带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法及系统，根据数控机床给进系统内部运行机理，建立其数学模型；根据数学模型，建立带有增益系数形式的控制器；利用静态增益方法，将原系统状态的数学模型进行坐标变换得到新的系统方程；根据新的系统方程具有时间延迟的特性，构造李雅普诺夫预备泛函；对李雅普诺夫预备泛函求导，并放缩处理；确定静态增益系数的大小，确定一个由丝杠输出的角位移、丝杠输出角位移的变换速率、工作台输出的线位移、工作台输出线位移的变化速率这四个状态以及一组赫尔维兹系数和增益系数组成的控制器，通过反馈的方法能保证机床给进系统的四个状态渐近稳定。相比于以往研究成果中所设计的控制器，本方案所设计的控制器形式简洁有效。

Control method and system of feeding system of CNC machine with time delay

【技术实现步骤摘要】
带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法及系统
本专利技术属于控制
，尤其涉及带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。数控机床给进系统是一种典型的复杂机电耦合系统，是集机械、计算机、自动控制等一体的自动控制系统。我国是工业大国，数控机床已成为现代化制造业的关键设备，随着国家科技的迅速发展以及工业过程日趋大型化复杂化，工业生产中对加工零件的复杂度以及精准度的要求日益提高，而这一现象使得对提高数控机床给进系统控制的高效可靠性的研究有着非常迫切的要求。数控机床给进系统本身是一个动力学系统，系统的输入来自电机的扭矩、角位移等，经过滚珠丝杠的扭转刚度、各传动件的转动刚度、工作台的负载以及结合面间的阻尼等过程，最终输出工作台的位移。而数控机床给进系统具有多过程传递的特点，因此在其建模时需要充分考虑到其因某些环境原因造成的时间延迟现象。建模时给与控制器件相关联的某些器件增加一个带有时间延迟的分量,时间延迟现象将会导致现有的控制方法无法合理有效的实现控制目标。在已有的研究工作中，并没有应用静态增益的方法对带有时间延迟数控机床给进系统进行有效的渐近稳定的控制研究，因此这方面问题的研究亟待解决。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法，在全信号(丝杠输出的角位移、丝杠输出角位移的变换速率、工作台输出的线位移、工作台输出线位移的变化速率)。可用前提下的借助静态增益策略实现对数控机床给进系统渐近稳定的控制。为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法，包括：根据数控机床给进系统内部运行机理，建立其数学模型；根据数学模型，建立带有增益系数形式的控制器；利用静态增益方法，将原系统状态的数学模型进行坐标变换得到新的系统方程；根据新的系统方程具有时间延迟的特性，构造李雅普诺夫预备泛函；对李雅普诺夫预备泛函求导，并放缩处理；确定静态增益系数的大小，确定控制器能保证机床给进系统的状态渐近稳定。进一步的技术方案，根据数控机床给进系统内部运行机理，建立其数学模型时，包括：建立数控机床给进系统的动力学方程组；对动力学方程组进行无量纲处理；将无量纲化方程组改写为矩阵形式。进一步的技术方案，根据数学模型，建立带有增益系数形式的控制器：其中：r是一个的大于1的常数，在下面的过程中会给出其范围；1、a2为一组赫尔维兹系数，x1、x2、x3、x4为机床给进系统的信号，u1、u2为机床给进系统的控制器。机床给进系统是一个带有两控制输入系统的四状态组合的“大系统”，只有两个控制器相结合，才能使得整个“大系统”得到有效控制，只有一个控制器工作是不能达到控制目标。进一步的技术方案，利用静态增益方法，将原系统状态的数学模型进行坐标变换得到新的系统方程：令：z1＝x1、z3＝x3、则将所设计的控制器带入系统可得：其中：z＝(z1z2z3z4)T、F＝(0fd10fd2)T。进一步的技术方案，系统带有的时间延迟部分可以放缩为：其中：c2＝kc1；构造带有积分形式的李雅普诺夫预备泛函：其中：为控制器中对应的正定矩阵，为矩阵的范数。进一步的技术方案，对李雅普诺夫函数求导，进行放缩处理。其中对带有时间延迟的部分进行处理：则将以上两式结合整理得到：进一步的技术方案，确定静态增益系数的大小：则令其中σ为一个很小的常数，对李雅普诺夫函数导数进行适当整理；由r的取值可得：其中δ为一个常数，则李雅普诺夫函数的导数满足：带有时间延迟数控机床给进系统的控制系统，包括，服务器，所述服务器被配置为执行：根据数控机床给进系统内部运行机理，建立其数学模型；根据数学模型，建立带有增益系数形式的控制器；利用静态增益方法，将原系统状态的数学模型进行坐标变换得到新的系统方程；根据新的系统方程具有时间延迟的特性，构造李雅普诺夫预备泛函；对李雅普诺夫预备泛函求导，并放缩处理；确定静态增益系数的大小，确定控制器能保证机床给进系统的状态渐近稳定。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：(1)相较于以往的控制方法，本方案所设计的控制方法简单。(2)首次运用了静态增益策略为机床给进系统设计控制器。静态增益策略是一种设计控制器的方法，即为通过设计增益系数“r”，并将其放到带有赫尔维兹系数的线性控制器中来实现控制目标的设计方法。通过这个方法，得到控制器。(3)将时间延迟现象充分考虑到机床给进系统的研究中。建模时给机床给进系统的部分器件一些带有时间延迟的分量。(4)相比于以往研究成果中所设计的控制器，本方案所设计的控制器形式简洁有效。控制器使得丝杠输出的角位移和工作台输出的线位移渐近趋于零，这是控制领域的重要研究目标之一。(5)通过矩阵不等式性质和杨不等式等方法对设计过程中的相关量进行有效放缩。上述手段能得到系统信号渐近趋于零控制目标的充分条件。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本公开实施例子的原理结构图；图2为本公开实施例子的系统状态控制示意图；图3为本公开实施例子所设计的控制器示意图；图4为本公开实施例子的方法流程图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本公开实施例子中，首先根据机床给进系统内部运行机理，建立其数学模型；为其设计一个带有增益系数形式的控制器，然后通过坐标变换得到新的系统；为新系统构造带有积分形式的李雅普诺夫预备泛函，并通过一定的方法对李雅普诺夫预备泛函的导数进行初步放缩处理；确定静态增益系数的大小后对泛函导数进行最终的整理，由此证明出该方法通过改变电机角位移和工作台负载的大小实现了机床给进系统各信号渐近稳定的控制目标。本专利技术的控制策略简单、控制器简洁，易于操作和实现。实施例一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法，其特征是，包括：/n根据数控机床给进系统内部运行机理，建立其数学模型；/n根据数学模型，建立带有增益系数形式的控制器；/n利用静态增益方法，将原系统状态的数学模型进行坐标变换得到新的系统方程；/n根据新的系统方程具有时间延迟的特性，构造李雅普诺夫预备泛函；/n对李雅普诺夫预备泛函求导，并放缩处理；/n确定静态增益系数的大小，确定控制器能保证机床给进系统的状态渐近稳定。/n

【技术特征摘要】
1.带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法，其特征是，包括：
根据数控机床给进系统内部运行机理，建立其数学模型；
根据数学模型，建立带有增益系数形式的控制器；
利用静态增益方法，将原系统状态的数学模型进行坐标变换得到新的系统方程；
根据新的系统方程具有时间延迟的特性，构造李雅普诺夫预备泛函；
对李雅普诺夫预备泛函求导，并放缩处理；
确定静态增益系数的大小，确定控制器能保证机床给进系统的状态渐近稳定。


2.如权利要求1所述的带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法，其特征是，据数控机床给进系统内部运行机理，建立其数学模型时，包括：
建立数控机床给进系统的动力学方程组；
对动力学方程组进行无量纲处理；
将无量纲化方程组改写为矩阵形式。


3.如权利要求1所述的带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法，其特征是，根据数学模型，建立带有增益系数形式的控制器：



其中：r是一个的大于1的常数，在下面的过程中会给出其范围；a1、a2为一组赫尔维兹系数，x1、x2、x3、x4为机床给进系统的信号，u1、u2为机床给进系统的控制器。


4.如权利要求1所述的带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法，其特征是，利用静态增益方法，将原系统状态的数学模型进行坐标变换得到新的系统方程：
令：z1＝x1、z3＝x3、
则将所设计的控制器带入z系统可得：



其中：z＝(z1z2z3z4)T、F＝(0fd10fd2)T。


5.如权利要求1所述的带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法，其特征是，系统带有的时间延迟部分可以放缩为：



其中：

c2＝kc1；
构造带有积分形式的李雅普诺夫预备泛函：



其中：为控制器中对应的正定矩阵，为矩阵的范数。


6.如权利要求1所述的带有时间延迟数控机床给进系统的控制方法，其特征是，对李雅普诺夫函数求导，进行放缩处理。



其中对带有时间延迟的部分进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宪福，朱菲，李含丰，陈现栋，亓亚楠，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37