基于压电迟滞建模的三维椭圆辅助振动切削系统控制方法技术方案

本发明专利技术揭示了一种基于压电迟滞建模的三维椭圆辅助振动切削系统控制方法，其包括：构建改进Bouc

【技术实现步骤摘要】
基于压电迟滞建模的三维椭圆辅助振动切削系统控制方法


[0001]本专利技术属于椭圆振动切削加工
，特别是涉及一种基于压电迟滞建模的三维椭圆辅助振动切削系统控制方法。

技术介绍

[0002]三维椭圆振动辅助切削(Three
‑
dimensional elliptical vibration aidedcutting，3D
‑
EVC)技术自被提出以来，由于其具有降低切削力与减少刀具磨损等切削加工优势，现已被广泛应用于国防、航空航天等领域。在非共振型3D
‑
EVC系统中，作为驱动部件的压电叠堆是控制合成三维椭圆振动轨迹输出的重要结构，但其固有的迟滞非线性将会影响系统轨迹输出精度及稳定性。然而有关降低非共振型3D
‑
EVC系统迟滞非线性影响进而提高系统性能的相关研究却并不详尽，大多数对迟滞非线性影响采取忽略处理。
[0003]现有技术中专利公开号为CN113009819B公开了一种基于力控制的椭圆振动切削加工方法，但该方法中仅针对装夹或对刀带来的加工误差进行了补偿，进而提高加工精度，而对于迟滞非线性的影响却没有解决。在三维椭圆振动辅助切削技术的发展背景及要求下，为了消除压电迟滞非线性对于3D
‑
EVC系统的影响，使三维椭圆振动辅助切削加工技术具有更加优良稳定的加工性能。
[0004]因此，有必要提供一种新的基于压电迟滞建模的三维椭圆辅助振动切削系统控制方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种基于压电迟滞建模的三维椭圆辅助振动切削系统控制方法，提高了加工系统控制精度及加工效果，并降低了迟滞非线性对加工系统的影响。
[0006]本专利技术通过如下技术方案实现上述目的：一种基于压电迟滞建模的三维椭圆辅助振动切削系统控制方法，其包括以下步骤：
[0007]S1)构建改进Bouc
‑
Wen模型以表述3D
‑
EVC系统的压电迟滞非线性，所述改进Bouc
‑
Wen模型的表达式为：
[0008][0009]其中，c0、c1和c2为待辨识系数项，其对应值分别为
‑
K/B、CD/B以及
‑
C/B， M、B、K、C分别表示系统的质量、阻尼系数、刚度、形变前后刚度变化比例系数；D表示系统输入与迟滞部分输出的比例系数；y(t)是系统的输出位移；x(t)和h(t)分别表示系统的状态变量和迟滞部分的输出；A、β、γ和n分别表示控制滞环形状的参数；u(t)和u
′
(t)分别表示输入信号以及其一阶导数；
[0010]S2)采用改进花授粉算法IFPASO对所述改进Bouc
‑
Wen模型的参数进行辨识；所述改进花授粉算法IFPASO包括粒子群算法PSO和基于自调节动态转换概率进行授粉活动的花授粉算法；
[0011]S3)构建前馈
‑
灰色预测自适应模糊PID复合控制系统对3D
‑
EVC系统进行迟滞补偿控制；所述前馈
‑
灰色预测自适应模糊PID复合控制系统对 3D
‑
EVC系统进行复合控制后得到的电压为：
[0012][0013][0014]其中，K
p0
、K
i0
和K
d0
分别为PID控制器参数的初始值；ΔK
p
、ΔK
i
和ΔK
d
分别为模糊控制器的三个输出变量；x
r
(t)为实际输出位移；u
i
(t)为输入前馈控制电压。
[0015]进一步的，所述改进Bouc
‑
Wen模型需要辨识的模型参数包括 c0、c1、c2、A、β、γ、n。
[0016]进一步的，所述步骤S2)中所述自调节动态转换概率的公式为：
[0017][0018]其中，Max_T表示最大迭代次数；t表示当前迭代次数。
[0019]进一步的，所述前馈
‑
灰色预测自适应模糊PID复合控制系统包括前馈控制器，所述前馈控制器的表达式为：
[0020][0021]其中，u
e
(t)为经过所述前馈控制器线性化的输出量。
[0022]与现有技术相比，本专利技术一种基于压电迟滞建模的三维椭圆辅助振动切削系统控制方法的有益效果在于：提高了加工系统控制精度及加工效果，并降低了迟滞非线性对加工系统的影响。具体的，
[0023]1)采用改进后的Bouc
‑
Wen模型以输入电压
‑
输出位移关系刻画系统迟滞非线性；
[0024]2)改进了传统花授粉算法IFPASO实现对改进后的Bouc
‑
Wen模型进行参数辨识，通过引入前期粒子群算法以及自调节动态转换概率策略，提高了算法性能；算法性能测试结果表明，IFPASO算法具有明显优于传统粒子群算法和花授粉算法的算法性能，收敛速度更快，寻优值结果更强，可以避免陷入局部最优值。利用IFPASO算法对Bouc
‑
Wen模型进行参数辨识，模型辨识检验结果表明，系统最大建模误差为0.5332μm，建模精度最高为 98.86％，满足理论模型建模精度需求且具有优越性能；
[0025]3)提出了一种新的复合型迟滞补偿控制策略，即“前馈
‑
灰色预测自适应模糊PID”复合控制策略，并将其应用于3D
‑
EVC系统。根据对Bouc
‑
Wen 模型结构的分析，区别于传统
迟滞逆模型建立前馈控制器的方法，通过分析模型迟滞非线性分量部分，计算该部分补偿电压并以此作为前馈控制器。反馈环节以模糊PID控制算法为主体，引入灰色预测模型来克服传统模糊 PID控制算法作为一种事后控制所带来的延时影响。对基于该复合控制策略下的3D
‑
EVC系统进行正弦轨迹跟踪实验，评价指标结果表明，最大位移跟踪误差值仅为0.158μm，系统跟踪性能明显提升。迟滞补偿分析结果显示，经复合控制策略补偿后的3D
‑
EVC系统，迟滞非线性得到明显补偿，并近似线性化，同时系统能够有效输出三维椭圆位姿轨迹。验证了“前馈
‑
灰色预测自适应模糊PID”复合控制策略的有效性，并将系统控制性能带入更高阶层次。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例的流程示意图；
[0027]图2a、2b分别为本专利技术实施例Ackle()函数、Schaffer()函数的寻优收敛曲线图；
[0028]图3a、3b分别为本专利技术实施例中正弦激励信号、位移激励曲线图；
[0029]图4a为本专利技术实施例中Y1轴向子系统迟滞拟合曲线及拟合误差示意图；
[0030]图4b为本专利技术实施例中Y2轴向子系统迟滞拟合曲线及拟合误差示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电迟滞建模的三维椭圆辅助振动切削系统控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1）构建改进Bouc
‑
Wen模型以表述3D
‑
EVC系统的压电迟滞非线性，所述改进Bouc
‑
Wen模型的表达式为：其中，和为待辨识系数项，其对应值分别为以及，、分别表示系统的质量、阻尼系数、刚度、形变前后刚度变化比例系数；表示系统输入与迟滞部分输出的比例系数；是系统的输出位移；和分别表示系统的状态变量和迟滞部分的输出；和分别表示控制滞环形状的参数；和分别表示输入信号以及其一阶导数；S2）采用改进花授粉算法IFPASO对所述改进Bouc
‑
Wen模型的参数进行辨识；所述改进花授粉算法IFPASO包括粒子群算法PSO和基于自调节动态转换概率进行授粉活动的花授粉算法；S3）构建前馈
‑
灰色预测自适应模糊PID复合控制系统对3D
‑
EVC系统进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢明明，张建维，孙少毅，付喜锋，
申请(专利权)人：苏州迈智诺智能装备科技有限公司，
类型：发明
国别省市：