以數控伺服進給控制器為研究對象，采用在全論域范圍內帶有自調整模糊規(guī)則因子和模糊比例因子的自適應控制策略，提出一種可提高數控伺服進給系統動態(tài)性能的智能Fuzzy PID雙?？刂破髟O計方法。仿真分析證明該方法在不同的工作狀態(tài)下，根據不同的響應階段的動態(tài)性能要求在線自動調整控制器的控制參數和控制算法，可有效地克服傳統控制算法存在的擾動、超調量大、調節(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、超調小、魯棒性強和自尋優(yōu)等特點。

　　數控進給伺服系統是數控設備的核心部件之一，其動態(tài)性能的好壞對整個系統性能起著決定性的作用。由于數控伺服系統結構復雜，各組成環(huán)節(jié)具有非線性、時變性、機電耦合等，影響了整個數控伺服進給系統的動態(tài)性能。目前，在數控進給伺服系統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控制器有機地結合，設計出一種新型混合智能調節(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，只是單純地調整PID控制器的參數，效果不太理想。筆者以圖1典型閉環(huán)數控伺服進給控制器為研究對象，以提高進給伺服系統的動態(tài)性能為目的，根據數控進給伺服系統的特點和性能要求，采用基于自調整比例因子和自調整規(guī)則因子的ＳｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅＦｕｚｚｙPID雙?？刂萍夹g對系統進行控制。

1　數控伺服進給系統及性能分析

　　1.1　數控伺服進給系統模型

　　閉環(huán)數控進給伺服系統的簡化模型。m為執(zhí)行部件的質量，Cr為導軌副上的粘性阻尼系數，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，θM（S）為直流伺服電機的角位移，kN為位置環(huán)增益系數，kv為速度反饋環(huán)的增益系數，kA為速度環(huán)增益系數。

　　1.2　影響伺服系統動態(tài)性能的主要因素

　　速度環(huán)增益、位置環(huán)增益、負載質量等時變因素對進給伺服系統伺服動態(tài)特性影響較大。要減弱這些時變因素對數控進給伺服動態(tài)性能的影響，惟一可行的方法是改變常規(guī)的控制策略，選用一種能根據主要影響因素的變化實時地改變控制參數或控制結構，減弱或消除對數控進給伺服系統伺服動態(tài)性能的影響。

2 智能雙模數控伺服進給控制器設計

　　由于影響進給伺服系統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智能雙模控制器，其工作原理如下：在大誤差范圍內采用基于自調整模糊比例因子和規(guī)則因子的Self adaptiveFUZZY 控制器進行調整，實現系統響應的快速性和穩(wěn)定性；小誤差范圍采用傳統線性PID控制器進行調整來消除系統的余差。兩種控制方式的切換采用無觸點模糊切換開關進行。

　　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，該控制器依據伺服系統動態(tài)性能指標上升時間T、超調量Y調整比例因子Ku，依據伺服系統的誤差E、誤差變化EC在線自調整規(guī)則因子。

　　2.1.1 基于性能指標的自調整比例因子確定

　　對于數控進給伺服系統而言，較為重要的性能指標是系統響應是否迅速、準確和有超調，因此選取在線測量上升時間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調量，據此來調整比例因子。該調整過程由一個模糊控制器來實現，輸入為系統響應上升時間T和超調量Y，輸出為比例因子調整量Ku。

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

　　根據系統控制要求，選取比例因子調整量在第犖個控制周期，控制器根據上升時間T、超調量Y按模糊控制規(guī)則得到比例因子調整量Ku。

　　2.1.2　基于改進的全論域的自調整規(guī)則因子確定

為獲得更好的系統動態(tài)性能實時性，采用在每個采樣周期根據誤差犈和誤差變化犈犆的大小及關系對規(guī)則因子α進行調整，將E，Ec和&alpha的調整量均模糊化為｛NB，NS，ZE，PS，PB｝。

　　2.2 控制規(guī)則的無觸點軟切換

　　智能雙?？刂破鞑捎没谀：?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

　　當系統參數發(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　　論

　?。?）針對伺服進給系統的復雜性、非線性以及模型不確定性的特點，設計出的Self adaptiveFUZZYＰＩＤ智能雙模控制器能根據伺服進給系統在不同的響應階段和性能指標，自動調整控制參數，自動切換控制算法，以適應數控進給伺服系統在不同的工作狀態(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模控制算法在控制方式切換時存在的擾動、超調量增大、調節(jié)時間長等缺點，實現了控制方式的平穩(wěn)過渡。

　　（3）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，提高了系統的動、靜態(tài)特性，是一種提高控制性能的有效方法。