以數(shù)控伺服進(jìn)給控制器為研究對(duì)象，采用在全論域范圍內(nèi)帶有自調(diào)整模糊規(guī)則因子和模糊比例因子的自適應(yīng)控制策略，提出一種可提高數(shù)控伺服進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的智能Fuzzy PID雙模控制器設(shè)計(jì)方法。仿真分析證明該方法在不同的工作狀態(tài)下，根據(jù)不同的響應(yīng)階段的動(dòng)態(tài)性能要求在線自動(dòng)調(diào)整控制器的控制參數(shù)和控制算法，可有效地克服傳統(tǒng)控制算法存在的擾動(dòng)、超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長等缺點(diǎn)。Matlab軟件仿真證明該控制器較常規(guī)PID、模糊控制器具有響應(yīng)快、超調(diào)小、魯棒性強(qiáng)和自尋優(yōu)等特點(diǎn)。

　　數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控設(shè)備的核心部件之一，其動(dòng)態(tài)性能的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能起著決定性的作用。由于數(shù)控伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各組成環(huán)節(jié)具有非線性、時(shí)變性、機(jī)電耦合等，影響了整個(gè)數(shù)控伺服進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。目前，在數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制研究方面的文獻(xiàn)還相對(duì)較少，雖然文獻(xiàn)中引入了一些模糊控制理論，但效果并不理想。如文獻(xiàn)中論述了為滿足橢圓活塞車削對(duì)伺服系統(tǒng)快速性的要求，基于模糊控制理論設(shè)計(jì)了自校正PID控制器；文獻(xiàn)將Ｆｕｚｚｙ控制器和PID控制器有機(jī)地結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種新型混合智能調(diào)節(jié)器ＦｕｚｚｙＰＩＤ控制器；文獻(xiàn)討論了采用模糊推理自校正的方法，來對(duì)ＰＩ控制器的控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自整定。然而，上述方法在控制器中都沒有規(guī)則因子，只是單純地調(diào)整PID控制器的參數(shù)，效果不太理想。筆者以圖1典型閉環(huán)數(shù)控伺服進(jìn)給控制器為研究對(duì)象，以提高進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能為目的，根據(jù)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能要求，采用基于自調(diào)整比例因子和自調(diào)整規(guī)則因子的ＳｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅＦｕｚｚｙPID雙模控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1　數(shù)控伺服進(jìn)給系統(tǒng)及性能分析

　　1.1　數(shù)控伺服進(jìn)給系統(tǒng)模型

　　閉環(huán)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的簡化模型。m為執(zhí)行部件的質(zhì)量，Cr為導(dǎo)軌副上的粘性阻尼系數(shù)，k為機(jī)械傳動(dòng)剛度，i為電機(jī)軸到絲杠的傳動(dòng)比，L為絲杠導(dǎo)程，PE（S）為電機(jī)的傳遞函數(shù)，θM（S）為直流伺服電機(jī)的角位移，kN為位置環(huán)增益系數(shù)，kv為速度反饋環(huán)的增益系數(shù)，kA為速度環(huán)增益系數(shù)。

　　1.2　影響伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的主要因素

　　速度環(huán)增益、位置環(huán)增益、負(fù)載質(zhì)量等時(shí)變因素對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)伺服動(dòng)態(tài)特性影響較大。要減弱這些時(shí)變因素對(duì)數(shù)控進(jìn)給伺服動(dòng)態(tài)性能的影響，惟一可行的方法是改變常規(guī)的控制策略，選用一種能根據(jù)主要影響因素的變化實(shí)時(shí)地改變控制參數(shù)或控制結(jié)構(gòu)，減弱或消除對(duì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)伺服動(dòng)態(tài)性能的影響。

2 智能雙模數(shù)控伺服進(jìn)給控制器設(shè)計(jì)

　　由于影響進(jìn)給伺服系統(tǒng)性能的主要因素具有時(shí)變性和不確定性，在綜合自適應(yīng)控制模糊控制和常規(guī)PID控制算法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圖4所示的Self adaptiveFUZZYPID智能雙模控制器，其工作原理如下：在大誤差范圍內(nèi)采用基于自調(diào)整模糊比例因子和規(guī)則因子的Self adaptiveFUZZY 控制器進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性；小誤差范圍采用傳統(tǒng)線性PID控制器進(jìn)行調(diào)整來消除系統(tǒng)的余差。兩種控制方式的切換采用無觸點(diǎn)模糊切換開關(guān)進(jìn)行。

　　2.1 自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)

　　圖4中的自適應(yīng)模糊控制器選用基于自調(diào)整模糊比例因子和規(guī)則因子的自適應(yīng)模糊控制器，該控制器依據(jù)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)上升時(shí)間T、超調(diào)量Y調(diào)整比例因子Ku，依據(jù)伺服系統(tǒng)的誤差E、誤差變化EC在線自調(diào)整規(guī)則因子。

　　2.1.1 基于性能指標(biāo)的自調(diào)整比例因子確定

　　對(duì)于數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)而言，較為重要的性能指標(biāo)是系統(tǒng)響應(yīng)是否迅速、準(zhǔn)確和有超調(diào)，因此選取在線測量上升時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量，據(jù)此來調(diào)整比例因子。該調(diào)整過程由一個(gè)模糊控制器來實(shí)現(xiàn)，輸入為系統(tǒng)響應(yīng)上升時(shí)間T和超調(diào)量Y，輸出為比例因子調(diào)整量Ku。

　　如圖5所示，上升時(shí)間T和超調(diào)量Y的隸屬函數(shù)均為對(duì)稱三角形均勻分布，論域?yàn)椋?，1］；比例因子調(diào)整量Ku采用了三角形對(duì)稱分布，論域?yàn)椋郏?，1］。

　　根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選取比例因子調(diào)整量在第犖個(gè)控制周期，控制器根據(jù)上升時(shí)間T、超調(diào)量Y按模糊控制規(guī)則得到比例因子調(diào)整量Ku。

　　2.1.2　基于改進(jìn)的全論域的自調(diào)整規(guī)則因子確定

為獲得更好的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能實(shí)時(shí)性，采用在每個(gè)采樣周期根據(jù)誤差犈和誤差變化犈犆的大小及關(guān)系對(duì)規(guī)則因子α進(jìn)行調(diào)整，將E，Ec和&alpha的調(diào)整量均模糊化為｛NB，NS，ZE，PS，PB｝。

　　2.2 控制規(guī)則的無觸點(diǎn)軟切換

　　智能雙模控制器采用基于模糊規(guī)則的軟切換原理進(jìn)行，控制器的控制算法由如下的模糊控制規(guī)則進(jìn)行切換：

　　通過改變模糊切換規(guī)則的隸屬度函數(shù)的形狀和ai（i＝1，2）的值可以獲得不同的控制強(qiáng)度分量。當(dāng)輸入誤差和誤差變化量分別為Ei和Eci時(shí)，通過模糊切換控制規(guī)則隸屬函數(shù)對(duì)應(yīng)得到m1 和m2，與（ａｎｄ）運(yùn)算方式采用取小運(yùn)算。

3 仿真分析

　　當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，PID控制器所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線變化最大，常規(guī)模糊控制器對(duì)應(yīng)的響應(yīng)變化較小，基于自調(diào)整模糊比例因子、規(guī)則因子智能雙模控制器對(duì)應(yīng)的響應(yīng)變化最小。這表明ＰＩＤ控制器、常規(guī)模糊控制器、自適應(yīng)模糊控制器的魯棒性依次增強(qiáng)。

4 結(jié)　　論

　　（1）針對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的復(fù)雜性、非線性以及模型不確定性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的Self adaptiveFUZZYＰＩＤ智能雙模控制器能根據(jù)伺服進(jìn)給系統(tǒng)在不同的響應(yīng)階段和性能指標(biāo)，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，自動(dòng)切換控制算法，以適應(yīng)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)性能要求。

　　（2）模糊無觸點(diǎn)軟切換功能避免了一般雙模控制算法在控制方式切換時(shí)存在的擾動(dòng)、超調(diào)量增大、調(diào)節(jié)時(shí)間長等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了控制方式的平穩(wěn)過渡。

　　（3）仿真試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的Self adaptiveFUZZYPID智能雙模控制器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高等特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性，是一種提高控制性能的有效方法。