一种基于改进趋近律的滑模控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于改进趋近律的滑模控制方法，涉及数控技术领域，通过获取位置样条参考轨迹；建立进给系统自由度模型，获取滑模面，将滑模面结合加入双曲正切函数项的幂次趋近律控制滑模控制器，将位置样条参考轨迹输入滑模控制器获取控制律；将控制律输入滚珠丝杠进给系统，获取干扰真实值与系统的输出；将系统的输出负反馈到滑模控制器输入端，并获取控制律、干扰真实值、系统的输出通过非线性干扰观测器计算干扰估计值，调整滑模控制器使跟踪误差收敛到零。本发明专利技术提供的一种基于改进趋近律的滑模控制方法，获得较高的跟踪性能，精准补偿外界干扰，提升系统鲁棒性，解决了现有技术中系统抖振导致的观测出现误差的问题。技术中系统抖振导致的观测出现误差的问题。技术中系统抖振导致的观测出现误差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进趋近律的滑模控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及数控
，更具体的说是涉及一种基于改进趋近律的滑模控制方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，数控技术是用数字信对控制对象的机械运动过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造产业的渗透形成的机电一体化产品。现代数控机床与早期的数控机床最根本的区别在于其加工速度和加工精度发生了巨大变化，分别提高了近千倍。由于高速度、高精度加工技术能极大地提高加工速率、提高产品的质量和档次、提高市场竞争力，因而，以高速切削、高速进给和高加工精度为主要特征的高速切削技术已成为现代数控加工技术的重要发展趋势之一。
[0003]但是，长期以来，数控机床的进给系统主要是“旋转电机+滚珠丝杠”，这种伺服形式结构复杂，且存在传动间隙及弹性变形等造成运动滞后和其它非线性误差等一系列问题，难以获得很高的加速度和定位精度，传统的PID控制方法对进给系统的跟踪误差较大，无法保证高精度跟踪工作台位置，滑模控制相比于传统PID控制可以大幅提高轨迹跟踪能力，但是滑模控制的局限性在于当系统的状态轨迹或状态误差轨迹到达滑模面后，却很难沿着滑模面渐进收敛到平衡点，其不连续切换特性使得系统产生抖振。
[0004]因此，如何减小传统滑模控制中的抖振是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于改进趋近律的滑模控制方法及系统，通过基于滑模面结合改进趋近律滑模控制，并与非线性干扰观测器结合的控制策略，获得较高的跟踪性能，较好抑制了系统的抖振，所设计的非线性干扰观测器也能够比较理想地观测干扰，精准补偿外界干扰，提升系统鲁棒性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于改进趋近律的滑模控制方法，包括：
[0008]步骤1：获取数控车床的位置样条参考轨迹；
[0009]步骤2：建立进给系统自由度模型，获取滑模面，将所述滑模面结合加入双曲正切函数项的幂次趋近律控制滑模控制器，将所述位置样条参考轨迹输入所述滑模控制器获取控制律；
[0010]步骤3：将所述控制律输入滚珠丝杠进给系统，获取干扰真实值与滚珠丝杠进给系统的输出；
[0011]步骤4：将所述滚珠丝杠进给系统的输出负反馈到滑模控制器输入端，并获取所述控制律、所述干扰真实值、所述滚珠丝杠进给系统的输出通过非线性干扰观测器计算干扰估计值，调整所述滑模控制器使跟踪误差收敛到零。
[0012]优选的，所述进给系统自由度模型包括：
[0013]单自由度刚体模型，表示为
[0014][0015]其中，x1为工作台输出位移，为x1的导数，x2为工作台输出速度，为x2的导数，d为外部未知干扰，B
s
为进给系统总阻尼，J
s
为进给系统总转动惯量，K
m
为电机驱动器的电压
‑
力矩增益，u为系统控制输入，l为丝杠导程。
[0016]优选的，所述滑模面定义为：
[0017][0018]其中，e＝x
r
‑
x1为工作台工作误差，为工作台工作误差导数，x
r
为参考轨迹的位移信号，为x
r
的导数，k为滑模面函数误差放大系数。
[0019]优选的，所述进给系统自由度模型包括：
[0020]两自由度柔性体模型，表示为
[0021][0022]其中，
[0023]d
m
为进给系统中移动部件受到的等效干扰，d
j
为进给系统中旋转部件受到的等效干扰，m1为进给系统中转动部件等效的质量，m2为进给系统中直线运动部件的质量，c1为模型转动部件的等效阻尼，c2为滚珠丝杠副螺母的等效阻尼，c3为直线移动部件的等效粘性阻尼，w1工作台端的常数项表达式，w2电机端的常数表达式，g2控制输入项前的系数，g1干扰项前的系数。
[0024]优选的，所述滑模面定义为：
[0025]s＝ρe＝[ρ
1 ρ
2 ρ
3 ρ4][e
1 e
2 e
3 e4]T
；
[0026]其中，ρ1[、ρ2[、ρ3、ρ4均为滑模面参数；e1[为工作台的位移跟踪误差，e2为工作台的速度跟踪误差，e3为电机的位移跟踪误差，e4为电机的速度跟踪误差；ρ
i
＞0，i＝1,
…
,4，当s＝0时，取ρ4＝1，则有e4＝
‑
ρ1e1‑
ρ2e2‑
ρ3e3，丝杠旋转等效位移指令为x
1r
，为x
1r
导数，工作台位移指令为x
2r
，为x
2r
导数，定义跟踪误差为e1＝x
2r
‑
x2，e3＝x
1r
‑
x1，
[0027]优选的，所述加入双曲正切函数项的幂次趋近律具体包括：
[0028][0029]其中，k1为双曲正切函数项前正调整系数，a为双曲正切函数正调节系数，k2为幂次项前正调整系数，s为滑模面，为趋近律。
[0030]优选的，所述非线性干扰观测器包括：
[0031][0032]其中，δ为辅助参数向量，为干扰估计值，L＝Y
‑1M
‑1，x为系统位移信号；为系统速度信号，Y为可逆矩阵，为辅助参数向量导数，M为质量矩阵，u为控制输入，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵。
[0033]一种基于改进趋近律的滑模控制系统，包括：
[0034]参考轨迹获取模块，用于获取数控车床的位置样条参考轨迹；
[0035]模型建立模块，用于建立进给系统自由度模型，获取滑模面，将所述滑模面结合加入双曲正切函数项的幂次趋近律控制滑模控制器，将所述位置样条参考轨迹输入所述滑模控制器获取控制律；
[0036]数值获取模块，用于将所述控制率输入滚珠丝杠进给系统，获取干扰真实值与滚珠丝杠进给系统的输出；
[0037]调节控制模块，用于将所述滚珠丝杠进给系统的输出负反馈到滑模控制器输入端，并获取所述控制律、所述干扰真实值、所述滚珠丝杠进给系统的输出通过非线性干扰观测器计算干扰估计值，调整所述滑模控制器使跟踪误差收敛到零。
[0038]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种基于改进趋近律的滑模控制方法及系统，与传统趋近率所设计的滑模控制器相比，滑模面结合改进趋近律所设计的控制器可以获得较高的跟踪性能，较好抑制了系统的抖振，所设计的非线性干扰观测器也能够比较理想地观测干扰，精准补偿外界干扰，提升系统鲁棒性。
附图说明
[0039]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进趋近律的滑模控制方法，其特征在于，包括：步骤1：获取数控车床的位置样条参考轨迹；步骤2：建立进给系统自由度模型，获取滑模面，将所述滑模面结合加入双曲正切函数项的幂次趋近律控制滑模控制器，将所述位置样条参考轨迹输入所述滑模控制器获取控制律；步骤3：将所述控制律输入滚珠丝杠进给系统，获取干扰真实值与滚珠丝杠进给系统的输出；步骤4：将所述滚珠丝杠进给系统的输出负反馈到滑模控制器输入端，并获取所述控制律、所述干扰真实值、所述滚珠丝杠进给系统的输出通过非线性干扰观测器计算干扰估计值，调整所述滑模控制器使跟踪误差收敛到零。2.根据权利要求1的一种基于改进趋近律的滑模控制方法，其特征在于，所述进给系统自由度模型包括：单自由度刚体模型，表示为其中，x1为工作台输出位移，为x1的导数，x2为工作台输出速度，为x2的导数，d为外部未知干扰，B
s
为进给系统总阻尼，J
s
为进给系统总转动惯量，K
m
为电机驱动器的电压
‑
力矩增益，u为系统控制输入，l为丝杠导程。3.根据权利要求2的一种基于改进趋近律的滑模控制方法，其特征在于，所述滑模面定义为：其中，e＝x
r
‑
x1为工作台工作误差，为工作台工作误差导数，x
r
为参考轨迹的位移信号，为x
r
的导数，k为滑模面函数误差放大系数。4.根据权利要求1的一种基于改进趋近律的滑模控制方法，其特征在于，所述进给系统自由度模型包括：两自由度柔性体模型，表示为其中，其中，d
m
为进给系统中移动部件受到的等效干扰，d
j
为进给系统中旋转部件受到的等效干扰，m1为进给系统中转动部件等效的质量，m2为进给系统中直线运动部件的质量，c1为模型转动部件的等效阻尼，c2为滚珠丝杠副螺母的等效阻尼，c3为直线移动部件的等效粘性阻尼，w1工作台端的常数项表达式，w2电机端的常数表达
式，g2控制输入项前的系数，g1干扰项前的系数。5.根据权利要求4的一种基于改进趋近律的滑模控制方法，其特征在于，所述滑模面定义为：s＝ρe＝[ρ
1 ρ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴沁，包正强，王星联，张洁，罗殿立，刘俊，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：