)機械電子工程所在學(xué)院機電工程學(xué)院山東建筑大學(xué)研究生處制數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的分析及MATLAB/simulink仿真摘要 ：現(xiàn)在數(shù)控機床進給速度和加工效率不斷提高，這務(wù)必會使擾動作用加大使伺服進給精度降低，本文分析了擾動作用下數(shù)控進給系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，并提出了用前饋補償控制的方法消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施。通過 simu

2、link 仿真驗證此措施的正確性。關(guān)鍵詞 ：進給系統(tǒng)；穩(wěn)態(tài)誤差；simulink引言進給系統(tǒng)是數(shù)控機床最重要的組成部分，直接影響數(shù)控機床的性能。數(shù)控機床對進給系統(tǒng)的性能指標可以歸納為：定位精度要求高、跟蹤指令信號的相應(yīng)要快、系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好1 ?？梢姸ㄎ痪仁呛饬窟M給系統(tǒng)性能的重要指標。進給系統(tǒng)在理想狀態(tài)的定位精度也是系統(tǒng)的穩(wěn)定性能指標伺服精度，因此，研究進給系統(tǒng)的伺服精度十分重要。本文將用控制系統(tǒng)的分析方法來討論數(shù)控進給系統(tǒng)的伺服精度。1、數(shù)控機床的軌跡控制原理數(shù)控機床的軌跡控制由插補器和進給伺服系統(tǒng)完成。如圖1 是二坐標機床結(jié)構(gòu)圖。數(shù)控加工程序定義了工件輪廓的形狀F(X,Y) ( 直線、圓

3、弧、樣條等) 、起點Pb 、終點 Pe 和進給速度F。插補器根據(jù)這些指令 , 實時計算出輪廓控制點的位置Pi( Xi, Yi) 。 Xi和 Yi 是時間序列函數(shù)，i = 0 , 1 , 2 。Xi 和 Yi 是進給系統(tǒng)輸入的指令值，分別控制機床X ， Y 軸方向的移動。F（ x， y）， pb， pe，F(xiàn)插補Xi ， Yi位 置 控控制工作臺按工 作器制器程序設(shè)定軌跡運動臺圖 1二坐標機床控制原理圖本文重點研究的是插補器后面的進給系統(tǒng)的伺服精度。2、進給系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述（ 1）典型伺服進給系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)這里以由晶閘管控制直流電動機驅(qū)動，并采用直流位移檢測器為位置檢測元件的雙閉環(huán)伺服進給系統(tǒng)進行討論

4、。分為：比較環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器、檢測環(huán)節(jié)（位置檢測、速度檢測）、整流環(huán)節(jié)、伺服電動機、機械傳動環(huán)節(jié)，直流電動機伺服驅(qū)動的伺服系統(tǒng)原理如圖2， y),pb,pe,F位置 調(diào)位 置調(diào)整流-節(jié)器節(jié)器裝置-速度檢測位置檢測伺服 電機械傳動X動機圖 2 伺服系統(tǒng)原理圖（ 2）進給系統(tǒng)傳遞函數(shù)對進給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述，實際上就是首先建立系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，然后求出整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。這里以直流伺服電機驅(qū)動和直線位移檢測器為反饋元件的閉環(huán)伺服系統(tǒng)為例，建立數(shù)學(xué)模型，得出進給系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2，進給系統(tǒng)的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。R(s) +X(s)G1 (s)Gs(s)G2(s)G2(s)1/sGJ(s)

5、第 1 頁共 5頁H v(s)-H p(s)圖 3 進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3中：G1(s)=k 1， Gs(s)=k 2G s(s)=k n， Hp(s)=k p， Hv(s)=k v， G2(s)=k 2k02'kAGJ (s)ns 2ns+ n2， G A ( s)TAs2TM s 1根據(jù)進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2G( s)k0k1k Akn n5(Tm42kV kAkn 2TM32(k1kA kv22TAs2TA n ) s(TA nn1)s1) ns k pk0k1kAknn 其中：iL sksf skMJMLMJRfMLAk 0; n; kA; TA;TMM A2J

6、s2 JsksRA fMkE kMRA f MkE kMRA fMkE kMk1 為位置調(diào)節(jié)器增益；kp 為位置反饋系數(shù)；kn 為速度放大器增益；kv 為速度反饋系數(shù)； km 為電動機的力矩系數(shù)； ks 為機械傳動郊件的扭轉(zhuǎn)剛度；kE 為電機的反電動勢系數(shù)；L A 為電樞回路電感；RA 為電樞回路總電阻； JM 為電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量；Js 為絲杠的折算轉(zhuǎn)動慣量；fm 為電動機粘性阻尼系數(shù)；fs為阻尼系數(shù)； Ls 為絲杠的導(dǎo)程。從控制論可知， 高階系統(tǒng)過渡過程的數(shù)學(xué)表達式是由一些指數(shù)項和衰減項組成。如果在這些表達式中，有一些項的影響很小，可以將其忽略，則這個系就可以用一個低階系統(tǒng)來近似。在工程上

7、，通常把高階系統(tǒng)近似于一階系統(tǒng)或二階系統(tǒng)。對于上述的數(shù)控進給系統(tǒng)，直線電動機可取LA = 0，則 RA=0；機械傳動裝置可以忽略折算慣量Js 和折算阻尼fs，則 G J (s)k0iL s 。所以上述進給系統(tǒng)可近似為2一個二階系統(tǒng)。該系統(tǒng)的方框圖如圖4所示 。R(s)1/fpG2' ( s)X(s)+圖 4 近似系統(tǒng)方框圖圖 4 中 G2' ( s)k0 k1 kA kn kps(kA kvkn s 1)TM s23 擾動作用下進給系統(tǒng)的伺服精度分析進給系統(tǒng)伺服精度是指系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時指令位置與實際位置的偏差，反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量，用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。影響伺服精度的因素有兩類，一是位置

8、測量誤差，二是系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤 差與輸入信號的形式和大小 、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。在進給系統(tǒng)中常用兩種典型的輸入信號：位置階躍輸入第2頁共5頁和斜坡輸入。除上面兩種給定的輸入信號外，作用于系統(tǒng)的信號還有擾動輸入伸。在這里主要討論擾動輸入時進給系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。根據(jù)控制工程理論，線性系統(tǒng)在正常輸入和擾動輸入下的輸出符合線性系統(tǒng)的疊加原理。故求擾動信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差時，可令 R ( s ) = 0 ，便 可求得擾動信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 essN,圖 5 即為擾動信號作用下進 給系統(tǒng)的框圖。圖 5 擾動存在時系統(tǒng)框圖圖5中：G1 (s)=k p； G (s)k0k1kAkns( kA kvkn s

9、1)TM s2由 E(s)=R(s)-X(s) ， R(s)=0 ，可得 E(s)=-X(s)有圖 5 所示的框圖可得：X( s)G2 (s)（ 1）N (s)1 G1 (s)G2 (s)即 X(s)=G2 ( s)N ( s)（ 2）1 G1( s)G2 ( s)可求得擾動作用下進給系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差：essNlim sG2(s)N (s)G2(s)（3）G (s)GlimN (s)x 0 1(s)x 0 G (s)G(s)1212essNlim s1N ( s)（ 4）G1( s)x 0結(jié)果表 明在擾動輸入下，進給系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差的大小與負載擾動作用點前的傳遞函數(shù)的放大倍數(shù)成反比。4、擾動作

10、用下進給系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的消除從上面的分析可知，進給系統(tǒng)擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差只與擾動作用點之前的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。至于擾動作用點后的增益的大小與是否有積分環(huán)節(jié)，它們均對減少或消除擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差沒有影響。要減小或消除擾動輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差，必須增加擾動點以前的控制器放大倍數(shù)或設(shè)置積分環(huán)節(jié)。對于本文給出的數(shù)控進給系統(tǒng)，當(dāng)存在擾動輸入 N ( s ) 時，可以采 用前饋控制來消除擾動輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差。如圖6 所示，把擾動輸入 N ( s ) 經(jīng)補償裝置 G(s)送到輸入端與給定輸入信號共同控制系統(tǒng)，即實現(xiàn)前饋控制。第3頁共5頁圖 6 前饋控制系統(tǒng)框圖圖中 Gc(s)為前饋補償控制器在沒有輸入的情況下

11、可以將系統(tǒng)框圖等效為如圖7 所示N(s)X （）-G2（s）-Gc（s）G1（s）G1（s）圖 7等效形式由圖 7 可得：G e (s)G2 (s)1 G1 (s)Gc (s)（ 5）1 G1 (s)G2 ( s)1時， Ge( s ) =0，即擾動作用下穩(wěn)態(tài)誤差為零?？梢娡ㄟ^前饋控補償由式（5）可知，當(dāng) Gc ( s)G1 (s)后，系統(tǒng)的誤差大大減少。5、擾動作用下進給系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除的SIMU/LINK 動態(tài)仿真根據(jù)圖5 所示的系統(tǒng)結(jié)果框圖，取G1(s)=10 ， G 2 (s)1s2,首先分析其穩(wěn)定性，借助 MA TLABs 1工具畫出其根軌跡如圖8 所示。圖 8 根軌跡圖分析圖 8

12、可知進給系統(tǒng)為穩(wěn)定的，然后可以建立進給系統(tǒng)的S I M U L I N K仿真模型如圖9 所示。第4頁共5頁圖 9 沒有前處理擾動作用下的 simulink 仿真模塊根據(jù)圖6 進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，建立引入前饋控制后進給系統(tǒng)的仿真模型，如圖10 所示。在 圖 7中引入P I D 環(huán) 節(jié)作 為 前饋 控 制器 ，選 取 K p = 0.1 ， K I = 0 ， K D = 0 以滿足 Gc( s ) =1/G 1( s )圖 10 前處理后擾動作用下的simulink 仿真模塊比較圖9 和圖10 中 Dispay 輸出的結(jié)果可見采用前饋補償后進給系統(tǒng)的伺服精度得到了很大的提高。6 結(jié)論利用控制工

13、程原理，對進給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行了簡化。對擾動作用下進給系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差進行了分析 ，得出了擾動作用下進給系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及在擾動作用下穩(wěn)態(tài)誤差與進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)之間的關(guān)系，并提出了用前饋控制的方法消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施。通過S IMULINK仿真進一步驗證了此方法的正確性。參考文獻【 1】王愛玲，白恩遠，等 現(xiàn)代數(shù)控機床 M 北京：國防工業(yè)出版社，2003【 2】艾興，等 高速切削加工技術(shù) M 北京：國防工業(yè)出版社，2004【 3】楊有君數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機床 M 北京：機械工業(yè)出版社， 1999【 4】王益群，等機械控制工程基礎(chǔ) M 武 漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001【 5】科技產(chǎn)品研發(fā)中心

14、MATLAB7輔助控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 M 北京：電子工業(yè)出版社， 2005第5頁共5頁- 高氯酸對阿膠進行濕法消化后,用導(dǎo)數(shù)火焰原子吸收光譜技術(shù)測定阿膠中的銅、“中 藥三大寶, 人參、鹿 茸和阿膠?！卑⒛z的藥用已有 兩千多年的悠久歷史歷代宮馬作峰論疲勞源于肝臟J.廣西中醫(yī)藥 ,20 08,31(1):31.史麗萍馬東明 ,解麗芳等力竭性運動對小鼠肝臟超微結(jié)構(gòu)及肝糖原、肌糖元含量的影響J.遼寧中醫(yī)雜志王輝武吳行明鄧開蓉內(nèi)經(jīng)“肝者罷極之本”的臨床價值J.成都中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報,1997,31. 凌家杰肝與運動性疲勞關(guān)系淺談 J.湖南中醫(yī)學(xué)院學(xué)報2003，（ ）：1.謝敏豪等 訓(xùn)練結(jié)合用中藥補劑強力寶對

15、小鼠游泳耐力與肌肉和肝 Gn,LDH和MDH的影響 J中 國運動醫(yī)學(xué)雜楊維益陳家旭王天芳等運動性疲勞與中醫(yī)肝臟的關(guān)系J .北京 中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報. 19 96,19(1):8.2.1中藥復(fù)方 2.2 單味藥33阿膠和復(fù)方阿膠漿常世和等參寶片對機體機能影響的 J.中國運動醫(yī)學(xué)雜志，991 ，10（）：49.and Natritionof exerciseand training(Abstract)6 楊維益等中藥復(fù)方“體復(fù)康”對運 動性疲勞大鼠血乳酸、p一內(nèi)啡膚、亮氨酸及強啡膚l-13影響的實驗研。仙靈口服液可提高機體運動能力，加速運動后血乳酸的消除。F3口服液能調(diào)整PCO2 孫曉波等 鹿茸精強壯

16、作用的 J .中藥藥理與臨床，1987，（）： 11.于慶海等高山紅景天抗不良刺激的藥理J中藥藥理與臨床，1995，（促進作用；提示阿膠能提高機體免疫功能。另外阿膠具阿膠具有很好的止血作用，常用來治療陰虛火旺、血脈受傷造成的出血。比如，阿膠能治療缺鐵性貧血，再生障礙性貧血等貧血癥狀，阿膠對血小板減少，白細阿膠是一類明膠蛋白，經(jīng)水解分離得到多種氨基酸，阿膠具有很多的藥理作用和阿膠又稱驢皮膠,為馬科動物驢的皮去毛后熬制而成的膠塊。中藥界有句口頭禪阿膠中的營養(yǎng)成分比較多，主要有蛋白質(zhì)、多肽、氨基本以運動性疲勞相關(guān)癥狀明顯的籃球運動員為對象，以谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷表明，阿膠還用 于治療妊娠期胎動不安，先兆流

17、產(chǎn)習(xí)慣 性流產(chǎn)等。對于月經(jīng) 病步了解運動員服用阿膠以后，不但能夠使男女運動員的谷草轉(zhuǎn)氨酶含量水平、谷丙轉(zhuǎn)參促進人體對糖原和三磷酸腺苷等能源物質(zhì)的合理利用, 并使劇烈運動時產(chǎn)生的乳草經(jīng)將其列為上品。本草綱目載阿膠“療吐血衄血血淋尿血,腸風(fēng)下痢 ,女草轉(zhuǎn)氨酶、谷酰轉(zhuǎn)肽酶、總膽紅素、白蛋白和白蛋紅細胞，白細胞和血小板的作用。到影響。的變化,主要表現(xiàn)為部分肝細胞破裂 ,內(nèi)容物進入竇狀隙 ,未受損的肝細胞糖原明的核心問 題之一也是運動訓(xùn)練學(xué)所要克服的核心問題之一, 疲勞是機體的一的滋補類藥品；因始產(chǎn)于聊城東阿，故名阿膠，距今已有兩千多年的生產(chǎn)歷史；最早低分子肽含量分別是5%45、10.9 7%13.18

18、%?；艄馊A采用標準水解法和氨基低運動后血清尿素氮含量；加速體內(nèi)尿素氮及血乳酸的清除速率韌帶和肌腱的伸縮牽拉骨對運動性疲勞的多集中于中樞疲勞與外周肌肉疲勞，而較少涉及肝臟實質(zhì)器而略于補立法，以健脾保肝、補中益氣組方的確是防治運動性疲勞的一條新思新。故發(fā)揮和延緩運動性疲勞的產(chǎn)生都能起積極而有效的作用。總之體力和腦力的產(chǎn)生均復(fù)的適應(yīng)能力。復(fù)方阿膠漿是由阿膠、紅參、黨參、熟地、山楂等藥 組成,主入肝、脾兩經(jīng)。方肝，人動血運于經(jīng)”的論述。明確 指出運動能力與肝和血密切相關(guān)。這種“藏血、主筋，為“羆極之本”，有儲藏營血與調(diào)節(jié)血量的作用是提供運動所肝主疏泄，調(diào)暢氣機，對氣血津液的生成、輸布和代謝有著重要意義

19、。就運動生高山紅景天在疲勞情況下能提高機體持續(xù)工作的時間，維持血壓、心率的正常水高小鼠肝糖原的儲備量；降低運動后血清尿素氮含量；加速體內(nèi)尿素氮及血乳酸的骼肌產(chǎn)生運動。素問六?節(jié)藏象論曰：“肝者罷極之本魂之居也, 其華在爪其個特別復(fù)雜的生理生化方得以運生”，說明和血虛者，如服用阿膠補益，也具有良好的效 果。臨床上充分發(fā)揮阿 膠的養(yǎng)血、補 血、恢復(fù)正常，促進酸堿平衡的恢復(fù)，減少堿性物質(zhì)的消耗。機體的血量增加以便增加通氣 血流比值。肝內(nèi)所貯存的血液就 會更多的向機體全身肌腱和韌帶等器官的力量。筋和筋膜向內(nèi)連著五臟六腑，肝將脾輸送來的精微之氣浸、涉水等勞動或運動都稱 為“勞”,而競技體育由于其具有大運

20、動量、高強度的加。劍,便無 蹤無影。阿嬌日日夜夜在獅論有“肝藏血”的觀點，另外，在素問?五臟生成論里，也有“人臥血歸于景天圣露、補腎益元方、體復(fù)康、仙靈口服液及F3 口服液等。復(fù)方阿膠漿能顯著提究 J北京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報，19 97，20（ ）： 37-40.具有多種代謝功能。血清谷草轉(zhuǎn)氨酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶升高在一定程度上反映了肝細胞的亢不抑就會能協(xié)調(diào)精神、情趣和意志使情緒穩(wěn)定 思維敏捷對運動技術(shù)水平的充分抗運動性疲勞的單味藥主要有鹿茸、高山紅景天、人虛證,通過補充和調(diào)節(jié)人體血液的貯備量而發(fā)揮抗疲勞的作用。藥理實驗亦證實人量方法表明 ,阿膠水溶液 (Murphy法與其經(jīng) Gornall雙縮脲和Low

21、ry酚試劑反量水平。 從而證實阿膠能提高運動員的抗運動性疲勞的能力 。二是通過對阿膠抗運動聊城大學(xué)碩士學(xué)位論文聊城大學(xué)碩士學(xué)位論文聊城大學(xué)碩士學(xué)位論文謀慮，此即“肝者將軍之 官，謀慮出焉 ”，也說是說肝和某些高級神經(jīng)功能有關(guān)。（）年的第屆國際運動生物化學(xué)會議崩中帶下,胎前產(chǎn)后諸疾。”現(xiàn)代表明,阿膠含明膠認識運 動性疲勞對肝臟的影響及判 定指標、肝臟與運動性疲勞消除等方面的 關(guān)若過度疲勞損傷了肝臟那么肌腱和韌帶必將非常疲乏而不能收持自如運動就會受賽場是證明運動健兒的運動能力及其為國爭光的最好場所。運動員靠什么去奪取傷。升高骨髓造血細胞、白細胞、紅細胞和血紅蛋白，促進骨髓造血功能，迅速恢復(fù)失血時間

22、。疏泄功能失常那么五臟氣機也就緊接著發(fā)生紊亂因此三羧酸循環(huán), 為機體提供更多的能量, 因而人參可起到減輕酸自動儀測定不同炮制方法所得四種阿膠炮制品中各種氨基酸的含量,均含有隨著的進行和成果的問世，阿膠將會得到國內(nèi)外運動員的青睞。阿膠這種產(chǎn)損傷程度，表明慢性疲勞可引起肝細胞物質(zhì)代謝功能持續(xù)紊亂 ,最終導(dǎo)致肝功能損調(diào)節(jié)疲勞程度的輕重。楊維益等認為疲勞產(chǎn)生的根本在于肝臟，五臟之中與運調(diào)節(jié)血量的功能，即“人動則血運于諸經(jīng)，人靜則辦法。肝臟與運動性疲勞關(guān)系密切。在運動性疲勞發(fā)生時，肝臟下，肝臟對血液的調(diào)節(jié)可保證心臟、大腦及腎臟等重要臟器的血液的供應(yīng)。（）肝主顯減少。聶曉莉等通過慢性疲勞大鼠模型的建立發(fā)現(xiàn)，與正常對照組比較,慢性疲顯性激素樣作用，因為鹿茸乙醇提取物不能使去勢小鼠和大鼠的前列腺和精囊重量增現(xiàn)了一種新的模式，那就是以“理氣 扶正”、“理血 扶正”為原則組方，以疏為補或寓謝，增強細胞能量代謝和提循環(huán)和運動所需能源物質(zhì)的補充；如果肝氣升發(fā)