專利名稱：數(shù)控機(jī)床模糊pid控制方法及實(shí)現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控裝置控制技術(shù)，具體地說是一種數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法及實(shí)現(xiàn)裝置，它可實(shí)現(xiàn)機(jī)床伺服軸控制參數(shù)智能化自適應(yīng)調(diào)整。
背景技術(shù)：
近年來隨著制造技術(shù)的進(jìn)展，數(shù)控加工工藝及加工零件日趨復(fù)雜。復(fù)雜零件及工藝的控制要求，使得現(xiàn)有裝置的控制方法已很難滿足系統(tǒng)性能要求。以現(xiàn)有數(shù)控裝置采用的PID(P代表比例、I代表積分、D代表微分)控制方法為例加以說明。PID控制方法歷史悠久，因其原理簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控裝置的軸控制中。采用PID控制方法的PID控制器具有三個(gè)重要的工程化參數(shù)Kp(比例參數(shù))、Ki(積分參數(shù))、Kd(微分參數(shù))，這些參數(shù)一經(jīng)整定，就不再改變?？刂破饔猛瑯訁?shù)處理不同執(zhí)行情況，不隨受控參量的變化而調(diào)整，因此，適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。然而，因加工過程的復(fù)雜性，機(jī)床伺服軸是時(shí)變的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。機(jī)床伺服軸經(jīng)常在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如快移、點(diǎn)動(dòng)、粗加工、精加工間切換。不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有不同的性能(速度、精度)指標(biāo)，要求不同的控制參數(shù)。由于采用PID控制方法的PID控制器參數(shù)整定困難，對(duì)數(shù)控機(jī)床無法達(dá)到理想的控制效果。
針對(duì)PID控制器參數(shù)整定困難、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況適應(yīng)性差等問題，近年來發(fā)展了很多控制方法，如系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制與魯棒控制。但上述三種方法本質(zhì)上都沒有擺脫基于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的定量化思想，難以對(duì)復(fù)雜的非線性不確定系統(tǒng)進(jìn)行有效而精確的控制。以模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家控制為代表的智能控制的出現(xiàn)，特別是近年來模糊控制技術(shù)的迅猛發(fā)展為解決這類問題提供了新思路。在智能控制中，系統(tǒng)所研究的目標(biāo)不再是被控對(duì)象，而是控制器本身?？刂破鞑辉偈菃我坏臄?shù)學(xué)解析模型，而是數(shù)學(xué)解析和知識(shí)系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型。因此，應(yīng)用智能控制技術(shù)研制具有擬人智能特征的智能化數(shù)控裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給速度、切削深度、坐標(biāo)移動(dòng)、主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的優(yōu)化控制成為數(shù)控裝置的發(fā)展趨勢(shì)。
智能控制技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了一段時(shí)間，但目前仍處于開創(chuàng)性研究階段，存在尚未解決的許多理論問題，如常用的二維模糊控制器，雖然具有良好的動(dòng)態(tài)性能，但靜態(tài)性能較差，無法消除穩(wěn)態(tài)誤差。這些問題使智能控制技術(shù)在工業(yè)過程控制中遠(yuǎn)未得到如同像在家電產(chǎn)品中的推廣。智能控制的工程化實(shí)踐面臨著如何解決“控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID的控制器設(shè)計(jì)”及如何便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的“簡(jiǎn)單性”等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種面向數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法及智能型實(shí)現(xiàn)裝置。本發(fā)明運(yùn)用的模糊PID方法，是一種通過將模糊控制與PID控制方法結(jié)合來支持實(shí)用化、性能優(yōu)異智能型數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)方法；基于此方法，本發(fā)明采用PC平臺(tái)開發(fā)了智能型的數(shù)控實(shí)現(xiàn)裝置，以實(shí)現(xiàn)加工過程中機(jī)床伺服軸運(yùn)動(dòng)的控制優(yōu)化。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下采用人機(jī)接口、任務(wù)協(xié)調(diào)、運(yùn)動(dòng)控制及可編程控制器，將運(yùn)動(dòng)控制與可編程控制器加載于系統(tǒng)的內(nèi)核空間，人機(jī)接口、任務(wù)協(xié)調(diào)部分加載于系統(tǒng)的用戶空間，彼此間通過系統(tǒng)的共享通訊緩沖區(qū)互相通信；運(yùn)動(dòng)控制包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與軸控制兩部分；軸控制根據(jù)軸運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的設(shè)置值，采用模糊PID控制方法動(dòng)態(tài)確定軸的控制參數(shù)并實(shí)現(xiàn)軸的穩(wěn)定控制，從而形成數(shù)控機(jī)床加工過程中伺服軸的運(yùn)動(dòng)；所述模糊PID控制方法由參數(shù)可調(diào)PID調(diào)節(jié)器和模糊自整定機(jī)制兩部分組成，其中以PID調(diào)節(jié)器作為基本的控制單元，針對(duì)機(jī)床伺服軸在加工過程中的非線性特性和各種加工要求，引入模糊控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整。模糊自整定機(jī)制接收運(yùn)動(dòng)規(guī)劃輸出的設(shè)置值并通過編碼器檢測(cè)軸的實(shí)際位置值，形成誤差e與誤差變化率ec，再由模糊自整定機(jī)制中的模糊化進(jìn)行處理，形成語言變量，經(jīng)模糊推理及解模糊化處理，產(chǎn)生PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，在該參數(shù)的控制下，PID調(diào)節(jié)器控制機(jī)床伺服軸的運(yùn)動(dòng)，從而完成伺服軸的控制過程；所述模糊推理是以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，推理規(guī)則形式如下If(e is...)and(ec is...)then(Kpis...)(Kiis...)(Kdis...)(1)基于所述規(guī)則，得出PID調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)是誤差e和誤差變化ec的非線性函數(shù)，具體可記為Kp=Kp0+{ej+ecj}p]]>Ki=Ki0+{ej+ecj}i---(2)]]>Kd=Kd0+{ej+ecj}d]]>其中，Kp0、Ki0、Kf0分別表示PID參數(shù)中的比例、積分、微分的初始值，{ej+ecj}p、{ej+ecj}i、{ej+ecj}d表示經(jīng)模糊推理和解模糊化后得到的調(diào)整PID參數(shù)中比例、積分、微分的變化量；其中j為序數(shù)；所述數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置，基于ISA總線，由電源供電，包括顯示器、中央控制器、機(jī)床操作面板、軸控制電路及接口電路，其中中央控制器與顯示器、機(jī)床操作面板通信，并通過ISA總線與軸控制電路及接口電路通信，控制程序安裝在中央控制器的FLASH或DOM中，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床模糊PID控制；所述控制程序包括軸控(Axisctrl)、軸特性(AxisProperty)、軸約束(AxisConstraint)、軸設(shè)置(AxisSetpoint)、軸檢測(cè)(AxisSense)、軸驅(qū)動(dòng)(AxisAction)、軸模糊PID控制(AxisFuzzyPID)部分；以軸控為主程序，其中軸特性記錄軸的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性；軸約束記錄軸的運(yùn)動(dòng)能力；軸設(shè)置作為模糊PID控制與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的接口，記錄軸設(shè)置位置；軸檢測(cè)作為位置編碼器的接口，檢測(cè)軸的實(shí)際運(yùn)行位置與速度；軸驅(qū)動(dòng)作為伺服軸的接口，提供電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)；軸模糊PID控制按照模糊PID控制方法，調(diào)用軸特性、軸約束、軸檢測(cè)、軸驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)軸運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化控制；所述模糊PID控制包括初始化操作、輸入數(shù)據(jù)操作、誤差判斷操作、模糊化操作、模糊推理操作、解模糊化操作、增益控制操作、控制保護(hù)操作、PID控制操作、模糊PID控制操作，其中初始化操作(fuzzyInit())，具體包括PID控制操作比例、積分、微分參數(shù)初始化和模糊自整定參數(shù)初始化；輸入數(shù)據(jù)操作(inputError())由軸設(shè)置(AxisSetpoint)讀取運(yùn)動(dòng)規(guī)劃給出的設(shè)置值(setPoint)，由軸檢測(cè)AxisSense讀取當(dāng)前軸實(shí)際位置值，形成模糊PID控制的誤差e和誤差變化率ec；誤差判斷操作(ctrlAccuracy())評(píng)價(jià)當(dāng)前PID控制操作的執(zhí)行情況；若輸入誤差e的值小于系統(tǒng)的控制精度一個(gè)單位數(shù)量級(jí)，則不需要調(diào)整，此時(shí)跳過模糊控制相關(guān)模塊，直接運(yùn)行PID控制操作；否則運(yùn)行模糊控制相關(guān)模塊，調(diào)整PID控制的相關(guān)參數(shù)；模糊化操作(fuzzy())將來自輸入數(shù)據(jù)操作的輸入值按照模糊化方法和模糊隸屬度函數(shù)，映射為一定區(qū)間上的模糊值，其模糊值的論域?yàn)閑＝{-0.75，-0.5，-0.25，0，0.25，0.5，0.75}ec＝{-0.15，-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，0.15}所對(duì)應(yīng)的模糊子集為e，ec＝{LN(負(fù)方向偏大)、MN(負(fù)方向居中)、SN(負(fù)方向偏小)、ZZ(零)、SP(正方向偏小)、MP(正方向居中)、LP(正方向偏大)}模糊推理操作(fuzzyInf())根據(jù)模糊推理規(guī)則和模糊推理方法，推導(dǎo)輸入誤差e和誤差變化ec對(duì)應(yīng)的參數(shù)Kp、Ki、Kd，該輸出值的形式為模糊值；解模糊化操作(deFuzzy())對(duì)模糊推理操作的輸出值根據(jù)輸出隸屬度函數(shù)進(jìn)行解模糊化，得到PID控制操作的比例、積分、微分調(diào)節(jié)參數(shù)(Δp、ΔI、Δd)；增益控制操作(gainCtrl())根據(jù)解模糊化操作得到的比例、積分、微分調(diào)節(jié)增益參數(shù)Δp、Δi、Δd的值來調(diào)整PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)KD、Ki、Kd的值，調(diào)節(jié)原則為
{ej+ecj}p＝pa×Δp{ej+ecj}j＝ia×ΔI(3){ej+ecj}d＝da×Δd其中pa、ia、da為大于零的實(shí)數(shù)，j為序數(shù)；控制保護(hù)操作(ctrlSafe())設(shè)定PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)調(diào)節(jié)的上限，其PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)的變化范圍如果PID控制操作的比例參數(shù)Kp大于設(shè)定的最大值pmax，則令控制操作的比例參數(shù)Kp的值等于設(shè)定的最大值pmax；如果PID控制操作的積分參數(shù)Ki大于設(shè)定的最大值imax則令PID控制操作的積分參數(shù)Ki的值等于設(shè)定的最大值imax；如果PID控制操作的微分參數(shù)Kd大于設(shè)定的最大值dmax，則令PID控制操作的微分參數(shù)Kd的值等于設(shè)定的最大值dmax；其中，pmax、imax、dmax分別為PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)調(diào)節(jié)的上限，其具體值根據(jù)軸、刀具和電機(jī)的實(shí)際性能指標(biāo)設(shè)定；PID控制操作(PIDCtrl())根據(jù)控制保護(hù)操作所得到比例、積分、微分參數(shù)Kp、Ki、Kd的值，采用傳統(tǒng)的PID控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的控制功能；模糊PID控制操作是調(diào)用上述輸入數(shù)據(jù)、誤差判斷、模糊化、模糊推理、解模糊化、增益控制、控制保護(hù)及PID控制操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床伺服軸的優(yōu)化控制；具體流程為首先進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)操作，輸入數(shù)據(jù)操作后進(jìn)行誤差判斷操作，如有誤差則依次進(jìn)行模糊化操作、模糊推理操作、解模糊化操作、增益控制操作，再進(jìn)入控制保護(hù)操作；如沒有誤差則直接至控制保護(hù)操作；最后進(jìn)行PID控制操作；PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)初始化包括PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)初值的初始化以及PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)最大值的初始化；模糊自整定參數(shù)初始化包括對(duì)模糊控制輸入輸出隸屬度函數(shù)的初始化、模糊控制輸入、輸出系數(shù)的初始化以及模糊推理規(guī)則的初始化；定義模糊值的論域誤差e和誤差變化ec的隸屬度函數(shù)為開區(qū)間，區(qū)間邊界的隸屬度函數(shù)選擇梯形隸屬度函數(shù)，其他為三角隸屬度函數(shù)；其中所述調(diào)節(jié)參數(shù)Kp、Ki、Kd推導(dǎo)規(guī)則的歸納基于大量的工程實(shí)驗(yàn)，模糊推理方法選擇乘積推理機(jī)，乘積推理機(jī)使用模糊并組合的獨(dú)立推理原則，采用Mamdani積含義，所有t-范數(shù)算子都選用代數(shù)積算子，所有s-范數(shù)算子都選用最大算子；所述解模糊操作選擇中心平均解模糊器作為解模糊器。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)一是控制精度高。方法充分利用機(jī)床伺服軸在加工過程中的運(yùn)動(dòng)特性，即在某一加工過程中，控制對(duì)象為線性系統(tǒng)，采用PID調(diào)節(jié)器(為了區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的PID控制器，這里稱PID調(diào)節(jié)器)作為基本的控制單元。因此，充分利用了PID方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)態(tài)無靜差、控制精度高的特點(diǎn)，避免了常用二維模糊控制存在的靜差問題。
二是動(dòng)態(tài)性能好。針對(duì)加工過程中機(jī)床伺服軸在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)間的切換，引入模糊控制。不僅可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況，在線調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)，使之趨于最優(yōu)狀態(tài)，而且與被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性和控制策略等有關(guān)的知識(shí)可以嵌入到數(shù)控實(shí)現(xiàn)裝置中，以適應(yīng)軸控制中非線性擾動(dòng)的變化，從而使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性。
三是執(zhí)行效率高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，隨時(shí)調(diào)整PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的值，保證當(dāng)前PID控制參數(shù)是相對(duì)優(yōu)化的，所以可以獲得較高的執(zhí)行速度。
四是可靠性高。針對(duì)數(shù)控裝置中檢測(cè)環(huán)節(jié)與驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的特殊地位，系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)的電路，在確保系統(tǒng)開放的前提下，提高系統(tǒng)的可靠性。


圖1為本發(fā)明方法總體結(jié)構(gòu)圖。
圖2為圖1中本發(fā)明軸控制原理圖。
圖3為本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖4為圖3中軸控制電路的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5為圖4中現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的功能框圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)機(jī)床伺服軸控制的控制程序結(jié)構(gòu)圖。
圖7為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)機(jī)床伺服軸控制的控制程序流程圖。
圖8為本發(fā)明為控制程序中模糊PID控制操作圖。
圖9為本發(fā)明模糊PID控制伺服軸誤差變化軌跡。
圖10為現(xiàn)有技術(shù)PID控制伺服軸誤差變化軌跡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
(1)數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法參見圖1，采用人機(jī)接口、任務(wù)協(xié)調(diào)、運(yùn)動(dòng)控制及可編程控制器，將運(yùn)動(dòng)控制與可編程控制器加載于系統(tǒng)的內(nèi)核空間，人機(jī)接口、任務(wù)協(xié)調(diào)部分加載于系統(tǒng)的用戶空間，彼此間通過系統(tǒng)的共享通訊緩沖區(qū)互相通信；其中人機(jī)接口用來接受操作命令與工件程序，用來顯示本發(fā)明實(shí)現(xiàn)裝置的加工過程，實(shí)現(xiàn)機(jī)床操作人員與本發(fā)明實(shí)現(xiàn)裝置間的交互。
任務(wù)協(xié)調(diào)由狀態(tài)管理與工件程序解釋兩部分組成。狀態(tài)管理采用有限狀態(tài)機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)間，如自動(dòng)加工、手動(dòng)等方式間的自動(dòng)管理與切換。工件程序解釋采用編譯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)操作命令與工件程序到機(jī)床控制命令的分解。
運(yùn)動(dòng)控制包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與軸控制兩部分，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃通過速度規(guī)劃與曲線插補(bǔ)細(xì)化機(jī)床控制命令，生成具有位置與速度約束的機(jī)床伺服軸設(shè)置值；軸控制根據(jù)設(shè)置值，采用模糊PID控制方法動(dòng)態(tài)確定軸的控制參數(shù)并實(shí)現(xiàn)軸的穩(wěn)定控制，從而形成數(shù)控機(jī)床加工過程中伺服軸的運(yùn)動(dòng)。
可編程控制器由梯形圖編輯器與可編程控制器引擎兩部分組成。梯形圖編輯器實(shí)現(xiàn)以梯形圖表示機(jī)床電器控制程序的編輯與轉(zhuǎn)換?？删幊炭刂破饕娌捎媒忉尲夹g(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床電器控制程序的解釋執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床電器，如冷卻液開關(guān)、換刀等控制。
用戶通過人機(jī)接口輸入工件程序，工件程序在任務(wù)協(xié)調(diào)的控制下，形成機(jī)床控制命令，機(jī)床控制命令經(jīng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃生成軸控制設(shè)置值后，進(jìn)入軸控制階段；軸控制階段采用模糊PID控制方法，根據(jù)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在線調(diào)整控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)伺服軸的優(yōu)化控制。
模糊PID控制方法由參數(shù)可調(diào)PID調(diào)節(jié)器(為了區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的PID控制器，這里稱PID調(diào)節(jié)器)和模糊自整定機(jī)制兩部分組成，方法原理圖如圖2所示，其中以PID調(diào)節(jié)器作為基本的控制單元，以利用其控制精度高的特點(diǎn)。針對(duì)機(jī)床伺服軸在加工過程中的非線性特性和各種加工要求，引入模糊控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整。模糊自整定機(jī)制接收運(yùn)動(dòng)規(guī)劃輸出的設(shè)置值并通過編碼器檢測(cè)軸的實(shí)際位置值，形成誤差e與誤差變化率ec，再由模糊自整定機(jī)制中的模糊化進(jìn)行處理，形成語言變量，經(jīng)模糊推理及解模糊化處理，產(chǎn)生PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。在該參數(shù)的控制下，PID調(diào)節(jié)器控制機(jī)床伺服軸的運(yùn)動(dòng)，從而完成伺服軸的控制過程。
所述模糊推理是以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，推理規(guī)則形式如下If(e is...)and(ec is...)then(Kpis...)(Kjis...)(Kdis...)(1)基于所述規(guī)則，得出PID調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)是誤差e和誤差變化ec的非線性函數(shù)，具體可記為Kp=Kp0+{ej+ecj}p]]>Ki=Ki0+{ej+ecj}i---(2)]]>Kd=Kd0+{ej+ecj}d]]>其中，Kp0、Ki0、Kd0分別表示PID參數(shù)中比例、積分、微分的初始值，{ej+ecj}p、{ej+ecj}j、{ej+ecj}d表示經(jīng)模糊推理和解模糊化后得到的PID參數(shù)中比例、積分、微分的變化量；其中j為序數(shù)。
雖然e和ec均是時(shí)間的函數(shù)，但PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的取值只由e與ec具體值決定，而與處在什么時(shí)刻無關(guān)。因此，該模糊PID控制本質(zhì)上是一個(gè)靜態(tài)(或定常)非線性系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)非線性參數(shù)的獨(dú)立整定。為了確保數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性，消除加工過程中可能產(chǎn)生的振動(dòng)，本方法對(duì)PID調(diào)節(jié)器控制參數(shù)進(jìn)行范圍限定。
(2)數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置如圖3所示，數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置，基于ISA總線，由電源4供電，包括TFT型顯示器1、中央控制器2、機(jī)床操作面板3、軸控制電路5及接口電路6，其中中央控制器2與顯示器1、機(jī)床操作面板3通信，并通過ISA總線與軸控制電路5及接口電路6通信，控制程序安裝在中央控制器2的FLASH或DOM型存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)控機(jī)床模糊PID控制；為了確?？刂蒲b置控制性能與開放特性，裝置的軟件平臺(tái)采用具有實(shí)時(shí)擴(kuò)展的通用操作系統(tǒng)RTLinux。
具體如下TFT型顯示器1的尺寸為10.4″，采用640×480的顯示方式，支持16位增強(qiáng)色。
中央控制器2采用標(biāo)準(zhǔn)的工控板卡，CPU采用Intel的PentiumMMX，主頻200MHz，內(nèi)存32M，支持FLASH與DOM兩種方式，存儲(chǔ)容量64M。
機(jī)床操作面板3是人機(jī)交互的界面，完成鍵盤編輯、顯示信息和圖形及完成對(duì)機(jī)床操作的等功能。操作面板包括主鍵盤板、功能鍵盤板、鑰匙開關(guān)和LCD指示燈、波段開關(guān)、急停開關(guān)、循環(huán)啟動(dòng)，循環(huán)停止按鈕等(為電源4為數(shù)控系統(tǒng)提供+5V、+12V、-12V三種直流電源。它具有高效率，高可靠性，低輸出紋波與噪聲的特點(diǎn)。電源單元主要由工業(yè)用開關(guān)電源T-50B、電源控制板、電源輸入板、電源EMI濾波器四部分組成(為市購(gòu)產(chǎn)品)。
軸控制電路5以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA為核心，其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。它根據(jù)機(jī)床伺服軸的控制要求，提供D/A輸出接口、編碼器輸入接口、開關(guān)信號(hào)接口、測(cè)頭信號(hào)接口、顯示燈信號(hào)接口、輸入輸出電路接口、編碼器故障檢測(cè)接口、ISA總線接口，并由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列提供控制邏輯。其中D/A輸出接口提供伺服驅(qū)動(dòng)的控制信號(hào)，編碼器輸入接口檢測(cè)伺服電機(jī)中編碼器的位置信號(hào)，開關(guān)信號(hào)接口檢測(cè)機(jī)床伺服軸的回零點(diǎn)與極限位置，測(cè)頭信號(hào)接口檢測(cè)測(cè)頭的在線位置信號(hào)，顯示燈信號(hào)接口提供軸控制中的執(zhí)行狀態(tài)，輸入輸出電路接口為接口電路提供控制信號(hào)，編碼器故障檢測(cè)接口檢測(cè)編碼器的故障。其中上述接口電路均為標(biāo)準(zhǔn)電路(市購(gòu)產(chǎn)品)，電路產(chǎn)生信號(hào)最后通過ISA總線接口電路與裝置中的中央控制器進(jìn)行通信，由其上的控制軟件完成機(jī)床伺服軸的控制功能。
軸控制電路由一塊現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列提供控制邏輯，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列采用通用器件?？刂七壿嫺鶕?jù)軸的控制功能，由超高速集成電路硬件描述語言VHDL編寫，其功能框圖如圖5所示。其中地址譯碼邏輯、總線控制器、中斷控制器為測(cè)頭接口控制邏輯、編碼器接口控制邏輯、編碼器故障檢測(cè)接口控制邏輯和D/A輸出控制邏輯提供地址信號(hào)和控制命令信號(hào)。測(cè)頭接口控制邏輯、編碼器接口控制邏輯、編碼器故障檢測(cè)接口控制邏輯，根據(jù)地址信號(hào)和控制命令控制相應(yīng)的接口電路完成裝置的位置檢測(cè)功能。D/A輸出接口控制邏輯提供接口電路中D/A轉(zhuǎn)換芯片所需的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，產(chǎn)生伺服驅(qū)動(dòng)所需的模擬電壓信號(hào)。輸入輸出控制邏輯和使能控制邏輯通過其接口電路提供輸入、輸出開關(guān)量控制信號(hào)。EEPROM接口和硬件狗為系統(tǒng)提供軟硬件加密功能。燈、開關(guān)接口控制邏輯通過其接口電路為機(jī)床操作部件提供指示和操作信號(hào)。
接口電路6為標(biāo)準(zhǔn)電路(市購(gòu)產(chǎn)品)，主要功能是提供隔離的64輸入/48輸出數(shù)字接口，起著裝置與機(jī)床功能部件(如各種開關(guān)、指示燈以及繼電器)之間的信息傳遞作用。數(shù)控機(jī)床中各種開關(guān)(如限位開關(guān)等)的狀態(tài)要通過數(shù)字輸入端口讀入到裝置中，而數(shù)控機(jī)床控制面板上的指示燈以及繼電器的通斷，則通過接口電路6的數(shù)字輸出端口進(jìn)行控制。接口電路6的每個(gè)通道都是光電隔離的，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。
其中，接口電路6采用兩個(gè)D型37針插座為輸入接口，每個(gè)插座有32通道；采用兩個(gè)D型25孔插座為輸出接口，每個(gè)插座有24通道。D型插座通過端子板與機(jī)床電器相連，構(gòu)成了裝置的機(jī)床電器控制回路。
如圖6-7所示，控制程序包括軸控(Axisctrl)、軸特性(AxisProperty)、軸約束(AxisConstraint)、軸設(shè)置(AxisSetpoint)、軸檢測(cè)(AxisSense)、軸驅(qū)動(dòng)(AxisAction)、軸模糊PID控制(AxisFuzzyPID)部分；以軸控為主程序，其中軸特性記錄軸的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性，如時(shí)間常數(shù)、開環(huán)增益、閉環(huán)增益、死區(qū)、反向間隙等；軸約束記錄軸的運(yùn)動(dòng)能力，如最大行程、軟限程、硬限程等以軸運(yùn)動(dòng)的安全性；軸設(shè)置作為模糊PID控制與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的接口，記錄軸控制設(shè)置值；軸檢測(cè)作為編碼器的接口，檢測(cè)軸的實(shí)際運(yùn)行位置與速度；軸驅(qū)動(dòng)作為伺服驅(qū)動(dòng)的接口，提供伺服軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)；軸模糊PID控制按照模糊PID控制方法，調(diào)用軸特性、軸約束、軸檢測(cè)、軸驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)軸運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化控制。
軸模糊PID控制具有如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-PIDParam，保存PID調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分三個(gè)控制參數(shù)Kp、Ki、Kd的值、初值和最大值；-fuzzyRuleSet，以表格的方式存貯模糊控制規(guī)則；-fuzzyInSet以模糊結(jié)構(gòu)定義輸入模糊集；-fuzzyOutSet以模糊結(jié)構(gòu)定義輸出模糊集；其模糊結(jié)構(gòu)如下struct FUZZY STRUCT{double center[NUM_OF_MFS]；/*輸入輸出論域內(nèi)各個(gè)模糊集的中心*/double deg_of_mbrship[NUM_OF_MFS]；/*隸屬度函數(shù)*/double spread；/*模糊集區(qū)間長(zhǎng)度的一半*/double gain；/*模糊輸入輸出的系數(shù)*/double error；/*模糊控制器的輸入或輸出值*/}
軸模糊PID控制包括初始化操作、輸入數(shù)據(jù)操作、誤差判斷操作、模糊化操作、模糊推理操作、解模糊化操作、增益控制操作、控制保護(hù)操作、PID控制操作、模糊PID控制操作，其中初始化操作(fuzzyInit())，包括對(duì)PID控制操作比例、積分、微分參數(shù)的初始化和模糊自整定機(jī)制參數(shù)初始化，具體為對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PIDParam、fuzzyRuleSet、fuzzyInSet及fuzzyOutSet的初始化。
PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)初始化包括PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)初值的初始化以及PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)最大值的初始化；模糊自整定機(jī)制參數(shù)初始化包括對(duì)fuzzyInSet與fuzzyOutSet中隸屬度函數(shù)、輸入系數(shù)和輸出系數(shù)與輸入值和輸出值的初始化，以及模糊推理規(guī)則fuzzyRuleSet的初始化。
為了提高數(shù)控裝置的控制精度，fuzzyInSet與fuzzyOutSet中輸入系數(shù)和輸出系數(shù)選擇較大的參數(shù)，同時(shí)為了提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，盡量減少PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的變化次數(shù)和變化范圍，即輸入系數(shù)和輸出系數(shù)選擇較小的參數(shù)。因此，在選擇輸入、輸出系數(shù)時(shí)，需要在裝置的精度和穩(wěn)定性之間折中。據(jù)此，本實(shí)施例設(shè)定輸入系數(shù)與輸出系數(shù)分別為1.5和4。
輸入數(shù)據(jù)操作(inputError())由軸設(shè)置(AxisSetpoint)讀取運(yùn)動(dòng)規(guī)劃給出的設(shè)置值，由軸檢測(cè)AxisSense讀取當(dāng)前軸實(shí)際位置值，形成模糊PID控制的誤差e和誤差變化率ec。
誤差判斷操作(ctrlAccuracy())評(píng)價(jià)當(dāng)前PID控制操作的執(zhí)行情況；若當(dāng)前控制誤差較小，即若輸入誤差e的值小于系統(tǒng)的控制精度一個(gè)單位數(shù)量級(jí)，則說明當(dāng)前PID控制操作的參數(shù)值較好，不需要調(diào)整，此時(shí)跳過模糊自整定相關(guān)模塊，直接運(yùn)行PID控制操作(即，PID調(diào)節(jié)器)；否則運(yùn)行模糊自整定相關(guān)模塊，調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；模糊化操作(fuzzy())將來自輸入數(shù)據(jù)操作輸入值按照模糊化方法和模糊隸屬度函數(shù)，映射為一定區(qū)間上的模糊值，形成語言變量作為模糊推理操作的輸入?yún)?shù)?；跀?shù)控裝置對(duì)速度與精度的要求，操作采用誤差e與誤差變化率ec為模糊集上的論域；其中e＝{-0.75，-0.5，-0.25，0，0.25，0.5，0.75}ec＝{-0.15，-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，0.15}所對(duì)應(yīng)的模糊子集為e，ec＝{ LN(負(fù)方向偏大)、MN(負(fù)方向居中)、SN(負(fù)方向偏小)、ZZ(零)、SP(正方向偏小)、MP(正方向居中)、LP(正方向偏大)}為了使裝置能對(duì)誤差e和誤差變化ec在較大范圍內(nèi)的變動(dòng)做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，定義誤差e和誤差變化ec的隸屬度函數(shù)為開區(qū)間，區(qū)間邊界的隸屬度函數(shù)選擇梯形隸屬度函數(shù)，其他為三角隸屬度函數(shù)。
模糊推理操作(fuzzyInf())根據(jù)模糊推理規(guī)則和模糊推理方法，推導(dǎo)出輸入誤差e和誤差變化ec對(duì)應(yīng)的參數(shù)Kp、Ki、Kd，該輸出值的形式為模糊值；其中所述調(diào)節(jié)參數(shù)Kp、Ki、Kd推導(dǎo)規(guī)則的歸納基于大量的工程實(shí)驗(yàn)，模糊推理方法選擇乘積推理機(jī)，乘積推理機(jī)使用模糊并組合的獨(dú)立推理原則，采用Mamdani積含義，所有t-范數(shù)算子都選用代數(shù)積算子，所有s-范數(shù)算子都選用最大算子。
本實(shí)施例具體推導(dǎo)規(guī)則見表1、表2、表3。由規(guī)則表可以看出，數(shù)控裝置軸控制規(guī)則是相互獨(dú)立的。

表1 Kp的模糊規(guī)則表

表2 Ki的模糊規(guī)則表

表3 Kd的模糊規(guī)則表解模糊化操作(deFuzzy())對(duì)模糊推理操作的輸出值根據(jù)輸出隸屬度函數(shù)進(jìn)行解模糊化，得到PID控制操作的比例、積分、微分調(diào)節(jié)參數(shù)(Δp、ΔI、Δd)；為了使解模糊化的計(jì)算過程簡(jiǎn)便、直觀合理，以提高裝置的運(yùn)行速度和控制精度，選擇中心平均解模糊器作為解模糊器。
輸出隸屬度函數(shù)的確定與PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的初值設(shè)定和PID調(diào)節(jié)器參數(shù)在每一控制循環(huán)周期內(nèi)變化量的大小有關(guān)。PID控制操作參數(shù)的初值設(shè)定與穩(wěn)態(tài)值之間的差別越小，所需要調(diào)整的變化量就越小，隸屬度函數(shù)區(qū)間范圍就越小。如果單周期內(nèi)PID控制操作參數(shù)變化量大，則系統(tǒng)(本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)裝置)的執(zhí)行效率高，但穩(wěn)定性差，可能產(chǎn)生軸正超差；如果單周期內(nèi)PID控制操作參數(shù)變化量小，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，但執(zhí)行效率低，可能產(chǎn)生軸負(fù)超差。根據(jù)裝置的上述特性，選取比例Δp的變化區(qū)間為[-1，+1]，積分ΔI的變化區(qū)間為[-0.1，+0.1]，微分Δd的變化區(qū)間為[-0.2，+0.2]。
增益控制操作(gainCtrl())根據(jù)解模糊化操作得到的比例、積分、微分調(diào)節(jié)參數(shù)Δp、Δi、Δd的值來調(diào)整PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)Kp、Ki、Kd的值，調(diào)節(jié)原則為{ej+ecj}p＝pa×Δp{ej+ecj}i＝ia×ΔI(3){ej+ecj}d＝da×Δd其中pa、ia、da為大于零的實(shí)數(shù)，j為序數(shù)；其作用為增大或減小模糊自整定的速度。若pa、ia、da的值較大，則縮短PID控制操作參數(shù)的整定時(shí)間；若pa、ia、da的值較小，則能獲得更加穩(wěn)定、平滑的控制效果。
控制保護(hù)操作(ctrlSafe())設(shè)定PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)調(diào)節(jié)的上限，防止由于某種原因超調(diào)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。在數(shù)控裝置的加工過程中，如果進(jìn)給超過刀具的實(shí)際負(fù)載能力，不僅不能完成加工任務(wù)，而且可能造成刀具損傷，甚至人員傷亡，因此有必要設(shè)定PID控制操作參數(shù)的變化范圍。其PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)的變化范圍如果PID控制操作的比例參數(shù)Kp大于設(shè)定的最大值pmax，則令控制操作的比例參數(shù)Kp的值等于設(shè)定的最大值pmax；如果PID控制操作的積分參數(shù)Ki大于設(shè)定的最大值imax，則令PID控制操作的積分參數(shù)Ki的值等于設(shè)定的最大值imax；如果PID控制操作的微分參數(shù)Kd大于設(shè)定的最大值dmax，則令PID控制操作的微分參數(shù)Kd的值等于設(shè)定的最大值dmax；其中，Pmax、imax、dmax分別為PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)調(diào)節(jié)的上限，其具體值根據(jù)軸、刀具和電機(jī)的實(shí)際性能指標(biāo)設(shè)定；PID控制操作(PIDCtrl())根據(jù)控制保護(hù)操作所得到比例、積分、微分參數(shù)Kp、Ki、Kd的值，采用傳統(tǒng)的PID控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的控制功能；其輸出結(jié)果經(jīng)過數(shù)模變換，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐?，?shí)現(xiàn)對(duì)伺服軸的控制功能。
如圖8所示，模糊PID控制操作是調(diào)用上述輸入數(shù)據(jù)、誤差判斷、模糊化、模糊推理、解模糊化、增益控制、控制保護(hù)及PID控制操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床伺服軸的優(yōu)化控制；具體流程為首先進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)操作，輸入數(shù)據(jù)操作后進(jìn)行誤差判斷操作，如有誤差則依次進(jìn)行模糊化操作、模糊推理操作、解模糊化操作、增益控制操作，再進(jìn)入控制保護(hù)操作；如沒有誤差則直接至控制保護(hù)操作；最后進(jìn)行PID控制操作。
在上述軟、硬結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行中，用戶可通過人機(jī)接口輸入工件程序，工件程序在任務(wù)協(xié)調(diào)的控制下，經(jīng)解釋器解釋形成機(jī)床控制命令，機(jī)床控制命令經(jīng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃生成軸控制的設(shè)置值后，進(jìn)入伺服軸的控制階段。采用模糊PID方法的軸控制，可根據(jù)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在線調(diào)整控制參數(shù)，形成實(shí)現(xiàn)裝置的智能化決策過程，其決策過程參見圖8所示的模糊PID控制操作具體流程。軸控制以本發(fā)明實(shí)現(xiàn)裝置的采樣周期為運(yùn)行周期，首先通過編碼器接口電路檢測(cè)軸的實(shí)際位置，實(shí)際位置值與設(shè)置值產(chǎn)生誤差e與誤差變化率ec，e與ec經(jīng)模糊自整定的模糊化處理形成語言變量，語言變量通過模糊推理與解模糊化產(chǎn)生PID調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分參數(shù)，在所述參數(shù)的控制下，PID調(diào)節(jié)器控制機(jī)床伺服軸的運(yùn)動(dòng)，從而完成一個(gè)伺服周期的決策與控制過程。
(3)本發(fā)明執(zhí)行效果控制對(duì)象采用數(shù)控裝置中常用的安川∑-2伺服與電機(jī)，其主要參數(shù)如下·最大轉(zhuǎn)速＝2000轉(zhuǎn)/秒·最大加工速度＝10米/秒·最大額定電壓為＝10伏·機(jī)械螺距＝6毫米本發(fā)明方法及所用智能型實(shí)現(xiàn)裝置的主要參數(shù)如下·插補(bǔ)周期＝0.002秒·軸最大速度＝10.00米/秒·跟隨誤差＝1.200毫米·最小跟隨誤差＝0.010毫米·伺服周期＝0.0005秒·p＝70(PID控制參數(shù)Kp的初值)·i＝0.1(PID控制參數(shù)Ki的初值)·d＝0.05(PID控制參數(shù)Kd的初值)基于上述參數(shù)，采用本發(fā)明，伺服軸誤差變化軌跡如圖9所示(橫坐標(biāo)表示采樣周期，縱坐標(biāo)表示當(dāng)前采樣周期內(nèi)的誤差值)，而采用傳統(tǒng)的PID控制方法，伺服軸誤差變化軌跡如圖10所示。從伺服軸誤差變化軌跡的對(duì)比可以得到如下結(jié)論模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置1.模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置執(zhí)行效率高。本發(fā)明在大約80個(gè)采樣周期內(nèi)就實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，而PID控制方法需要100多個(gè)采樣周期才到達(dá)控制目標(biāo)；2.模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置控制精度高，控制曲線平滑。本發(fā)明控制過程中誤差變化沒有出現(xiàn)大的抖動(dòng)現(xiàn)象。而PID控制過程中存在誤差抖動(dòng)。
3.模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置動(dòng)態(tài)性能好。因?yàn)閷?duì)于相同初始化控制參數(shù)，本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)裝置在控制過程中能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況調(diào)整PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的值，所以比PID控制方法魯棒性強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法，采用人機(jī)接口、任務(wù)協(xié)調(diào)、運(yùn)動(dòng)控制及可編程控制器，將運(yùn)動(dòng)控制與可編程控制器加載于系統(tǒng)的內(nèi)核空間，人機(jī)接口、任務(wù)協(xié)調(diào)部分加載于系統(tǒng)的用戶空間，彼此間通過系統(tǒng)的共享通訊緩沖區(qū)互相通信；運(yùn)動(dòng)控制包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與軸控制兩部分；其特征在于軸控制根據(jù)軸運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的設(shè)置值，采用模糊PID控制方法動(dòng)態(tài)確定軸的控制參數(shù)并實(shí)現(xiàn)軸的穩(wěn)定控制，從而形成數(shù)控機(jī)床加工過程中伺服軸的運(yùn)動(dòng)。
2.按權(quán)利要求1所述數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法，其特征在于所述模糊PID控制方法由參數(shù)可調(diào)PID調(diào)節(jié)器和模糊自整定機(jī)制兩部分組成，其中以PID調(diào)節(jié)器作為基本的控制單元，針對(duì)機(jī)床伺服軸在加工過程中的非線性特性和各種加工要求，引入模糊控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整；模糊自整定機(jī)制接收運(yùn)動(dòng)規(guī)劃輸出的設(shè)置值并通過編碼器檢測(cè)軸的實(shí)際位置值，形成誤差e與誤差變化率ec，再由模糊自整定機(jī)制中的模糊化進(jìn)行處理，形成語言變量，經(jīng)模糊推理及解模糊化處理，產(chǎn)生PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，在該參數(shù)的控制下，PID調(diào)節(jié)器控制機(jī)床伺服軸的運(yùn)動(dòng)，從而完成伺服軸的控制過程。
3.按權(quán)利要求1所述數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法，其特征在于所述模糊推理是以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，推理規(guī)則形式如下If(e is...)and(ec is...)then(Kpis...)(Kiis...)(Kdis...) (1)基于所述規(guī)則，得出PID調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)是誤差e和誤差變化ec的非線性函數(shù)，具體可記為Kp=Kp0+{ej+ecj}p]]>Ki=Ki0+{ej+ecj}i]]>Kd=Kd0+{ei+eci}d]]>其中，Kp0、Ki0、Kd0分別表示PID參數(shù)中的比例、積分、微分的初始值，{ej+ecj}p、{ej+ecj}i、{ej+ecj}d表示經(jīng)模糊推理和解模糊化后得到的調(diào)整PID參數(shù)中比例、積分、微分的變化量；其中j為序數(shù)。
4.一種按權(quán)利要求1所述數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于基于ISA總線，由電源(4)供電，包括顯示器(1)、中央控制器(2)、機(jī)床操作面板(3)、軸控制電路(5)及接口電路(6)，其中中央控制器(2)與顯示器(1)、機(jī)床操作面板(3)通信，并通過ISA總線與軸控制電路(5)及接口電路(6)通信，控制程序安裝在中央控制器(2)的FLASH或DOM中，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床模糊PID控制；所述控制程序包括軸控(Axisctrl)、軸特性(AxisProperty)、軸約束(AxisConstraint)、軸設(shè)置(AxisSetpoint)、軸檢測(cè)(AxisSense)、軸驅(qū)動(dòng)(AxisAction)、軸模糊PID控制(AxisFuzzyPID)部分；以軸控為主程序，其中軸特性記錄軸的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性；軸約束記錄軸的運(yùn)動(dòng)能力；軸設(shè)置作為模糊PID控制與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的接口，記錄軸設(shè)置位置；軸檢測(cè)作為位置編碼器的接口，檢測(cè)軸的實(shí)際運(yùn)行位置與速度；軸驅(qū)動(dòng)作為伺服軸的接口，提供電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)；軸模糊PID控制按照模糊PID控制方法，調(diào)用軸特性、軸約束、軸檢測(cè)、軸驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)軸運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化控制。
5.按權(quán)利要求4所述數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于所述模糊PID控制包括初始化操作、輸入數(shù)據(jù)操作、誤差判斷操作、模糊化操作、模糊推理操作、解模糊化操作、增益控制操作、控制保護(hù)操作、PID控制操作、模糊PID控制操作，其中初始化操作(fuzzyInit())，具體包括PID控制操作比例、積分、微分參數(shù)初始化和模糊自整定參數(shù)初始化；輸入數(shù)據(jù)操作(inputError())由軸設(shè)置(AxisSetpoint)讀取運(yùn)動(dòng)規(guī)劃給出的設(shè)置值(setPoint)，由軸檢測(cè)AxisSense讀取當(dāng)前軸實(shí)際位置值，形成模糊PID控制的誤差e和誤差變化率ec；誤差判斷操作(ctrlAccuracy())評(píng)價(jià)當(dāng)前PID控制操作的執(zhí)行情況；若輸入誤差e的值小于系統(tǒng)的控制精度一個(gè)單位數(shù)量級(jí)，則不需要調(diào)整，此時(shí)跳過模糊控制相關(guān)模塊，直接運(yùn)行PID控制操作；否則運(yùn)行模糊控制相關(guān)模塊，調(diào)整PID控制的相關(guān)參數(shù)；模糊化操作(fuzzy())將來自輸入數(shù)據(jù)操作的輸入值按照模糊化方法和模糊隸屬度函數(shù)，映射為一定區(qū)間上的模糊值，其模糊值的論域?yàn)閑＝{-0.75，-0.5，-0.25，0，0.25，0.5，0.75}ec＝{-0.15，-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，0.15}所對(duì)應(yīng)的模糊子集為e，ec＝{LN(負(fù)方向偏大)、MN(負(fù)方向居中)、SN(負(fù)方向偏小)、ZZ(零)、SP(正方向偏小)、MP(正方向居中)、LP(正方向偏大)}模糊推理操作(fuzzyInf())根據(jù)模糊推理規(guī)則和模糊推理方法，推導(dǎo)輸入誤差e和誤差變化ec對(duì)應(yīng)的參數(shù)Kp、Ki、Kd，該輸出值的形式為模糊值；解模糊化操作(deFuzzy())對(duì)模糊推理操作的輸出值根據(jù)輸出隸屬度函數(shù)進(jìn)行解模糊化，得到PID控制操作的比例、積分、微分調(diào)節(jié)參數(shù)(Δp、ΔI、Δd)；增益控制操作(gainCtrl())根據(jù)解模糊化操作得到的比例、積分、微分調(diào)節(jié)增益參數(shù)Δp、Δi、Δd的值來調(diào)整PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)Kp、Ki、Kd的值，調(diào)節(jié)原則為{ej+ecj}p＝pa×Δp{ej+ecj}i＝ia×ΔI(3){ej+ecj}d＝da×Δd其中pa、ia、da為大于零的實(shí)數(shù)，j為序數(shù)；控制保護(hù)操作(ctrlSafe())設(shè)定PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)調(diào)節(jié)的上限，其PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)的變化范圍如果PID控制操作的比例參數(shù)Kp大于設(shè)定的最大值Pmax，則令控制操作的比例參數(shù)Kp的值等于設(shè)定的最大值Pmax；如果PID控制操作的積分參數(shù)Ki大于設(shè)定的最大值imax，則令PID控制操作的積分參數(shù)Ki的值等于設(shè)定的最大值imax；如果PID控制操作的微分參數(shù)Kd大于設(shè)定的最大值dmax，則令PID控制操作的微分參數(shù)Kd的值等于設(shè)定的最大值dmax；其中，pmax、imax、dmax分別為PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)調(diào)節(jié)的上限，其具體值根據(jù)軸、刀具和電機(jī)的實(shí)際性能指標(biāo)設(shè)定；PID控制操作(PIDCtrl())根據(jù)控制保護(hù)操作所得到比例、積分、微分參數(shù)Kp、Ki、Kd的值，采用傳統(tǒng)的PID控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的控制功能；模糊PID控制操作是調(diào)用上述輸入數(shù)據(jù)、誤差判斷、模糊化、模糊推理、解模糊化、增益控制、控制保護(hù)及PID控制操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床伺服軸的優(yōu)化控制；具體流程為首先進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)操作，輸入數(shù)據(jù)操作后進(jìn)行誤差判斷操作，如有誤差則依次進(jìn)行模糊化操作、模糊推理操作、解模糊化操作、增益控制操作，再進(jìn)入控制保護(hù)操作；如沒有誤差則直接至控制保護(hù)操作；最后進(jìn)行PID控制操作。
6.按權(quán)利要求4所述數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)初始化包括PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)初值的初始化以及PID控制操作的比例、積分、微分參數(shù)最大值的初始化；模糊自整定參數(shù)初始化包括對(duì)模糊控制輸入輸出隸屬度函數(shù)的初始化、模糊控制輸入、輸出系數(shù)的初始化以及模糊推理規(guī)則的初始化。
7.按權(quán)利要求4所述數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于定義模糊值的論域誤差e和誤差變化ec的隸屬度函數(shù)為開區(qū)間，區(qū)間邊界的隸屬度函數(shù)選擇梯形隸屬度函數(shù)，其他為三角隸屬度函數(shù)。
8.按權(quán)利要求4所述數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于其中所述調(diào)節(jié)參數(shù)Kp、Ki、Kd推導(dǎo)規(guī)則的歸納基于大量的工程實(shí)驗(yàn)，模糊推理方法選擇乘積推理機(jī)，乘積推理機(jī)使用模糊并組合的獨(dú)立推理原則，采用Mamdani積含義，所有t-范數(shù)算子都選用代數(shù)積算子，所有s-范數(shù)算子都選用最大算子。
9.按權(quán)利要求4所述數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于所述解模糊操作選擇中心平均解模糊器作為解模糊器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種數(shù)控機(jī)床模糊PID控制方法及實(shí)現(xiàn)裝置，它采用人機(jī)接口、任務(wù)協(xié)調(diào)、運(yùn)動(dòng)控制及可編程控制器，將運(yùn)動(dòng)控制與可編程控制器加載于系統(tǒng)的內(nèi)核空間，人機(jī)接口、任務(wù)協(xié)調(diào)部分加載于系統(tǒng)的用戶空間，彼此間通過系統(tǒng)的共享通訊緩沖區(qū)互相通信；運(yùn)動(dòng)控制包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與軸控制兩部分；其中軸控制根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的設(shè)置值，采用模糊PID控制方法動(dòng)態(tài)確定軸的控制參數(shù)并實(shí)現(xiàn)軸的穩(wěn)定控制，從而形成加工過程中機(jī)床伺服軸的運(yùn)動(dòng)。采用本發(fā)明可通過將模糊控制與PID控制相結(jié)合的方法來支持實(shí)用化、性能優(yōu)異智能型數(shù)控裝置，達(dá)到加工過程中機(jī)床伺服軸運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化控制。
文檔編號(hào)G05B13/02GK1952819SQ20051004742
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2005年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月17日
發(fā)明者林滸, 于東, 蓋容麗, 郭銳鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司