多軸系統(tǒng)同步控制技術(shù)研究分解

多軸系統(tǒng)同步控制技術(shù)研究摘要：本文主要介紹多軸系統(tǒng)的同步控制技術(shù)。首先介紹了多軸系統(tǒng)的產(chǎn)生原因和同步控制的概念，然后結(jié)合兩者介紹了多軸系統(tǒng)中同步控制技術(shù)的發(fā)展及其在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。其次，詳細(xì)闡述了多軸系統(tǒng)同步控制的控制機(jī)理，分析了同步控制的基本理論?；诳刂茩C(jī)理，介紹了五種常用的同步控制策略，剖析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合。最后，簡(jiǎn)要介紹了多軸系統(tǒng)中同步控制常用的控制算法。關(guān)鍵字：多軸系統(tǒng)，同步控制，控制機(jī)理，控制策略，控制算法Abstract：Thisarticlemainlyintroducessynchronouscontrolskillinmulti-axissystem.First,itexpoundsthereasonsofdevelopmentofmulti-axisandtheconceptofsynchronouscontrol,andthenintroducesthedevelopmentofsynchronouscontrolinmulti-axissystemandapplicationinCNCsystembycombiningmulti-axissystemwithsynchronouscontrol.Second,itexpoundsthecontrolmechanismandbasictheoriesofsynchronouscontrol.Basedoncontrolmechanism,thisarticleintroducesfivecontrolstrategymethods,anddiscussestherelativemeritsofeachmethod.Atlast,itpresentsthecontrolalgorithmusedinsynchronouscontrolofmulti-axis.KeyWord：multi-axissystem,synchronouscontrol,controlmechanism，controlstrategy,controlalgorithm自1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院研制成功第一臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，在機(jī)械行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今的數(shù)控系統(tǒng)功能非常強(qiáng)大，數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用也日趨完善，大大的縮短了各種機(jī)械裝置的生產(chǎn)周期，提高了機(jī)械加工效率和加工精度，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。造紙、紡織、鈑金加工等行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的單軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)因?yàn)榇嬖谝韵戮窒扌远y以滿足這些領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用需求：一方面單運(yùn)動(dòng)軸系統(tǒng)的輸出功率存在上限，無(wú)法應(yīng)用于對(duì)功率需求較大的場(chǎng)合；另一方面，使用單運(yùn)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)大型對(duì)稱負(fù)載，往往會(huì)導(dǎo)致兩端負(fù)載的驅(qū)動(dòng)力不一致，從而對(duì)加工質(zhì)量和設(shè)備使用壽命產(chǎn)生不利影響［1］。為解決單軸系統(tǒng)的各種缺點(diǎn)與不足，多軸控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)執(zhí)行元件之間存在著一定的約束關(guān)系的時(shí)候，就需要采取適當(dāng)?shù)乃俣?、位置策略?duì)各執(zhí)行器的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行同步控制。近年來(lái)伺服控制技術(shù)的飛速發(fā)展，多軸同步系統(tǒng)更是得到了廣泛的應(yīng)用。所謂同步控制，就是一個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)指令能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，通過對(duì)這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)移動(dòng)量的檢測(cè)，將位移偏差反饋到數(shù)控系統(tǒng)獲得同步誤差補(bǔ)償。其目的是將主、從兩個(gè)電動(dòng)機(jī)之間的位移偏差量控制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)［2］。1.多軸系統(tǒng)同步控制技術(shù)發(fā)展多軸系統(tǒng)同步控制技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，是電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它的發(fā)展與其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展是密切聯(lián)系在一起的。電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、控制理論和方法的飛速發(fā)展促進(jìn)了多軸系統(tǒng)同步控制的迅速發(fā)展，多軸系統(tǒng)同步控制技術(shù)可以獲得良好的控制效果，能夠獲得滿意的控制精度和工作穩(wěn)定性［3］，在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，解決了諸多工程中的實(shí)際問題，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。多軸系統(tǒng)的同步控制最初采用的是非耦合控制。這種同步控制策略針對(duì)的是單個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸相互獨(dú)立，與其它軸沒有任何的關(guān)聯(lián)。在這種控制策略中，如果系統(tǒng)中某一運(yùn)動(dòng)軸因?yàn)閿_動(dòng)等因素，其負(fù)載或者速度將會(huì)發(fā)生變化。但由于各運(yùn)動(dòng)軸相互獨(dú)立，彼此之間沒有影響，這種變化并不能在其它運(yùn)動(dòng)軸上得以反映以減小同步誤差。所以，單軸的擾動(dòng)勢(shì)必會(huì)影響控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性能［4］。由此看來(lái)，非耦合同步控制這種控制策略并不能保證系統(tǒng)同步誤差的減小，只能通過設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制器盡量使某些軸的單軸跟隨誤差減小。在這種情況下，Koren于1980年提出了交叉耦合補(bǔ)償控制策略（通常將系統(tǒng)中某一運(yùn)動(dòng)軸的輸出進(jìn)行某種變換后作為其他軸的參考輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)交叉耦合），該同步控制策略通過耦合系數(shù)將各運(yùn)動(dòng)軸的跟蹤誤差以及同步誤差耦合成各軸的同步控制信號(hào)，作用到各軸的控制器，對(duì)同步誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以此達(dá)到同步的目的。至此，多軸協(xié)調(diào)控制成為了研究的熱點(diǎn)，許多科學(xué)研究者針對(duì)多軸協(xié)調(diào)控制理論展開了進(jìn)一步的研究。Kulkami和Srinivasan對(duì)交叉耦合補(bǔ)償控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并與1989年提出了最優(yōu)控制方案。由于傳統(tǒng)的PID結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、穩(wěn)定性好，在多電機(jī)的控制中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著模糊控制、神經(jīng)控制、自適應(yīng)控制、前饋控制等控制技術(shù)的不斷深化發(fā)展，這些控制技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制上得到了極大的發(fā)揮。但由于對(duì)于多電機(jī)同步控制過程中存在時(shí)變性、對(duì)象不確定性、非線性以及隨機(jī)干擾等現(xiàn)象，PID控制很難得到精確的控制結(jié)果。因此由于PID自身的特性，只在精度要求不高的被控對(duì)象中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，除了使用傳統(tǒng)的PID控制外，許多科學(xué)研究者將現(xiàn)代控制理論，如魯棒控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模型參考自適應(yīng)控制等，應(yīng)用到多軸系統(tǒng)的同步控制中。事實(shí)證明取得了很好的效果，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的性能。除此以外，研究人員將傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)與智能控制技術(shù)相結(jié)合，得到了很多新型多軸系統(tǒng)的同步控制方法，如模糊PID控制方法、PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，大大提高了同步控制的精度。隨著工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的場(chǎng)合用到了雙軸或多軸控制系統(tǒng)。為了滿足雙軸驅(qū)動(dòng)時(shí)同步控制的需要，國(guó)外的各大數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商都積極的開發(fā)出了自己的具有雙軸同步控制功能的數(shù)控系統(tǒng)。國(guó)外的數(shù)控技術(shù)起源早，在技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，像德國(guó)的西門子、法國(guó)的NUM、日本的FANUC等早已實(shí)現(xiàn)了雙軸的同步控制，并在實(shí)用中取得了良好的效果。比較典型的機(jī)型有20世紀(jì)90年代推出的西門子840D/810D,法國(guó)的NUM1040M以及日本FANUC的FANUC-15i。它們通過對(duì)參數(shù)的設(shè)置，來(lái)確定需要同步的雙軸以及雙軸的主從之分，并且通過設(shè)置參數(shù)來(lái)給定雙軸不同步的最大極限值以此來(lái)保護(hù)機(jī)床［51。下面分別對(duì)上述三種類型數(shù)控系統(tǒng)的同步控制方法加以說明。1）西門子840D/810D的雙軸同步西門子840D/810D實(shí)現(xiàn)雙軸同步功能時(shí)，主要分為三個(gè)步驟：第一步：主動(dòng)軸回零。主軸回參考點(diǎn)，從動(dòng)軸跟隨主軸同步運(yùn)行，直到主軸到達(dá)參考點(diǎn)。第二步：從動(dòng)軸回零。主動(dòng)軸達(dá)到參考點(diǎn)后，從動(dòng)軸自動(dòng)回參考點(diǎn)（內(nèi)部自動(dòng)起動(dòng)），此時(shí)主動(dòng)軸跟隨從動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。所有的同步軸回到參考點(diǎn)后，然后對(duì)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的位置進(jìn)行比較，如果差值不大于報(bào)警極限控制系統(tǒng)，開始同步過程強(qiáng)制連接，如果差值大于報(bào)警極限，則控制系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)開始同步過程，并輸出等待同步起動(dòng)信息，等待操作員起動(dòng)同步處理，再次起動(dòng)。第三步：同步處理。主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的補(bǔ)償功能被激活，時(shí)刻監(jiān)視雙軸的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。2）NUM1040M中的雙軸同步NUM1040M數(shù)控系統(tǒng)在處理同步時(shí)與西門子的比較相似，只是在處理同步補(bǔ)償時(shí)比較簡(jiǎn)潔。直接將主、從動(dòng)軸的差值在下一個(gè)插補(bǔ)周期時(shí)疊加到從動(dòng)軸的輸出上，簡(jiǎn)化了一系列的復(fù)雜的運(yùn)算。NUM的獨(dú)特之處在于其向用戶展示的各項(xiàng)參數(shù)，具有很強(qiáng)的開放性，對(duì)P參數(shù)的設(shè)置是其開放性的特征之一，NUM1040M系統(tǒng)中共有115個(gè)P參數(shù)，通過修改P參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的配置。用戶可在NUM專用軟件的環(huán)境下，方便、快捷的通過P參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置與調(diào)整，亦可不借助任何軟件及工具，在線修改P參數(shù)。NUM系統(tǒng)中，雙軸同步控制的功能也是通過設(shè)定P參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。3）FANUC-15i中的雙軸同步其同步的建立有兩種方式：基于手動(dòng)返回參考點(diǎn)上的同步建立；基于機(jī)床坐標(biāo)系的同步建立。雖然國(guó)外很多數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商推出了各自的具有雙軸同步控制功能的數(shù)控系統(tǒng)，并且在市場(chǎng)上還有不錯(cuò)的表現(xiàn)，但是，這并不代表在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上雙軸同步控制的研究就達(dá)到了完美的境界，這里面還是存在很多問題值得探討的。開發(fā)具有雙軸同步控制功能的數(shù)控系統(tǒng)周期長(zhǎng)，在進(jìn)行高速高精控制時(shí)，雙軸的反饋以及反饋的處理一定要及時(shí)，這對(duì)數(shù)控系統(tǒng)本身就有很高的要求。對(duì)于國(guó)產(chǎn)眾多

數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說，由于其插補(bǔ)周期的限制，在數(shù)控系統(tǒng)上進(jìn)行雙軸同步控制技術(shù)的突破，頗有難度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)的功能也日益強(qiáng)大起來(lái)，如果能將雙軸同步控制的功能整合到伺服驅(qū)動(dòng)中，這樣，不但減輕了數(shù)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，而且使得反饋回來(lái)的同步數(shù)據(jù)的處理更加迅捷，在控制高速高精機(jī)床時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)［6］。2.多軸系統(tǒng)同步控制機(jī)理多軸系統(tǒng)是非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)。多軸系統(tǒng)同步控制的主要性能指標(biāo)有：速度比例同步；位置(或角度)同步；絕對(duì)值誤差小于某限幅值。多軸系統(tǒng)的同步運(yùn)行關(guān)系一般分為以下幾類［7］：要求多軸系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)具有相同的速度或位移量在瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)都能夠保持同步，這是通常將的俠義上的同步，也就是最簡(jiǎn)單的同步控制。以常見的雙軸系統(tǒng)為例，該種情況下角位移同步誤差可由以下公式求得：(1-1)(1-1)其中耳、乞、卩、勺分別為運(yùn)動(dòng)軸1和2的角位移和角速度。由公式(1-1)可知，若在某個(gè)階段Ae始終為零，則A0也為零。但假設(shè)系統(tǒng)因?yàn)橥饨绺蓴_等原因?qū)е翧發(fā)生變換，為消除該同步誤差，必然要求兩個(gè)軸以不同的速度運(yùn)動(dòng)，從而使得Ae偏離零點(diǎn)，即產(chǎn)生速度誤差。由此可以看出，雖然在多數(shù)情況下系統(tǒng)的位置同步需要有速度同步作為前提保障，但在某些時(shí)刻，為了實(shí)現(xiàn)位移同步，就必須犧牲一定的速度同步性能，此時(shí)兩者呈現(xiàn)相互制約的關(guān)系。要求多軸系統(tǒng)中個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以一定的比例關(guān)系運(yùn)行。在實(shí)際多軸系統(tǒng)中，有些場(chǎng)合并不一定要求各臺(tái)電機(jī)的速度完全相等，而一般的情況是要求各臺(tái)電機(jī)之間能都協(xié)調(diào)運(yùn)行。假設(shè)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)軸1、2的輸出角速度為卩、e2,那么它們之間應(yīng)當(dāng)保持如下關(guān)系才能滿足此類同步控制的需求：(1-2)此處a即為速度同步系數(shù)，通過對(duì)該系數(shù)的在線設(shè)定和修改，便可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在各種不同場(chǎng)合下的同步運(yùn)動(dòng)，這便是廣義上的同步概念。另外，還有一種為了特殊的工藝要求，它不是要求各個(gè)輸出單元的速度保持一定的比值關(guān)系，而是要求可以在不同速度下仍保持恒定的速度差。目前，保證多軸系統(tǒng)同步運(yùn)動(dòng)的常用方法主要分為兩大類：機(jī)械方式和電氣方式。機(jī)械同步方式主要有機(jī)械總軸同步控制，而電氣同步方式主要有主令參考同步控制、主從同步控制和交叉耦合同步控制等。機(jī)械同步方式機(jī)械結(jié)構(gòu)固定，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲大，靈活性差，傳動(dòng)范圍和傳動(dòng)距離小，單元負(fù)載小，系統(tǒng)成本高。電氣同步方式同步性高，抗干擾性好，克服了機(jī)械方式的種種缺點(diǎn)，但是由于算法的不同，各種控制方式都有不同的缺陷。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，電氣同步方式在很多場(chǎng)合都取代了機(jī)械同步，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各機(jī)械行業(yè)中。2.1機(jī)械式同步控制機(jī)械式同步出現(xiàn)較早，其控制策略相對(duì)于其它控制方式而言比較簡(jiǎn)單。主要通過在運(yùn)動(dòng)軸之間添加物理連接實(shí)現(xiàn)。該方法往往使用一臺(tái)大功率電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源，并通過齒輪、鏈條、皮帶等機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。改變這些機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的特性，就可以使整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)速等參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在工作時(shí)，如果某個(gè)從動(dòng)軸的負(fù)載受到了擾動(dòng)，該擾動(dòng)將會(huì)通過機(jī)械環(huán)節(jié)傳遞給主軸電機(jī)，改變主軸的輸出。由于主軸和從軸之間均存在機(jī)械連接，因此其它從動(dòng)軸的輸出也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而起到同步控制的效果。機(jī)械式同步控制系統(tǒng)中，同步的機(jī)制是各個(gè)分區(qū)緊密地膠合在一起，使得各個(gè)分區(qū)的運(yùn)轉(zhuǎn)如同一個(gè)整體。這種方案的優(yōu)點(diǎn)就是能夠很好地保證個(gè)單元之間的同步關(guān)系［8］。但是實(shí)現(xiàn)這種膠合的方式是通過機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)的，因此帶有機(jī)械系統(tǒng)的固有局限性，主要有如下不足之處：由于機(jī)械式同步一般只使用單一的動(dòng)力元件，導(dǎo)致各從軸所分配到的功率相對(duì)較小，限制了各從動(dòng)軸帶動(dòng)負(fù)載的能力；機(jī)械同步系統(tǒng)中的傳動(dòng)環(huán)節(jié)一般采用接觸式連接，工作時(shí)所產(chǎn)生的摩擦不僅會(huì)造成傳動(dòng)能量的損耗，還會(huì)磨損傳動(dòng)零部件，影響同步性能，縮短系統(tǒng)的使用壽命，不利于維護(hù)保養(yǎng)；由于采用機(jī)械式連接，該種同步方法的結(jié)構(gòu)比較固定，參數(shù)不易調(diào)節(jié)。若需要對(duì)其做出修改，則必須增加或者移去某些機(jī)械零部件，操作較為繁瑣。另外機(jī)械連接也會(huì)受到長(zhǎng)度上的限制，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的同步控制；該同步方式本質(zhì)上式開環(huán)控制，在多軸且偏載大的系統(tǒng)中糾偏能力差，同步控制精度低［9］；機(jī)械總軸極易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。一般來(lái)說，機(jī)械總軸系統(tǒng)中的粘性系數(shù)很小，致使傳遞函數(shù)中的振蕩環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)共振現(xiàn)象(機(jī)械諧振)。如果諧振頻率較低，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且在機(jī)械系統(tǒng)中，該阻尼系數(shù)無(wú)法調(diào)節(jié)，因此很難獲得預(yù)想的動(dòng)態(tài)性能。2.2電氣式同步計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展、功率電子器件和高性能伺服電機(jī)幫助人類掙脫了機(jī)械齒輪傳動(dòng)的束縛。以此，科研人員提出了電氣式同步控制方法，有效的解決了機(jī)械式同步所存在的問題。系統(tǒng)中每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸可以使用單獨(dú)的電機(jī)提供能量和力矩，用電子通訊模擬齒輪組的機(jī)械聯(lián)系，將速度、位置關(guān)系的向前傳遞和力矩的向后反饋以電子訊號(hào)的方式分別實(shí)現(xiàn)。但是這兩個(gè)方面之間的聯(lián)系容易被忽略。實(shí)際生產(chǎn)中的負(fù)載常有的不對(duì)稱性，會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。結(jié)合電子嚙合方式靈活性，針對(duì)在實(shí)際中的不同問題，采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢愿纳贫噍S運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能［9］。電氣式同步控制主要由一個(gè)核心控制器以及與其相連的若干個(gè)子單元組成，每個(gè)子單元都有一個(gè)獨(dú)立電機(jī)來(lái)控制對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)軸。設(shè)計(jì)人員通過編寫相應(yīng)控制程序，使得各子單元在核心控制器的協(xié)調(diào)之下工作，控制對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)軸同步運(yùn)行。由于每個(gè)軸都由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此該種方法帶動(dòng)負(fù)載的能力有了顯著提高，且簡(jiǎn)化了設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)精度更高，同步性更好的控制。電氣式同步同時(shí)也涉及到了很多學(xué)科的綜合知識(shí)，如驅(qū)動(dòng)器、控制器、檢測(cè)器、總線、控制算法等。雖然較為復(fù)雜，但該方法具有巨大的發(fā)展前景，可以在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。3．多軸同步控制策略經(jīng)過長(zhǎng)期以來(lái)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)于同步控制策略的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并將其廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。對(duì)于電氣式同步中所使用的控制策略，一般可分為非耦合式與耦合式兩大類［10］。目前常見的同步控制策略有以下幾種：主令參考式同步、主從式同步、交叉耦合式同步、偏差耦合式同步、虛擬主軸同步。3.1主令參考式同步控制主令參考式同步又稱并行式同步，它是最簡(jiǎn)單直觀的一種同步策略，其結(jié)構(gòu)如圖3.1。在該方案中，所有運(yùn)動(dòng)控制器的輸入來(lái)自于同一個(gè)信號(hào)，即主令參考信號(hào)①*。每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸在該信號(hào)的控制下并行工作，互不相干。如果其中一個(gè)軸受到擾動(dòng)，由此產(chǎn)生的同步誤差只能通過該軸自身的調(diào)節(jié)來(lái)減小，其它軸并不會(huì)對(duì)其做出響應(yīng)。圖3.1主令參考式同步采用主令參考式的同步控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于啟動(dòng)、停止階段系統(tǒng)的同步性能很好，每個(gè)被控對(duì)象之間的相互作用最小，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)定。但是整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)控制，當(dāng)運(yùn)行過程中某一軸受到擾動(dòng)時(shí)，電機(jī)之間將會(huì)產(chǎn)生同步偏差，同步性能很差［11］。目前主令參考式同步控制在冷帶軋機(jī)、液壓飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)等諸多設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。3.2主從式同步控制主從式也稱為串聯(lián)式，將運(yùn)動(dòng)軸劃分成主軸和從軸，如圖3.2。其中從軸的參考輸入信號(hào)來(lái)自于主軸輸出，從而達(dá)到同步的目的［12］。由此可知，一旦主運(yùn)動(dòng)軸因負(fù)載擾動(dòng)而改變速度，從軸可以對(duì)其做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以此來(lái)減小同步誤差。但是，當(dāng)從運(yùn)動(dòng)軸受到擾動(dòng)時(shí)，主軸卻不會(huì)對(duì)其有任何響應(yīng)，導(dǎo)致同步誤差得不到及時(shí)修正。與此同時(shí)，這種主從模式也會(huì)導(dǎo)致從軸的運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上滯后于主軸，因此存在一定局限性。這種同步控制策略應(yīng)用在對(duì)速度或者位置的同步精度要求不是很高的工業(yè)生產(chǎn)中。圖3.2主從式同步多軸系統(tǒng)的主從式同步控制可以通過軟件和硬件方式實(shí)現(xiàn)［13］［14］。圖3.3和3.4為分別采用軟件和硬件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式的結(jié)構(gòu)圖。圖3.3軟件主從控制方式采用軟件主從方式時(shí)，分別對(duì)各個(gè)回路進(jìn)行控制，再將各回路的位置反饋信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)處理后將補(bǔ)償量送入從動(dòng)軸，這種方式相應(yīng)迅速，能及時(shí)地調(diào)整雙軸的不同步狀態(tài)，但由于處理的數(shù)據(jù)量大，相對(duì)來(lái)說給系統(tǒng)造成了一定的負(fù)擔(dān)。圖3.4硬件主從控制方式采用硬件主從方式時(shí)，前一級(jí)的輸出信號(hào)將直接給下一級(jí)回路，從動(dòng)軸的調(diào)整由伺服來(lái)完成，系統(tǒng)只需在插補(bǔ)周期結(jié)束時(shí)發(fā)送一定的數(shù)據(jù)即可，系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)減輕了，但是由于信號(hào)從第一級(jí)傳到第二級(jí)時(shí)有一定的延時(shí)，并且伺服調(diào)整也需要一點(diǎn)時(shí)間，這就使得真?zhèn)€系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，當(dāng)機(jī)床的速度很高時(shí)，極易造成事故。因此，兩種控制方式要根據(jù)實(shí)際情況的不同有所取舍。湖南師范大學(xué)提出了一種采用了主從結(jié)構(gòu)的高精度液壓舉升機(jī)同步控制系統(tǒng)方案，如圖3.5所示。系統(tǒng)中采用主動(dòng)缸的位移作為理想?yún)⒖贾?，以兩個(gè)缸的位移差為輸入信號(hào)，采用從動(dòng)缸跟隨主動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)方式。仿真結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有很好的同步精度［14］。圖3.5主從式液壓舉升機(jī)同步系統(tǒng)交叉耦合式同步控制該控制策略最初由Koren在1980年首次提出，并將其應(yīng)用于雙軸平臺(tái)的控制中，其結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。圖3.6交叉耦合式同步交叉耦合式同步控制中，每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)不僅與輸入的參考命令有關(guān)，而且也與其他運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)有關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸之間的相互“協(xié)作”，并最終實(shí)現(xiàn)軸之間的同步運(yùn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)同步誤差時(shí)，該方案可對(duì)兩軸分別進(jìn)行補(bǔ)償，從而對(duì)誤差起到良好的抑制作用。該方法引入通過誤差反饋的思想，在各運(yùn)動(dòng)軸之間建立了耦合關(guān)系，因此相比非耦合同步方案能夠?qū)崿F(xiàn)更好的同步控制性能。但由于引進(jìn)了軸間參數(shù)耦合，使模型在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜，而且還有可能導(dǎo)致系統(tǒng)整體穩(wěn)定性變差，不適用于運(yùn)動(dòng)軸數(shù)大于二軸的系統(tǒng)［15］。偏差耦合式同步控制偏差耦合同步方案由Perez-Pinal等人提出，該方案適用于軸數(shù)大于二的多軸系統(tǒng)。其基本思想是將某一臺(tái)電機(jī)的速度反饋同其它電機(jī)的速度反饋分別作差，然后根據(jù)各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比值確定速度補(bǔ)償量［16］。該方法可以方便地?cái)U(kuò)展至3臺(tái)或以上的多電機(jī)同步控制，并且有效地減小了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的抖動(dòng)。該方案對(duì)交叉耦合控制進(jìn)行了擴(kuò)展，能夠根據(jù)同步情況，動(dòng)態(tài)的分配各軸的速度補(bǔ)償信號(hào)。偏差耦合式同步結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，該方案主要由信號(hào)混合模塊、信號(hào)分離模塊和速度補(bǔ)償器組成，其中，e*為參考角速度信號(hào)，叫(n=l,2,3…)分別為各運(yùn)動(dòng)軸輸出角速度。在運(yùn)行時(shí)，首先由補(bǔ)償器求出所控制的運(yùn)動(dòng)軸與其它軸的轉(zhuǎn)速差，然后將其經(jīng)過補(bǔ)償算法處理后相加，作為該軸的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償信號(hào)ecn。由于偏差耦合方案把所有運(yùn)動(dòng)軸之間的偏差值作為補(bǔ)償輸入量，保證了每個(gè)軸都可得到足夠的同步誤差信息，使得各軸均能夠根據(jù)自身及其它軸的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，因此具有較好的同步性能。圖3.7偏差耦合式同步虛擬主軸同步控制虛擬主軸(VirtualShaft)的控制理念最初由RobertD.Lorenz提出，當(dāng)時(shí)的名稱為相對(duì)剛度運(yùn)動(dòng)控制(RelativeStiffnessMotionControl)。該方案在主從式同步的基礎(chǔ)上，將從軸的驅(qū)動(dòng)力矩反饋至主軸控制回路中，實(shí)現(xiàn)了主軸與從軸之間控制信號(hào)的耦合反饋。隨后，KevinPayette明確提出了虛擬主軸的概念，通過模擬機(jī)械主軸式同步方案的特性，為反饋力矩賦予了物理意義，在各運(yùn)動(dòng)軸間建立了聯(lián)系。虛擬主軸同步控制方式是基于電子虛擬軸技術(shù)的一種同步控制方式，虛擬主軸同步控制的結(jié)構(gòu)與主從式同步控制結(jié)構(gòu)較為相似。在虛擬主軸同步模型中，傳動(dòng)系統(tǒng)中每根機(jī)械輥軸均由單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各從軸接受來(lái)自主軸的輸出信號(hào)作為其給定信號(hào)輸入。但是這里的主軸不再是實(shí)際的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械軸，而是基于控制系統(tǒng)中的虛擬主軸功能建立起來(lái)的一根電子虛擬軸，電子虛擬軸可以按照設(shè)定的速度仿真實(shí)際軸進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)［17］。因此，電子虛擬軸同樣可以作為是整個(gè)系統(tǒng)中的主軸，即虛擬主軸，其控制結(jié)構(gòu)如圖3.8所示［18］。圖3.8虛擬主軸同步控制方式結(jié)構(gòu)圖虛擬主軸的同步系統(tǒng)中，將傳動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械輥均作為從軸，在控制周期中它們同時(shí)接受虛擬主軸的控制信號(hào)，并根據(jù)各軸與虛擬軸速度關(guān)系比進(jìn)行變換后得到的信號(hào)作為各軸輸入給定信號(hào)，各從軸跟隨給定信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而使各自的輸出均準(zhǔn)備無(wú)誤地跟隨虛擬主軸信號(hào)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中各軸的同步運(yùn)動(dòng)控制。虛擬主軸控制與主從式同步控制相比，由于前者的主軸為電子虛擬軸，從而可以有效地克服系統(tǒng)中各軸的指令時(shí)間差。但是，虛擬主軸同步模型同樣沒有在主從軸之間建立反饋關(guān)系。因此當(dāng)某一從軸的出現(xiàn)干擾后對(duì)其跟隨性能的影響，不會(huì)反應(yīng)到主軸或其他從軸上，這樣也可能會(huì)導(dǎo)致該從軸間的失步甚到使整個(gè)系統(tǒng)同步控制失效。4．多軸同步控制算法目前，有很多控制方法被應(yīng)用于多軸同步控制策略中。其中，最為常見的是傳統(tǒng)PID控制，包括P控制、PI控制、PD控制及PID控制。由于它具有簡(jiǎn)明的工作原理、意義明確的控制參數(shù)，并且在大多數(shù)控制應(yīng)用中能夠取得很好的效果，因此得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于智能控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、滑膜變結(jié)構(gòu)控制等，也在同步控制領(lǐng)域內(nèi)受到越來(lái)越多的關(guān)注。4.1常規(guī)PID控制按偏差信號(hào)的比例、積分、微分（PID）進(jìn)行控制是歷史最久、使用最普遍的控制方式。雖然目前有越來(lái)越多的新型控制方式隨著技術(shù)進(jìn)步而被提出，但在實(shí)際控制應(yīng)用中，仍有超過90%的場(chǎng)合會(huì)使用傳統(tǒng)PID控制。在PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的輸出正比于偏差信號(hào)，用于消除偏差；積分環(huán)的節(jié)輸出正比于偏差積分值信號(hào)，用于消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差；微分環(huán)節(jié)的輸出正比于偏差變化率的信號(hào)，用于加快調(diào)節(jié)速率，縮短過渡時(shí)間，減少系統(tǒng)超調(diào)。如果對(duì)這三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)組合，就可獲得快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)的控制效果。設(shè)計(jì)PID控制器的關(guān)鍵問題在于如何對(duì)比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行整定。隨著微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，實(shí)際多軸系統(tǒng)控制大多數(shù)采用數(shù)字PID控制器。其中經(jīng)常釆用的有位置式和增量式PID控制算法。計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，通常還需要采用離散化的方法。在實(shí)際多軸系統(tǒng)中，由于各種各樣的條件限制，為了提高控制精度，研究人員并不單純地使用PID控制算法，往往根據(jù)需要加以適當(dāng)?shù)淖兓?，例如積分分離、變?cè)鲆鍼ID控制、不完全微分PID控制算法等［19］。在一般的多軸系統(tǒng)同步控制中，往往沒有充分考慮驅(qū)動(dòng)器飽和的影響。在實(shí)際應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)最大輸出力矩，超過該最大限度的力矩都將被限幅輸出，這樣會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)，降低同步控制精度?；谏鲜鲈?，Saberi等人將輸入受限理論運(yùn)用到線性系統(tǒng)中，提出了飽和PD加重力補(bǔ)償?shù)娜譂u進(jìn)控制器的方法。有些研究人員在以上基礎(chǔ)上提出了輸入受限飽和比例—微分（SPD）加位置同步誤差的同步控制器和輸入受限飽和比例一微分（SPD）加前饋補(bǔ)償同步控制律的控制算法。另外，為了減少系統(tǒng)的振蕩，采用外推法判別同步誤差的變化趨勢(shì)，以便預(yù)先估計(jì)補(bǔ)償值。PID控制實(shí)際是一種線性控制規(guī)律，同時(shí)也具有傳統(tǒng)控制理論的缺點(diǎn)，因此僅在控制簡(jiǎn)單的線性單變量系統(tǒng)時(shí)有較好效果。對(duì)于多變量、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，由于其運(yùn)行情況多變，且系統(tǒng)參數(shù)具有時(shí)變性，如果對(duì)其使用PID控制，則難以獲得合適的控制參數(shù)。因此，對(duì)于先進(jìn)智能控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，不斷提高改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、抗干擾性以及對(duì)參數(shù)變化的自適應(yīng)性是一個(gè)必然趨勢(shì)。隨著現(xiàn)代控制理論、智能控制的研究和應(yīng)用的發(fā)展，為控制復(fù)雜過程系統(tǒng)開辟了新途徑。近年來(lái)，為適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求，出現(xiàn)了PID控制器參數(shù)的自動(dòng)診定技術(shù)以及許多新型的PID控制方式，如：自適應(yīng)PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制、模糊預(yù)測(cè)PID控制等多種技術(shù)結(jié)合的PID控制方式。由于具有傳統(tǒng)PID及現(xiàn)代控制理論、智能控制理論技術(shù)的多重特點(diǎn)，其對(duì)于復(fù)雜對(duì)象的控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)的PID控制。4.2智能控制技術(shù)近年來(lái)，智能控制如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、滑模變結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)控制方法等的研究相當(dāng)活躍，并在許多領(lǐng)域里獲得了成功的應(yīng)用。由于智能控制無(wú)需對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，并可以在處理不精確性和不確定性的問題中獲得可處理性、魯棒性，因而智能控制技術(shù)在多軸系統(tǒng)同步控制中也獲得了廣泛應(yīng)用，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等［19］。模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的控制方法。由于該方法不需要依靠準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此在復(fù)雜系統(tǒng)的控制中可以得到較好應(yīng)用。在模糊控制中，知識(shí)的表述、模糊規(guī)則以及合成推理均是基于操作者經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜抑R(shí)的。作為模糊控制的核心，模糊控制器主要通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，因此它具有計(jì)算機(jī)控制的特點(diǎn)，對(duì)于被控對(duì)象所受擾動(dòng)具有出色的抑制能力。將模糊控制與PID算法相結(jié)合產(chǎn)生的模糊PID控制算法，在多軸同步控制系統(tǒng)中已經(jīng)取得了應(yīng)用。一種采用模糊PID控制算法設(shè)計(jì)的補(bǔ)償控制器如圖4.1所示［20］。該控制器的模糊推理規(guī)則基于預(yù)先設(shè)定的規(guī)則表，不需要復(fù)雜的算法，因此控制器的運(yùn)算速度比較快，能夠適應(yīng)系統(tǒng)的要求，采用轉(zhuǎn)速誤差e和轉(zhuǎn)速誤差變化率ec的雙重反饋補(bǔ)償能夠盡快地減小同步誤差。圖4.1模糊PID控制器模糊控制在實(shí)際應(yīng)用中取得了很大的發(fā)展，但是模糊控制規(guī)則依賴于人的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，而且模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)不具有系統(tǒng)性，對(duì)于復(fù)雜的被控對(duì)象很難得到完善的控制規(guī)則。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是智能控制的另一重要的分支，根據(jù)大量神經(jīng)元按照某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和調(diào)整的控制方法，具有并行計(jì)算、分布存儲(chǔ)、結(jié)構(gòu)可變、高容錯(cuò)性、自我組織、自學(xué)習(xí)等特點(diǎn)。雖然該方法不善于表達(dá)顯式知識(shí)，但對(duì)于非線性函數(shù)卻具有很強(qiáng)的逼近能力，適用于對(duì)任意復(fù)雜對(duì)象，特別是單輸入多輸出以及多輸入多輸出系統(tǒng)的控制。就神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接形式而言，可以分為兩種典型的結(jié)構(gòu)模型：前饋型網(wǎng)絡(luò)和反饋型網(wǎng)絡(luò)。典型的前饋型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有：?jiǎn)螌痈兄鳌P網(wǎng)絡(luò)和RBF網(wǎng)絡(luò)；廣泛應(yīng)用的反饋型網(wǎng)絡(luò)有Hopfield。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可以與傳統(tǒng)PID組合使用，構(gòu)成PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮其自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，使PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可控制系統(tǒng)的響應(yīng)快、超調(diào)小、無(wú)靜差。PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可以適用于多變量系統(tǒng)的解耦控制，無(wú)需測(cè)量或辨識(shí)被控多變量對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以得到良好的解耦控制效果。但是目前的研究?jī)H局限于采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輔助選取或修改傳統(tǒng)PID控制器的P、I、D參數(shù)，且僅局限于在單變量系統(tǒng)的控制方面。圖4.2為將PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于雙軸系統(tǒng)同步控制的控制系統(tǒng)仿真圖。圖4.2基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙軸同步控制器盡管智能控制理論已經(jīng)在實(shí)際工