以數(shù)控伺服進給控制器為研究對象，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控制策略，提出一種可提高數(shù)控伺服進給系統(tǒng)動態(tài)性能的智能Fuzzy PID雙模控制器設計方法。仿真分析證明該方法在不同的工作狀態(tài)下，根據(jù)不同的響應階段的動態(tài)性能要求在線自動調(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、超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長等缺點。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快、超調(diào)小、魯棒性強和自尋優(yōu)等特點。

　　數(shù)控進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控設備的核心部件之一，其動態(tài)性能的好壞對整個系統(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)復雜，各組成環(huán)節(jié)具有非線性、時變性、機電耦合等，影響了整個數(shù)控伺服進給系統(tǒng)的動態(tài)性能。目前，在數(shù)控進給伺服系統(tǒng)控制研究方面的文獻還相對較少，雖然文獻中引入了一些模糊控制理論，但效果并不理想。如文獻中論述了為滿足橢圓活塞車削對伺服系統(tǒng)快速性的要求，基于模糊控制理論設計了自校正PID控制器；文獻將Ｆｕｚｚｙ控制器和PID控制器有機地結(jié)合，設計出一種新型混合智能調(diào)節(jié)器ＦｕｚｚｙＰＩＤ控制器；文獻討論了采用模糊推理自校正的方法，來對ＰＩ控制器的控制參數(shù)進行實時自整定。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)控伺服進給控制器為研究對象，以提高進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能為目的，根據(jù)數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的特點和性能要求，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?？刂萍夹g(shù)對系統(tǒng)進行控制。

1　數(shù)控伺服進給系統(tǒng)及性能分析

　　1.1　數(shù)控伺服進給系統(tǒng)模型

　　閉環(huán)數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的簡化模型。m為執(zhí)行部件的質(zhì)量，Cr為導軌副上的粘性阻尼系數(shù)，k為機械傳動剛度，i為電機軸到絲杠的傳動比，L為絲杠導程，PE（S）為電機的傳遞函數(shù)，θM（S）為直流伺服電機的角位移，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)動態(tài)性能的主要因素

　　速度環(huán)增益、位置環(huán)增益、負載質(zhì)量等時變因素對進給伺服系統(tǒng)伺服動態(tài)特性影響較大。要減弱這些時變因素對數(shù)控進給伺服動態(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時地改變控制參數(shù)或控制結(jié)構(gòu)，減弱或消除對數(shù)控進給伺服系統(tǒng)伺服動態(tài)性能的影響。

2 智能雙模數(shù)控伺服進給控制器設計

　　由于影響進給伺服系統(tǒng)性能的主要因素具有時變性和不確定性，在綜合自適應控制模糊控制和常規(guī)PID控制算法優(yōu)點的基礎上，設計了圖4所示的Self adaptiveFUZZYPID智能雙?？刂破?，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 控制器進行調(diào)整，實現(xiàn)系統(tǒng)響應的快速性和穩(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模糊切換開關(guān)進行。

　　2.1 自適應模糊控制器設計

　　圖4中的自適應模糊控制器選用基于自調(diào)整模糊比例因子和規(guī)則因子的自適應模糊控制器，該控制器依據(jù)伺服系統(tǒng)動態(tài)性能指標上升時間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 基于性能指標的自調(diào)整比例因子確定

　　對于數(shù)控進給伺服系統(tǒng)而言，較為重要的性能指標是系統(tǒng)響應是否迅速、準確和有超調(diào)，因此選取在線測量上升時間、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)整過程由一個模糊控制器來實現(xiàn)，輸入為系統(tǒng)響應上升時間T和超調(diào)量Y，輸出為比例因子調(diào)整量Ku。

　　如圖5所示，上升時間T和超調(diào)量Y的隸屬函數(shù)均為對稱三角形均勻分布，論域為［0，1］；比例因子調(diào)整量Ku采用了三角形對稱分布，論域為［－1，1］。

　　根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選取比例因子調(diào)整量在第犖個控制周期，控制器根據(jù)上升時間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)動態(tài)性能實時性，采用在每個采樣周期根據(jù)誤差犈和誤差變化犈犆的大小及關(guān)系對規(guī)則因子α進行調(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)則的軟切換原理進行，控制器的控制算法由如下的模糊控制規(guī)則進行切換：

　　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度分量。當輸入誤差和誤差變化量分別為Ei和Eci時，通過模糊切換控制規(guī)則隸屬函數(shù)對應得到m1 和m2，與（ａｎｄ）運算方式采用取小運算。

3 仿真分析

　　當系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，PID控制器所對應的響應曲線變化最大，常規(guī)模糊控制器對應的響應變化較小，基于自調(diào)整模糊比例因子、規(guī)則因子智能雙?？刂破鲗捻憫兓钚?。這表明ＰＩＤ控制器、常規(guī)模糊控制器、自適應模糊控制器的魯棒性依次增強。

4 結(jié)　　論

　?。?）針對伺服進給系統(tǒng)的復雜性、非線性以及模型不確定性的特點，設計出的Self adaptiveFUZZYＰＩＤ智能雙?？刂破髂芨鶕?jù)伺服進給系統(tǒng)在不同的響應階段和性能指標，自動調(diào)整控制參數(shù)，自動切換控制算法，以適應數(shù)控進給伺服系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下的動態(tài)性能要求。

　?。?）模糊無觸點軟切換功能避免了一般雙?？刂扑惴ㄔ诳刂品绞角袚Q時存在的擾動、超調(diào)量增大、調(diào)節(jié)時間長等缺點，實現(xiàn)了控制方式的平穩(wěn)過渡。

　?。?）仿真試驗表明，所設計的Self adaptiveFUZZYPID智能雙?？刂破骶哂袆討B(tài)響應快、控制精度高等特點，提高了系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性，是一種提高控制性能的有效方法。