自适应系统发展趋势

数控技术大作业题目：自适应控制的发展趋势姓名：班级：2014年5月自适应控制的发展趋势1952年美国麻省理工学院研究制造出第一台测试性数字控制系统，而后随着电子技能和节制技能的飞速度完成长，现在的数字控制系统发展很壮大。尤其是最近几年来，国内外数字控制系统在柔性、精确性等方面取得了飞速的成长，许多理论与技能问题获得了较好的解决。数字控制技能和数字控制设备是打造工业现代化的根蒂根基，是一个国度经济成长和综合国力的体现，而数字控制系是数字控制技能和数字控制设备的核心。与此同时加工技能和一些其它相关技能的成长对数字控制系统的成长和进步提出了新的要求。目前大多数数控机床在加工过程中都维持一个固定不变的进给速率，这个进给量是由加工程序预先设定好的,为了保证生产的安全，编成人员必须按照负荷最大的工况设定这个进给速率，但实际上这种工况或许只占整个工序的5%。那么如何提高数控机床的加工效率，优化刀具进给量，同时又能自动保护机床的主轴系统和昂贵的刀具不受损坏已经成为终端用户和机床制造厂家十分关注的问题。为了解决这个问题以色列OMAT公司将自适应控制技术应用在数控机床上，研发了成熟的产品――OMAT数控机床自适应系统，并已经在全球广泛应用。所谓“自适应”一般是指系统按照环境的变化调整其自身使得其行为在新的或者已经改变了的环境下达到最好或者至少是容许的特性和功能这种对环境变化具有适应能力的控制系统称为自适应控制系统。在数控加工上应用自适应控制技术是通过检测机床主轴的负载，运用内部的专家系统对采集的主轴负载信号和相应的刀具及工件材料数据进行分析处理，实时计算出机床最佳的进给速率并应用到数控加工过程中，从而大幅度提高生产效率，并在加工过程中稳定、连续、自动的控制进给速率，同时实现动态的刀具保护功能。在加工过程中，自适应控制系统可以依据控制对象的输入输出数据，进行学习和再学习，不断地辨识模型参数并进行修正。随着生产过程的不断继续，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际，最终将自身调整到一个最优的工作状态，实现加工过程的优自适应控制系统的主要功能OMAT自适应控制系统实时采样机床主轴负载变化，在较小载荷的情况下增大进给速率，在较大载荷的情况下减少进给速率，达到缩短加工周期、提高加工效率的目的。同时可以克服传统加工刀具断裂不可检测和控制、刀具磨损靠手动监视、效率低等缺点。在自适应控制系统的控制下，加工参数会实时自动地适应刀具负荷和切削工况。如果加工中出现突发性事件造成超载（例如刀具或工件受到的冲击、工件毛坯的直径增加太大等），自适应控制系统会把进给速率自动减小到内部的专家系统所允许安全值，必要时强制机床停机。当这些突发事件过去后，系统再把进给速率增加到内部的专家系统所允许的最大值，从而有效地保护刀具，减少刀具的磨损，进而延长刀具的使用寿命。对刀具还有一些保护功能如：铣刀断裂保护（报警并停机防止工件及后续刀具损坏）、深孔钻道具断裂保护（报警并停机）、刀具磨损监控（数字显示磨损量）、主轴过载保护（报警或停机）。自适应控制系统还可以对数控加工过程进行实时的监控，并将所有在切削过程中的性能数据（主轴切削负载、进给率变化、刀具磨损量、加工工件数、切削时间等）统计起来实时生成加工情况报表，并输出图形、数据至Windows用户界面，形成完整的机床档案，供管理人员进行评估、分析，从而辅助生产管理。典型应用统计：轮廓铣削省时约38%；铣槽省时约34%；3D铣面省时约37%；钻孔省时约28%。如果每台设备提高加工效率按30%～40%计算，那么安装三部以色列OMAT优铣控制器（优化数控铣床加工的自适应控制系统），就相当于多出一台数控机床或加工中心的加工率。据已有的国内外使用数据计算，只需4～9个月即可收回用于购买OMAT产品的投资。在生产中，自适应控制系统在加工第一件工件时就学习对刀具磨损进行监测。在随后的加工中，系统继续对刀具的状况进行监测，并按刀具的当前磨损程度占最大磨损程度的百分比来进行显示。随着刀具的磨损，自适应控制系统能够实时的根据刀具磨损量，自动计算出最佳的进给速度，刀具磨损到一定程度时提醒操作者更换刀具。这样一来数控程序员可以象在使用崭新锋利的刀具情况一样设定进给量。即自适应控制器对刀具的磨损进行补偿。自适应数控系统具有显著提高加工效率的效果。一般来说，提高加工效率等于降低制造成本！综上，保护刀具延长其使用寿命、保护机床减少停机时间、保护工件减少废品出现等因素都可进一步减少成本，缩短您的投资回报周期。OMAT自适应系统应用现状及前景OMAT自适应控制系统因其效果显著的实用性，现已被国外许多著名公司使用，如Siemens、ChevronAerospace、Boeing、GeneralElectric、Motors、ToshibaGE和ToyotaMotors等。国内航空航天、纺织、家电等行业的知名企业也陆续使用该产品。交大昆机科技股份有限公司与以色列OMAT公司合作成功地将系统集成安装于产品机床THM4680卧式加工中心的840D系统上，还做了大面工件切削对比实验，切削率提高约33%。这些已经使用了OMAT数控优化系统的企业已经获得了相当可观的经济效益。西北工业大学自动控制系、上海交通大学航空航天信息与控制研究所和新疆独山子石化公司计量检测中心共同设计的数控系统的自适应鲁棒控制器设计也是自适应控制系统的很好说明。基于李雅普诺夫稳定性理论与动态逆方法,将自适应鲁棒控制与连续监督控制策略应用于数控系统的控制器设计中,用来补偿摩擦非线性、参数不确定性以及模型不确定性的影响,能显著增强系统的稳定性和性能鲁棒性.对该方法进行了理论分析并与基于扰动观测器的控制器进行了对比仿真,仿真结果证明了理论分析的正确性。四川工业学院数控研究所的数控机床速度伺服系统自适应控制研究也是自适应控制系统其中之一，速度伺服系统的质量和性能在很大程度上影响数控机床的质量和性能。目前国内大多数数控机床中CNC与速度伺服单元都是通过模拟量相联。我们通过对FAGOR-8025及MTC-2M的测试,检测到在CNC的模拟输出电压上存在较强干扰,它使电机产生颤动,在电机运转时产生速度波动,在零位时颤动较严重。另外还实测了这些系统的速度死区,对于FAGOR-8025,其速度死区高达0~0.5r/min,有的系统还更高。参数漂移也是一个较普遍现象。这一切都严重影响数控机床的精度。为了确定采取什么控制方式更合理,我们曾对PID控制与模型参考自适应控制(MRAC)作过对比,认为采用后者能解决问题。如果采用MRAC方法,特别是要付诸于应用,必须考虑两个重要因素。第一个因素是关于高阶状态变量识别,一些文献介绍的某些方法都较复杂。我们采用一种比目前常用的加滤波器的方法或其他方法更简单和更容易实现的方法,把该法移植到电机伺服系统中取得良好果。第二个因素即MRAC的鲁棒性问题,我们从工程应用的目的对此进行了研究。由于在伺服系统中有界扰动是一个比较突出的问题,如采用MRAC方法。由于纯积分作用会产生参数漂移而导致系统不稳定。在数控机床调速系统中相对于未建模动态而言,有界扰动是一个更突出的问题。当存在外界扰动时,前面的自适应算法不具有稳定鲁棒性,这是因为纯积分作用,将引起严重的参数漂移。考虑到这一点,如果对自适应算法中的积分算法作适当修改则可以解决这一问题。相信随着数控加工技术的不断发展和应用，自适应加工技术一定会得到广泛应用，为中国制造业企业带来突飞猛进的发展。上述只是现代数字控制系统发展的几个典型说明，说明自适应控制系统的技能独特之处和成长趋向。事实上，最近几年来现代数字控制系统的技能成长远不止这些，个别公司数字控制系统的技能各有其独特之处。了解和掌握国外进步先辈的数字控制技能，对我国数字控制技术发展的成长至关重要，只有不停地学习进步，标新立异我国的数字控制技能和数字控制技术发展才可能走在世界的列。参考文献[1]黎亚元两相交流伺服电机自适应研究[C]计算机在机械工业中的应用国际学术会议(CIMI92)论文集上海:1992[2]韩曾严自适应控制系统[M]北京:机械工业出版社,1983[3]李清泉自适应控制[M]北京:科学出版社,1991[4]王军平,王安,敬忠良等抗漂移的状态反馈控制器设计在数控系统中的应用[J].西安交通大学学报2002,36(4):365~368.5]ChenBSRobustLinearControllerDesign:TimeDomainApproach[J]IEEEIACFeb,1978,Ac-326]MajedMIA.Highperformancemachinetoolcontrollers-acontroltheoreticstudyandaPCbasedrealization[D].Berkeley:UniversityofCaliforniaaBerkeley,1997.[7]YaoB,MajedMIA,MasayoshiT.Highperformancerobustmotioncontrolofmachinetools:anadaptiverobustcontrolapproachandcomparativeexperiments[J].IEEE/ASMETransonMechatronics,1997,2(2):63~76.8]WitCCD,OlssonH,AstromKJ,etal.Anewmodelforcontrolofsystemswithfriction[J].IEEETransAutomaticControl,1995,40(3):419~425.9]XuL,YaoB.Adaptiverobustcontrolofmechanicalsystemswithnonlineardynamicfrictioncompensation[EB/OL].