本發(fā)明涉及伺服系統(tǒng)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)控機(jī)床自學(xué)習(xí)修正誤差的方法。

背景技術(shù)：

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的綜合科技水平，對(duì)國(guó)家的航空航天、冶金、礦山、化工、船舶、交通運(yùn)輸、精密器械和醫(yī)療設(shè)備等各個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有極為重要的作用。自1952年世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在硬件軟件方面的性能均得到全面提升。目前，數(shù)控系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)加工中的高速度高精度功能，并向著智能化的方向發(fā)展。作為數(shù)控系統(tǒng)核心的控制算法，目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)基本都是采用PID(比例(proportion)、積分(integration)、微分(differentiation))控制，該算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)，因而得到廣泛應(yīng)用。

作為數(shù)控機(jī)床的其中一個(gè)應(yīng)用，隨著智能手機(jī)等3C產(chǎn)品的需求逐漸上漲，手機(jī)零部件的需求量也越來(lái)越多，同一數(shù)控機(jī)床可能很長(zhǎng)時(shí)間之內(nèi)都在加工同一個(gè)零件。但目前零件制造使用的都是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控機(jī)床，并沒(méi)有考慮到同一零件的多批量生產(chǎn)問(wèn)題，也就是說(shuō)數(shù)控機(jī)床并沒(méi)有利用已加工出的零件情況來(lái)指導(dǎo)后續(xù)的加工，仍然將大批量生產(chǎn)當(dāng)作單件生產(chǎn)的機(jī)械重復(fù)，這樣就很容易產(chǎn)生次品率，目前的成品率一般在80％以下。成品率的降低使得數(shù)控機(jī)床整體性能的要求增加，機(jī)床購(gòu)置成本大幅度提高，減少了行業(yè)的利潤(rùn)率，不利于行業(yè)的發(fā)展。

目前，典型數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，1/(Js+B)為電機(jī)模型，w為電機(jī)輸出角速度，θ為電機(jī)輸出角度，r_g為傳動(dòng)系數(shù)，x為系統(tǒng)實(shí)際輸出。參考輸入信號(hào)r在軌跡生成模塊進(jìn)行速度規(guī)劃和插補(bǔ)，將得到的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給控制器，控制器為三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層為電流環(huán)，其次是速度環(huán)，最外層是位置環(huán)。三個(gè)控制器均采用PID控制算法。在同一軌跡的重復(fù)跟蹤過(guò)程中，每次運(yùn)行時(shí)的控制量均相同，不會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行次數(shù)而變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中不能根據(jù)前次加工誤差信息自主學(xué)習(xí)的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種數(shù)控機(jī)床自學(xué)習(xí)修正誤差系統(tǒng)，還提供了一種基于該系統(tǒng)的修正誤差方法。

本發(fā)明數(shù)控機(jī)床自學(xué)習(xí)修正誤差系統(tǒng)包括軌跡生成模塊、位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器、第二控制器、電機(jī)及傳動(dòng)模塊，所述軌跡生成模塊的輸出端與位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器的輸入端相連，所述第二控制器的輸入端與所述位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器的輸出端相連，所述第二控制器輸出端與電機(jī)及傳動(dòng)模塊輸入端相連。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，還包括干擾觀測(cè)器，所述干擾觀測(cè)器的輸入端分別與所述第二控制器的輸出端及電機(jī)及傳動(dòng)模塊輸出端相連，所述干擾觀測(cè)器的輸出端與第二控制器的輸出端相連。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述干擾觀測(cè)器包括干擾輸入單元、測(cè)量噪聲輸入單元、標(biāo)稱模型生成單元和低通濾波器，所述干擾輸入單元輸出端通過(guò)電機(jī)及傳動(dòng)模塊與標(biāo)稱模型生成單元輸入端相連，所述測(cè)量噪聲輸入單元輸出端與標(biāo)稱模型生成單元輸入端相連，所述標(biāo)稱模型生成單元輸出端與第二控制器的輸出端分別與低通濾波器的輸入端相連，所述低通濾波器的輸出端與第二控制器的輸出端相連。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，還包括外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器，所述外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器的輸入端與電機(jī)及傳動(dòng)模塊輸出端相連，所述外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器與軌跡生成模塊相連。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器包括第一控制器、迭代學(xué)習(xí)控制器、存儲(chǔ)器，所述軌跡生成模塊的輸出端與所述第一控制器輸入端和存儲(chǔ)器輸入端相連，所述迭代學(xué)習(xí)控制器與存儲(chǔ)器相連，所述迭代學(xué)習(xí)控制器輸出端和第一控制器的輸出端與第二控制器的輸入端相連。

本發(fā)明還提供了一種基于該系統(tǒng)的修正誤差方法，包含如下步驟：

A1：開(kāi)始，軌跡生成模塊給定期望軌跡及運(yùn)行次數(shù)；

A2：位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器進(jìn)行迭代控制，輸出位置控制量；

A3：第二控制器輸出速度和電流控制量；

A4：電機(jī)及傳動(dòng)模塊根據(jù)位置控制量、速度和電流控制量運(yùn)行，輸出軌跡；

A5：判斷是否到達(dá)給定運(yùn)行次數(shù)，如果是，結(jié)束，如果否，返回執(zhí)行步驟A2。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，還包括執(zhí)行隨機(jī)干擾抑制步驟B，在步驟A2執(zhí)行后，判斷是否存在隨機(jī)干擾，如果是，利用干擾觀測(cè)器對(duì)隨機(jī)干擾和測(cè)量噪聲進(jìn)行濾除，然后執(zhí)行步驟A3，如果否，執(zhí)行步驟A3。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，還包括外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃步驟C：在步驟A4執(zhí)行完畢后，判斷運(yùn)行一定次數(shù)后，輸出軌跡與期望軌跡的誤差是否減小到設(shè)定值，如果是，執(zhí)行步驟A5，如果否，利用外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器重新進(jìn)行速度規(guī)劃，然后返回執(zhí)行步驟A1。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述速度規(guī)劃的方法包括梯形速度規(guī)劃法、S形速度規(guī)劃法和正弦速度規(guī)劃法。所述速度規(guī)劃的原理為：根據(jù)輸入的實(shí)際軌跡與期望軌跡的誤差項(xiàng)，確定一個(gè)速度規(guī)劃的優(yōu)化機(jī)制，將超過(guò)一定值的誤差控制在合適的范圍內(nèi)，在適當(dāng)區(qū)域可作加速處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行時(shí)的誤差可控和效率最優(yōu)。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟A2中，位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器中的迭代學(xué)習(xí)控制器為閉環(huán)PD型迭代控制器，所述控制信號(hào)的表達(dá)式為：其中，k表示系統(tǒng)運(yùn)行次數(shù)，u_k表示第k次運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的控制量輸出；u_k+1表示第k+1次運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的控制量輸出；Γ_p表示比例項(xiàng)學(xué)習(xí)增益，Γ_d表示微分項(xiàng)學(xué)習(xí)增益，e_k+1表示第k+1次運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的誤差信號(hào)，

所述迭代控制的方法包括如下步驟：

A21：開(kāi)始，比例項(xiàng)學(xué)習(xí)增益和微分項(xiàng)學(xué)習(xí)增益設(shè)定為一較大定值；

A22：迭代開(kāi)始；

A23：判斷實(shí)際輸出軌跡與期望軌跡之間的誤差是否小于第一設(shè)定值，如果是，執(zhí)行步驟A24，如果否，返回執(zhí)行步驟A22；

A24：比例項(xiàng)學(xué)習(xí)增益和微分項(xiàng)學(xué)習(xí)增益設(shè)定為一較小定值；

A25：繼續(xù)迭代；

A26：判斷實(shí)際輸出軌跡與期望軌跡之間的誤差是否小于第二設(shè)定值，如果是，停止迭代，控制量保持不變，結(jié)束，如果否，返回執(zhí)行步驟A25。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：內(nèi)層的位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器為控制器方面的學(xué)習(xí)控制，是實(shí)時(shí)控制，在施加重復(fù)性位置指令時(shí)，使輸出跟隨輸入，以輸出軌跡與期望軌跡的偏差修正不理想的控制信號(hào)，產(chǎn)生新的控制信號(hào)，使得系統(tǒng)的跟蹤性能得以提升，具有記憶系統(tǒng)與經(jīng)驗(yàn)修正功能，有效減小了輸出軌跡與期望軌跡的誤差；通過(guò)設(shè)計(jì)迭代學(xué)習(xí)控制器，干擾觀測(cè)器以及變?cè)鲆鏃l件補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)期望軌跡的跟蹤及加工過(guò)程中干擾的抑制；外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器為規(guī)劃層面的學(xué)習(xí)控制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部誤差過(guò)大或誤差小但速度過(guò)小時(shí)，啟用外層自學(xué)習(xí)，跟蹤誤差對(duì)軌跡重新進(jìn)行速度規(guī)劃，是非實(shí)時(shí)的過(guò)程，有效解決了內(nèi)層學(xué)習(xí)控制效果不理想的問(wèn)題。通過(guò)本發(fā)明的方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)在重復(fù)加工中積累誤差經(jīng)驗(yàn)、自主修正誤差的自學(xué)習(xí)功能，數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程變?yōu)樽詣?dòng)學(xué)習(xí)的過(guò)程，大大提高了加工的成品率。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明前三次輸出軌跡與期望軌跡示意圖；

圖4為輸出軌跡與期望軌跡的均方根誤差與迭代次數(shù)關(guān)系示意圖；

圖5為干擾觀測(cè)器原理圖；

圖6為本發(fā)明方法流程圖；

圖7為本發(fā)明一實(shí)施例方法流程圖；

圖8為迭代控制的方法流程圖；

圖9為梯形速度規(guī)劃法方法流程圖；

圖10為梯形速度規(guī)劃法速度與時(shí)間關(guān)系示意圖；

圖11 X,Y平臺(tái)加工不同區(qū)域具有相同幾何特性段工件示意圖；

圖12為正八邊形跟蹤誤差示意圖；

圖13為同一工件置于X,Y平臺(tái)不同位置加工示意圖；

圖14為軌跡規(guī)劃閉環(huán)流程圖；

圖15為外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器修改性能參數(shù)流程圖；

圖16為拐彎時(shí)間為0.02時(shí)規(guī)劃軌跡與實(shí)際軌跡對(duì)比圖；

圖17為拐彎時(shí)間為0.005時(shí)規(guī)劃軌跡與實(shí)際軌跡對(duì)比圖；

圖18為拐彎時(shí)間分別為0.02及0.05時(shí)實(shí)際軌跡與規(guī)劃軌跡對(duì)比圖；

圖19為外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器局部S型或?yàn)V波機(jī)制流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖2所示，本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)在重復(fù)加工中積累誤差經(jīng)驗(yàn)、自主修正誤差的自學(xué)習(xí)功能，設(shè)計(jì)了雙層自學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，在控制器層面和軌跡規(guī)劃層面均進(jìn)行了學(xué)習(xí)校正。

本發(fā)明的數(shù)控機(jī)床自學(xué)習(xí)修正誤差系統(tǒng)包括軌跡生成模塊、位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器、第二控制器、電機(jī)及傳動(dòng)模塊，所述軌跡生成模塊的輸出端與位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器的輸入端相連，所述第二控制器的輸入端與所述位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器的輸出端相連，所述第二控制器輸出端與電機(jī)及傳動(dòng)模塊輸入端相連。

其中，所述位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器包括第一控制器、迭代學(xué)習(xí)控制器、存儲(chǔ)器，所述軌跡生成模塊的輸出端與所述第一控制器輸入端相連，所述迭代學(xué)習(xí)控制器與存儲(chǔ)器相連，所述迭代學(xué)習(xí)控制器輸出端和第一控制器的輸出端與第二控制器的輸入端相連，其中，第一控制器即為現(xiàn)有技術(shù)中的位置環(huán)控制器。

圖2中的ILC為迭代學(xué)習(xí)控制器，k表示系統(tǒng)運(yùn)行次數(shù)。所謂迭代學(xué)習(xí)，即在“重復(fù)中學(xué)習(xí)”，指系統(tǒng)多次運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制嘗試，以輸出軌跡與期望軌跡的偏差修正不理想的控制信號(hào)，產(chǎn)生新的控制信號(hào)，使得系統(tǒng)的跟蹤性能得以提升，具有記憶系統(tǒng)與經(jīng)驗(yàn)修正機(jī)制。

本發(fā)明的位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器中的迭代學(xué)習(xí)控制器為閉環(huán)PD型迭代控制器，所述控制信號(hào)的表達(dá)式為：其中，k表示系統(tǒng)運(yùn)行次數(shù)，u_k表示第k次運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的控制量輸出；u_k+1表示第k+1次運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的控制量輸出；Γ_p表示比例項(xiàng)學(xué)習(xí)增益，Γ_d表示微分項(xiàng)學(xué)習(xí)增益，e_k+1表示第k+1次運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的誤差信號(hào)。

如圖3和圖4所示，本例的期望軌跡為：y_d(t)＝20sin(0.73t-0.005t²)，t∈[0,T],T為系統(tǒng)運(yùn)行一次的時(shí)間。

本發(fā)明重復(fù)運(yùn)行前三次運(yùn)行的軌跡與期望軌跡曲線見(jiàn)圖3，desired為期望軌跡，可以看出，隨著迭代系數(shù)的增加，系統(tǒng)輸出逐漸接近期望輸出，將前三次運(yùn)行的均方根誤差繪制于圖4，可以看出，實(shí)際輸出與期望輸出之間的誤差逐漸減小，逐漸接近于零。

對(duì)于重復(fù)性干擾，迭代學(xué)習(xí)控制器發(fā)揮了很好的抑制作用，但是對(duì)于非重復(fù)性的隨機(jī)干擾，該控制器并不能保證誤差收斂，所以本例還需設(shè)計(jì)干擾觀測(cè)器抑制非重復(fù)性干擾也就是隨機(jī)干擾。本例的干擾觀測(cè)器的輸入端分別與所述第二控制器的輸出端及電機(jī)及傳動(dòng)模塊輸出端相連，所述干擾觀測(cè)器的輸出端與第二控制器的輸出端相連。本例的干擾觀測(cè)器的原理圖如圖5所示，所述干擾觀測(cè)器包括干擾輸入單元、測(cè)量噪聲輸入單元、標(biāo)稱模型生成單元和低通濾波器，所述干擾輸入單元輸出端通過(guò)電機(jī)及傳動(dòng)模塊與標(biāo)稱模型生成單元輸入端相連，所述測(cè)量噪聲輸入單元輸出端與標(biāo)稱模型生成單元輸入端相連，所述標(biāo)稱模型生成單元輸出端與第二控制器的輸出端分別與低通濾波器的輸入端相連，所述低通濾波器的輸出端與第二控制器的輸出端相連。其中，u_r為輸入的控制信號(hào)，d為隨機(jī)干擾，G₀(s)為被控對(duì)象，為標(biāo)稱模型生成單元，Q(s)為低通濾波器，ξ為測(cè)量噪聲。

本發(fā)明加入干擾觀測(cè)器，再給系統(tǒng)增加非重復(fù)性干擾，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)輸出不會(huì)偏離期望輸出，說(shuō)明此控制結(jié)構(gòu)無(wú)論對(duì)于重復(fù)性干擾還是非重復(fù)性干擾，都具有良好的抑制作用。

此外，本發(fā)明還包括外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器，所述外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器的輸入端與電機(jī)及傳動(dòng)模塊輸出端相連，所述外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器與軌跡生成模塊相連。

如果發(fā)現(xiàn)無(wú)論迭代學(xué)習(xí)控制器的增益如何變化，本發(fā)明系統(tǒng)收斂效果一直不理想，或是當(dāng)系統(tǒng)收斂較為理想時(shí)，系統(tǒng)的魯棒性已被嚴(yán)重破壞。則很有可能是軌跡生成模塊出現(xiàn)了問(wèn)題。那這時(shí)候，我們就需要通過(guò)學(xué)習(xí)速度規(guī)劃模塊來(lái)適當(dāng)調(diào)整速度規(guī)劃即軌跡生成模塊，來(lái)從源頭上控制誤差的產(chǎn)生。又或者我們通過(guò)實(shí)際軌跡及速度的采集，發(fā)現(xiàn)在某些區(qū)域誤差幾乎不存在，可是速度卻很小，這個(gè)時(shí)候我們也可以通過(guò)學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器來(lái)適當(dāng)調(diào)整速度規(guī)劃軌跡生成模塊，使得該處的速度適當(dāng)提高，同時(shí)引入可以容忍的較小誤差，來(lái)達(dá)到效率與精度的平衡。本發(fā)明介紹兩個(gè)需要外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器的情況。

(1)如圖9所示，讓系統(tǒng)走一個(gè)直角彎，如果在轉(zhuǎn)彎處規(guī)劃速度不降為零，無(wú)論迭代控制器學(xué)習(xí)多少次，走出來(lái)的軌跡必定有一個(gè)弧度。若拐彎速度過(guò)大，那不論控制環(huán)做怎樣的迭代自學(xué)習(xí)，也很難將誤差削減到合適范圍內(nèi)，所以當(dāng)類似情況發(fā)生的時(shí)候，使系統(tǒng)啟動(dòng)外層自學(xué)習(xí)功能，利用外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器根據(jù)跟蹤誤差重新進(jìn)行速度規(guī)劃。

(2)當(dāng)待加工零件置于加工平臺(tái)不同位置時(shí)，機(jī)床的加工性能可能會(huì)存在差異導(dǎo)致加工誤差不同，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)外部學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器的軌跡生成模塊輸出的則是與工件之于平臺(tái)位置無(wú)關(guān)的速度規(guī)劃，由這個(gè)問(wèn)題引入的誤差，在控制模塊的自學(xué)習(xí)過(guò)程中，是無(wú)法被徹底解決的，只能由外部的學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器在實(shí)際的機(jī)床加工中，通過(guò)輸入的實(shí)際軌跡與期望軌跡的誤差值通過(guò)一系列優(yōu)化機(jī)制，修改源頭的速度規(guī)劃過(guò)程，來(lái)控制誤差。

如圖6所示，本發(fā)明還提供了一種基于上述數(shù)控機(jī)床自學(xué)習(xí)修正誤差系統(tǒng)的修正誤差方法，包含如下步驟：

A1：開(kāi)始，軌跡生成模塊給定期望軌跡及運(yùn)行次數(shù)；

A2：位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器進(jìn)行迭代控制，輸出位置控制量；

A3：第二控制器輸出速度和電流控制量；

A4：電機(jī)及傳動(dòng)模塊根據(jù)位置控制量、速度和電流控制量運(yùn)行，輸出軌跡；

A5：判斷是否到達(dá)給定運(yùn)行次數(shù)，如果是，結(jié)束，如果否，返回執(zhí)行步驟A2。

其中，在步驟A2中，位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器中的迭代學(xué)習(xí)控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，有一個(gè)矛盾的問(wèn)題，就是學(xué)習(xí)增益和收斂速度及穩(wěn)定性之間的關(guān)系?，F(xiàn)有的研究中只是表明增益大時(shí)，系統(tǒng)收斂快，但系統(tǒng)魯棒性降低；增益小時(shí)，系統(tǒng)魯棒性好，但是收斂速度慢，并沒(méi)有給出定量的描述。而且由于測(cè)量裝置的延遲性，導(dǎo)致系統(tǒng)雖然滿足收斂的條件，但當(dāng)運(yùn)行次數(shù)足夠多時(shí)，系統(tǒng)存在發(fā)散的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這兩種現(xiàn)象，本發(fā)明在步驟A2中的迭代控制方法中增加了變?cè)鲆鏃l件補(bǔ)償方法，具體方法流程圖如圖8所示。

所述迭代控制的方法包括如下步驟：

A21：開(kāi)始，比例項(xiàng)學(xué)習(xí)增益和微分項(xiàng)學(xué)習(xí)增益設(shè)定為一較大定值；

A22：迭代開(kāi)始；

A23：判斷實(shí)際輸出軌跡與期望軌跡之間的誤差是否小于第一設(shè)定值，如果是，執(zhí)行步驟A24，如果否，返回執(zhí)行步驟A22；

A24：比例項(xiàng)學(xué)習(xí)增益和微分項(xiàng)學(xué)習(xí)增益設(shè)定為一較小定值；

A25：繼續(xù)迭代；

A26：判斷實(shí)際輸出軌跡與期望軌跡之間的誤差是否小于第二設(shè)定值，如果是，停止迭代，控制量保持不變，結(jié)束，如果否，返回執(zhí)行步驟A25。

本例在系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，將比例項(xiàng)學(xué)習(xí)增益和微分項(xiàng)學(xué)習(xí)增益(簡(jiǎn)稱學(xué)習(xí)增益)設(shè)置為一個(gè)比較大的數(shù)值，比如設(shè)定為1，系統(tǒng)的收斂速度會(huì)很快；當(dāng)實(shí)際輸出與期與期望輸出之間誤差rms小于第一設(shè)定值，比如將第一設(shè)定值設(shè)定為1mm時(shí)，將學(xué)習(xí)增益調(diào)小，變?yōu)?.1，這樣就不會(huì)因?yàn)樵鲆娲蠖拐`差發(fā)散，系統(tǒng)繼續(xù)迭代收斂，只是收斂的速度變慢；當(dāng)誤差繼續(xù)減小到第二設(shè)定值，比如將第二設(shè)定值設(shè)定為5um時(shí)，停止迭代，將變化的控制量補(bǔ)償部分變?yōu)槌Ｖ笛a(bǔ)償，防止系統(tǒng)因?yàn)檠訒r(shí)而發(fā)散。當(dāng)然，較大定值、較小定值、第一設(shè)定值和第二設(shè)定值可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置為其他值。

如圖7所示，作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明在原來(lái)方法的基礎(chǔ)上，還包括執(zhí)行隨機(jī)干擾抑制步驟B，在步驟A2執(zhí)行后，判斷是否存在隨機(jī)干擾，如果是，利用干擾觀測(cè)器對(duì)隨機(jī)干擾和測(cè)量噪聲進(jìn)行濾除，然后執(zhí)行步驟A3，如果否，執(zhí)行步驟A3。以消除隨機(jī)干擾對(duì)本方法造成的干擾。

本發(fā)明還包括外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃步驟C：如圖7所示，在步驟A4執(zhí)行完畢后，判斷運(yùn)行一定次數(shù)后，輸出軌跡與期望軌跡的誤差是否減小到設(shè)定值，如果是，執(zhí)行步驟A5，如果否，利用外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器重新進(jìn)行速度規(guī)劃，然后返回執(zhí)行步驟A1。

系統(tǒng)在運(yùn)行之前，軌跡生成模塊給定期望軌跡和運(yùn)行次數(shù)，然后根據(jù)期望軌跡進(jìn)行速度規(guī)劃，將規(guī)劃值發(fā)給位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器(此處的控制器是完整的控制器，包括第一控制器，迭代學(xué)習(xí)控制器及干擾觀測(cè)器)，然后再發(fā)送給速度環(huán)控制器和電流環(huán)控制器，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，得到第一次輸出，根據(jù)期望輸出和實(shí)際輸出的誤差值計(jì)算控制量的補(bǔ)償值，即計(jì)算第二次運(yùn)行時(shí)的控制量，依次重復(fù)運(yùn)行下去，在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)誤差值調(diào)整學(xué)習(xí)增益的數(shù)值，直到實(shí)際輸出軌跡與期望軌跡之間的誤差是否小于第二設(shè)定值停止迭代。

由仿真可知，系統(tǒng)一般都會(huì)在運(yùn)行50次以內(nèi)達(dá)到期望值，所以本發(fā)明將運(yùn)行次數(shù)設(shè)定為50次，如果系統(tǒng)運(yùn)行50次后，誤差還未減少到第一次運(yùn)行時(shí)誤差的一半，那此時(shí)的速度規(guī)劃方法一定是失敗的，此時(shí)我們啟動(dòng)外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃步驟C，關(guān)于外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃步驟C的判斷條件，可以根據(jù)實(shí)際確定的期望誤差值和運(yùn)行次數(shù)由仿真和實(shí)驗(yàn)確定，此處是舉例說(shuō)明。此后系統(tǒng)一直運(yùn)行下去，直到達(dá)到規(guī)定的次數(shù)。

本發(fā)明的軌跡生成模塊采用的是傳統(tǒng)的速度規(guī)劃策略，即根據(jù)設(shè)定的速度規(guī)劃模式，如梯形速度規(guī)劃、S型速度規(guī)劃及正弦速度規(guī)劃等，然后依據(jù)軌跡的幾何特性，如轉(zhuǎn)角、曲率及各段長(zhǎng)度等對(duì)速度進(jìn)行一系列限制。其算法流程圖如圖9所示。本發(fā)明中我們考慮采用較為簡(jiǎn)單通用的梯形速度規(guī)劃模型，梯形速度規(guī)劃模型的v-t,a-t,j-t的圖像如圖10所示。

傳統(tǒng)的速度規(guī)劃策略較為簡(jiǎn)單直觀，在仿真實(shí)驗(yàn)中確實(shí)也可以實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的效果，可是在實(shí)際的機(jī)床加工中，這種開(kāi)環(huán)的速度規(guī)劃策略卻顯然存在著明顯的缺陷。在做軌跡生成模塊的速度規(guī)劃時(shí)考慮的速度限制因素，一般僅僅只為理想軌跡的幾何特性以及機(jī)床的恒定的性能限制，然而實(shí)際機(jī)床加工時(shí)，影響加工性能的因素卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。

下面舉出兩種可能存在于實(shí)際加工中影響因素，對(duì)這種開(kāi)環(huán)速度規(guī)劃器的缺陷進(jìn)行說(shuō)明：

(1)工件不同區(qū)域相同幾何特性段的加工

對(duì)于工件而言，很有可能會(huì)有在不同區(qū)域出現(xiàn)相同幾何特性段的情況，如圖11所示的段A和段B。x,y坐標(biāo)系表示加工時(shí)的x,y平臺(tái)。因?yàn)槎蜛和段B幾何特性相同，在傳統(tǒng)的速度規(guī)劃策略中顯然該段的速度規(guī)劃也會(huì)是基本一致的，然而，因?yàn)槎蜛和段B位于工件的具體位置不同，導(dǎo)致實(shí)際加工時(shí)與x,y軸的夾角不同，即x,y軸的單軸進(jìn)給量不同，而實(shí)際機(jī)床的x,y軸的運(yùn)動(dòng)性能不可能是完全對(duì)稱的，甚至對(duì)于單個(gè)x軸或y軸而言，刀心點(diǎn)置于加工平臺(tái)不同位置時(shí)，單軸的加工性能也是有一定區(qū)別的。因而在加工段A和段B時(shí)，相同的速度規(guī)劃，卻會(huì)導(dǎo)致不同的運(yùn)動(dòng)誤差。即使段A的誤差是符合要求的，段B在加工時(shí)卻很有可能會(huì)超出加工誤差允許的范圍。故這種開(kāi)環(huán)的速度限制只與工件幾何特性及機(jī)床恒定運(yùn)行性能有關(guān)的速度規(guī)劃策略，在面對(duì)上述加工情況時(shí)是存在明顯問(wèn)題的。

以下介紹一個(gè)具體實(shí)例對(duì)此種情況進(jìn)行說(shuō)明。

如圖12所示，為一個(gè)正八邊形在實(shí)際加工時(shí)的誤差曲線圖。可以很清楚地看到，在誤差圖中有八處誤差急劇增大，很顯然這些地方正是八邊形的八個(gè)拐角處，因?yàn)榘诉呅螢檎诉呅?，因而拐角大小也相等，在傳統(tǒng)的速度規(guī)劃策略中這些拐角處的速度規(guī)劃也是一致的，可是很顯然，這八個(gè)拐角處的誤差并不是幾乎一致的，而是有著較為顯著的區(qū)別，突出體現(xiàn)在a,b兩拐角處。因此，實(shí)際機(jī)床運(yùn)行時(shí)誤差的大小與各段在工件中的所在區(qū)域有關(guān)。故開(kāi)環(huán)的傳統(tǒng)速度規(guī)劃策略在上述我們所描述的情境下的缺陷是真實(shí)存在的。

(2)工件置于平臺(tái)不同位置處的加工

實(shí)際加工中，工件之于加工平臺(tái)的位置對(duì)加工誤差也是有一定影響的。如圖13所示，對(duì)于同一個(gè)工件A，將其放置在x,y平面不同位置a,b兩處加工。本發(fā)明中的軌跡生成模塊的輸出顯然是一致的，但是，與(1)中所述情況類似，當(dāng)工件A置于平臺(tái)a,b位置處時(shí)，即使加工的是同一工件A，但是對(duì)于x,y軸的實(shí)際需求進(jìn)給卻是因工件之于加工平臺(tái)位置的變化而變化的，且x,y軸的加工性能也是因刀心點(diǎn)的位置不同而有所區(qū)別的。因而在工件分別置于平臺(tái)兩位置a,b處加工時(shí)，其誤差并不一定始終是被控制在我們所預(yù)設(shè)的范圍的。很有可能出現(xiàn)的情況是，即使置于a處時(shí)誤差被控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，置于b處的誤差卻超過(guò)了可容忍的范圍。故開(kāi)環(huán)的速度規(guī)劃策略在工件置于平臺(tái)不同位置加工時(shí)的誤差控制是存在缺陷的。

上述軌跡生成模塊采用的傳統(tǒng)的速度規(guī)劃策略的缺陷，究其本質(zhì)，其實(shí)是因?yàn)樗拈_(kāi)環(huán)特性所帶來(lái)的，為解決此問(wèn)題，本發(fā)明中建構(gòu)了外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器，外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器的存在，使得速度規(guī)劃不再是一個(gè)開(kāi)環(huán)的過(guò)程。本發(fā)明增加了外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器后的速度規(guī)劃部分流程如圖14所示，軌跡生成模塊先進(jìn)行傳統(tǒng)的速度規(guī)劃，然后控制環(huán)迭代一定次數(shù)后，實(shí)際軌跡作為外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器的輸入，與軌跡生成模塊的輸入即理想軌跡進(jìn)行對(duì)比，得到加工誤差，判斷加工誤差是否在可允許的范圍內(nèi)，就能知道之前的速度規(guī)劃策略是否合理，若存在問(wèn)題，外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器即采取一系列的優(yōu)化機(jī)制，對(duì)軌跡生成模塊的速度規(guī)劃策略進(jìn)行修改，經(jīng)過(guò)控制環(huán)的數(shù)次迭代之后再判斷誤差是否在可容忍范圍，循環(huán)往復(fù)，形成一種能控制實(shí)際加工中誤差的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

接下來(lái)外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器可以采用的幾種優(yōu)化機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)介紹。

(1)修改機(jī)床加工性能參數(shù)

一種最為簡(jiǎn)單且有效的外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器的設(shè)計(jì)方法為，依據(jù)輸入的實(shí)際軌跡與理想軌跡的誤差，修改誤差不符合要求附近的機(jī)床性能參數(shù)，即上述傳統(tǒng)速度規(guī)劃策略中的速度、加速度等，使機(jī)床的性能參數(shù)不再是固定的，而是與軌跡有關(guān)，與工件之于加工平臺(tái)的位置有關(guān)的?；舅枷胧?，在誤差過(guò)大處，稍降低機(jī)床加工性能參數(shù)，而在誤差較小速度過(guò)低處，稍稍提高機(jī)床的加工性能參數(shù)。然后再經(jīng)過(guò)插補(bǔ)算法等，得到位置控制環(huán)所需要的輸入數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)控制環(huán)的一系列迭代后，收集較為穩(wěn)定后的實(shí)際軌跡與理想軌跡的誤差，再次作為外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器的輸入，判斷誤差是否符合標(biāo)準(zhǔn)，若不符合，則繼續(xù)修改相應(yīng)的機(jī)床性能參數(shù)。直至輸出的實(shí)際軌跡能穩(wěn)定在誤差可容忍的范圍內(nèi)，其規(guī)劃方法流程圖如圖15所示。

機(jī)床在加工一個(gè)8邊形工件時(shí)，若速度規(guī)劃器給出的轉(zhuǎn)彎時(shí)間為0.02時(shí)，如圖16所示，可以看到某拐角處的誤差較大，假設(shè)其大于所能容忍的誤差，而其他位置誤差均較小。此類誤差顯然是軌跡生成模塊的速度規(guī)劃做的不夠完美造成的，倘若讓控制環(huán)通過(guò)自學(xué)習(xí)去削減拐角誤差，很有可能出現(xiàn)的結(jié)果是：即使迭代很多次也并不能使該拐角處的性能得到較大改善，即使能控制誤差，也許也會(huì)造成系統(tǒng)魯棒性損壞或控制效率低。而在引入本發(fā)明中的外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器后，這個(gè)問(wèn)題可以很輕易地得到解決。只需將該拐角處的拐彎時(shí)間降低即可。本例中其他位置的性能參數(shù)不變，將此拐角處轉(zhuǎn)彎時(shí)間降至0.005，如圖17所示，可以看到采集回來(lái)的實(shí)際軌跡(細(xì)線)明顯更加的貼近規(guī)劃軌跡(粗線)。加工性能得到了很大程度的提高。圖18中給出了拐彎時(shí)間為0.02(重色細(xì)線)和0.005(淺色細(xì)線)時(shí)加工該軌跡時(shí)的實(shí)際軌跡對(duì)比圖。需注意，本例中修改的是拐彎時(shí)間，而在機(jī)床加速度性能不變時(shí)，拐彎時(shí)間與機(jī)床通過(guò)拐角時(shí)的速度成正比。故本例優(yōu)化策略也可以直觀地理解為：當(dāng)通過(guò)外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器檢測(cè)到某拐角處誤差過(guò)大，超出一定值時(shí)，通過(guò)降低速度，將該拐角處的速度限制至更小，修正軌跡生成模塊的速度規(guī)劃，即能有效地削減誤差?？梢?jiàn)，本發(fā)明中的修改機(jī)床加工性能參數(shù)的外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器對(duì)于提高機(jī)床加工工件時(shí)的性能是切實(shí)有效的。

(2)修改速度規(guī)劃策略

本發(fā)明軌跡生成模塊中速度規(guī)劃所采用的傳統(tǒng)的規(guī)劃方法中，選用的基本速度規(guī)劃模式是梯形速度規(guī)劃法。梯形速度規(guī)劃法能實(shí)現(xiàn)速度的連續(xù)變化而且規(guī)劃簡(jiǎn)單，因而現(xiàn)在仍被廣泛采用。可是梯形速度規(guī)劃法存在一個(gè)不容忽略的缺陷，即該模式下的加速度a并不一定是連續(xù)變化的，甚至很有可能會(huì)急劇變化，即使通過(guò)算法，能將加速度控制在機(jī)床性能可達(dá)的范圍內(nèi)，加速度的急劇變化卻依然會(huì)在實(shí)際機(jī)床加工中帶來(lái)較大的誤差。即使將軌跡生成模塊中的速度規(guī)劃模式改為S型速度規(guī)劃法，能實(shí)現(xiàn)加速度的連續(xù)可控，可是jerk(加速度的導(dǎo)數(shù))的急劇變化卻依然會(huì)給實(shí)際機(jī)床加工引入誤差，而在軌跡生成模塊中實(shí)現(xiàn)全局的jerk連續(xù)可控的速度規(guī)劃，至今尚不成熟。本發(fā)明的外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器，針對(duì)這類加速度、jerk急劇變化引入的誤差提出一種局部速度規(guī)劃優(yōu)化機(jī)制，初步的方案是針對(duì)加速度、jerk急劇變化導(dǎo)致的震蕩，采用局部s型速度規(guī)劃或者局部濾波，再進(jìn)行插補(bǔ)算法，從而在根源上削減震蕩、控制誤差，基本流程圖如圖19所示。

綜上，本發(fā)明的內(nèi)層位置環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器為控制器方面的學(xué)習(xí)控制，是實(shí)時(shí)控制，在施加重復(fù)性位置指令時(shí)，使輸出跟隨輸入，以輸出軌跡與期望軌跡的偏差修正不理想的控制信號(hào)，產(chǎn)生新的控制信號(hào)，使得系統(tǒng)的跟蹤性能得以提升，具有記憶系統(tǒng)與經(jīng)驗(yàn)修正功能，有效減小了輸出軌跡與期望軌跡的誤差；通過(guò)設(shè)計(jì)迭代學(xué)習(xí)控制器，干擾觀測(cè)器以及變?cè)鲆鏃l件補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)期望軌跡的跟蹤及加工過(guò)程中干擾的抑制；外層自學(xué)習(xí)速度規(guī)劃器為規(guī)劃層面的學(xué)習(xí)控制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)誤差收斂情況一直不理想或者局部速度過(guò)低時(shí)，啟用外層自學(xué)習(xí)，跟蹤誤差對(duì)軌跡重新進(jìn)行速度規(guī)劃，是非實(shí)時(shí)的過(guò)程，有效解決了內(nèi)層學(xué)習(xí)控制效果不理想的問(wèn)題。通過(guò)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)在重復(fù)加工中積累誤差經(jīng)驗(yàn)、自主修正誤差的自學(xué)習(xí)功能，數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程變?yōu)樽詣?dòng)學(xué)習(xí)的過(guò)程，大大提高了加工的成品率。

以上所述之具體實(shí)施方式為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，并非以此限定本發(fā)明的具體實(shí)施范圍，本發(fā)明的范圍包括并不限于本具體實(shí)施方式，凡依照本發(fā)明所作的等效變化均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。