智能控制器在数控机床中的设计探析

摘要：在数控机床中，其核心的部件为控制器，它的好坏直接决定着一台数控机床的工作性能。控制器正朝着智能化的方向发展，研究与开发性能优良的进给伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。本文将从实用性角度出发运用模糊控制理论对数控机床智能控制器进行了改进，仿真结果表明该设计显著改善了机床智能控制系统的适应能力、并在最大程度上减小了稳态误差。

关键词：智能控制器 数控机床 模糊控制

中图分类号:TP273.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)05-0013-01

1、国外数控机床控制器的情况

目前国外数控机床控制器中发那科（FANUC）和西门子（SIEMENS）仍占领中高档控制器的主导地位，这两家公司在世界市场的占有率超过80%，其早期的传统式控制器（如FANUCO系列）占领了大部分市场，但近年来逐步被开放式控制器（如FANUC18i,16i,Siemens840D）取代，这类控制器结构复杂，功能强大，但价格也非常昂贵。

其次就是数控机床生产商自行开发的专用控制器，如美国的哈斯，赫克，日本的沙迪克，他们大多开发出自己的数控系统软件，移植到通过OEM贴牌定制的其它品牌数控系统上，甚至直接兼并一些小的数控品牌，从而拥有自主知识产权的专利技术，在一些特殊加工领域有其独到之处，适用于专业规模化生产中的整条流水线的集中装备。

2、相关模糊控制理论和方法

模糊控制的理论和方法从属于智能控制的范畴，其实质是一种非线性控制。模糊控制作为一种发展多年的控制技术，具有较强的系统性，并有着很广泛的应用背景。该控制理论和方法具有不依赖受控对象数学模型的特性，同时还具有设计方法简单、较强的适应应用环境的优越特点、而且具有很强的纠错能力。正是模糊控制理论的这些优点决定了其在直线电机位置控制上具有较高的可行性。

数控机床的加工对象多样，这就决定了直线电机的所驱动的有关对象也是各种各样，各具特点。所以说在直线电机的选择上，以及相关的要求方面也不尽相同。因此对于模糊控制器的类型、量化因子、隶属度函数、控制规则、论域也有着不同的要求。

在本文中，以在高精数控机床中应用较多的西门子（SIEMENS）厂家生产的直线电动机为主要的研究对象，在设计的过程中，把传统的PID控制与模糊控制相结合，并把这一设计应用于直线电机位置伺服系统，从而达到缩短反应时间、精确定位、抗干扰和扰动的目的，并对模糊控制应用于高档数控机床的可行性进行了进一步的验证。

3、数控机床常用的伺服电机

直线交流伺服电机往往具有耦合，非线性负载扰动，随时间变化的不确定性等特点，所以对于直线交流伺服电机而言也就难以建立精确的数学模型，采用常规PID控制器是难以达到所需的控制效果，通过负载26千克、20公斤、12公斤步骤响应曲线对比可以看出，当负载的增加，对原有系统的响应速度慢，易出现过冲。精密数控机床是不允许过冲发生，该产品将成为次品。

在数控机床控制系统中，直线伺服系统所应用的驱动电机主要分为永磁直线电机，以及直线感应电动机，这两种电动机在实际应用过程中各具优点，随着材料学研究的不断深入，尤其是随着铁硼等具有高矫顽力和高磁能积磁性材料的出现，永磁直线电机的性能得到了大幅改善，这也就决定了直线伺服单元的驱动越来越适合应用于直线伺服系统。

4、自调整位置比例增益kp的模糊控制器设计

在经过Simulink对控制器进行仿真，我们可以从中发现，对系统性能影响较大的是系统控制器中的参数-位置调节器比例增益kp，因此我们需要首先对调整位置比例增益kp进行设计，从而完成整个模糊控制器的设计工作，这样就可以大大改善系统性能。

在系统中应用模糊理论建立位置比例增益变化Δkp与控制偏差e和偏差的变化率ec间的二元关系是模糊自整定位置调节器比例增益控制器的特点,在这一控制器中，在建立二者关系后，根据输入e和ec自整定控制器的参数Δkp再用Δkp来修正kp。在机床的实际应用过程中,模糊推理过程主要还是通过查表来实现的。

自适应模糊控制器采用e和ec为输入语言变量Δkp为输出语言变量,Δkp，e和ec、的论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，模糊集均为{PS,PM,PB，NB,NM,NS,ZO,},,所使用的隶属函数均为三角函数。针对不同的控制偏差e和偏差的变化率ec,归纳出Δkp的整定原则:

当|e|较大时,为使响应尽快接近给定值,|Δkp|也相应大些。并且在同样大小的e时,若ec越大,则|Δkp|应越小。

当|e|较小时,为避免出现超调,|Δkp|取0或较小值。

当e

当e>0时，说明给定大于响应，Δkp取正值。

当e=0时，Δkp为0。

模糊控制系统应用于系统后，响应速度更快，不容易产生过控问题。负载18公斤，传统的控制系统会出现较大的超调，模糊控制并没有出现有关问题。精密数控机床是不允许超调的发生，如果出现了超调，该产品将成为缺陷产品。模糊控制的稳态误差比传统大，在进行了相关分析后，我们发现这一问题的出现主要是为了获得较大的负载，并使其不超过超调，在设置集模糊规则是，以便加载大，反应仍然没有出现过冲时，把误差为PS时,kp设置为ZO或PS,相对应的kp值较小,稳态误差自然也就比较大。

5、结语

在本文中，对直线电机进给系统中的控制器进行了设计，按照模糊控制器的设计原则,对自整定kp和模糊控制器在提高系统速度和降低超调方面进行模拟仿真,通过仿真我们发现将控制器调整为同时整定kp和ki的模糊控制器,则系统在提高响应速度的同时,减小了稳态误差,并在负载较大时,依旧不出现超调,这样一来也就是提高了系统抗负载扰动的能力。所以模糊控制能够适用于高速数控机床直线进给伺服系统。