1 引言

　　數控機床是裝備制造業的工作母機，是實現制造技術和裝備現代化的基石。它的生產能力和技術水平已經是衡量一個國家制造技術水平的重要標志。為了提高加工精度和加工效率，現代數控機床進給系統必須具有較高的進給速度和進給加速度。具有高速反應能力的直線伺服進給系統一“零傳動”方式便應運而生。

　　直線電機伺服系統與傳統的“旋轉電機+滾珠絲杠”進給方式相比，雖然消除了機械傳動所帶來的一些不良影響，但卻增加了控制的難度。直線交流伺服電動機具有耦合性、非線性、負載擾動、時變不確定性等，難以建立精確的數學模型，使用常規的PID控制器難以達到理想的控制效果。而模糊控制是一種語言控制，不依賴于被控對象的數學模型，設計算法簡單、易于實現，能夠直接從操作者的經驗歸納、優化而得到，而且適應能力好、抗干擾能力強、魯棒性好。本文將模糊控制應用于數控機床的位置伺服中，將模糊控制技術和傳統的PID控制相結合，就能夠有效地解決模糊控制存在穩態誤差的缺陷。

2 直線永磁同步電機

　　直線伺服系統中的驅動電機以永磁直線電機和直線感應電機為主。直線永磁電機和直線感應電機各有優缺點，但隨著鐵硼(NdFeB)等高磁能積、高矯頑力磁性材料的出現，永磁直線電機更適合用于直線伺服單元驅動。

　　根據直線永磁同步電機的結構和工作原理，并忽略一些次要因素，可以建立直線進給單元的傳遞

3 數控機床的位置控制

　　數控機床的直線電機伺服控制系統的基本結構。該伺服系統還是采用傳統的三環控制結構，分別為位置環、速度環和電流環三部分。系統輸入為上位機發送的位置指令，輸出為直線電機的位移。系統通過調節電動機速度來控制位移。

　　其中，電流環的作用是穩定電流。即在加速中，始終保持允許的最大電流，提高系統快速性；抑制電流環內部的擾動，主要是來自電網的擾動；限制過大的電流，確保安全。速度環的作用是穩定速度。即使電動機轉速跟隨給定變化，穩態無靜差；抑制速度環內的擾動，主要是負載的擾動。位置環的作用是保證直線電機的位移跟蹤上位機發送的位置指令，要求要有高的快速響應能力和好的穩態精度。

　　傳統的電流調節器、速度調節器采用PI調節器，位置調節器采用P調節器。經過簡化后，系統的動態結構圖。在速度器的輸出端配置有一個低通濾波器，是用來消除由于干擾引起的存在于速度調節器輸出中的高頻雜波信號。

4 模糊控制器設計

　　通過Simulink仿真可以發現位置調節器比例增益是。對系統性能影響較大。對于一個確定的數學模型，應在保證系統穩定和不超調的情況下，盡可能的取大的位置環增益k_p，以提高系統的加工輪廓精度和動態響應速度。但是由于耦合性、非線性、負載擾動等的影響，直線交流伺服電動機的模型參數發生變化，系統不再保持原有的良好性能。例如：當負載質量增大，原系統的響應速度變慢，且容易出現超調。為了提高系統的適應性，位置調節器采用基于模糊控制理論設計的自調整參數的PID控制器，從而實現過程的自適應控制。

　　4.1 位置調節器比例增益k_p自整定原則

　　模糊自整定位置調節器比例增益控制器是利用模糊理論建立位置比例增益變化△尼。與控制偏差e和偏差的變化率ec間的二元關系，并根據輸人e和ec自整定控制器的參數△kp，再用△尼。來修正kp。實際應用中，模糊推理過程通過查表來實現。

　　針對不同的控制偏差e和偏差的變化率ec，歸納出△kp的整定原則：

　　4.2 模糊規則表的建立

　　自適應模糊控制器采用e和ec為輸人語言變量，△愚。為輸出語言變量，e和ec、△kp的模糊集均為(NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB)，論域均為(-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6)，隸屬函數均為三角函數。

5 仿真結果與分析

　　Matlab軟件中的Simulink模塊已成為控制領域解決非線性系統建模、分析的理想工具。本文在Simulink環境中，建立了以直線電機為伺服執行元件的自適應模糊位置控制系統的仿真模型。仿真實驗中，本文所采用的直線電機參數為力常數k_f=16.63Nm／A，質量m=20kg，粘滯阻尼系數B=10-5N.S／m，電樞電阻R_a=7.7Ω，電樞電感L_a=2.94mH，電樞時間常數T₁=0.38ms，機械時間常數T_m=0.012ms，電流環比例增益K_pi=1200，速度環濾波時間常數T_σv=800肛s速度環比例增益K_v=1200，積分時間常數τ=0.126s。

　傳統比例位置控制和模糊控制下，當負載為13kg時，系統的階躍響應曲線。為傳統比例位置控制和模糊控制下，當負載為17kg時，系統的階躍響應曲線。可以看出，模糊控制下的系統響應速度比傳統比例位置控制下的系統響應快，還可以看出，負載增大后，傳統比例位置控制下的系統響應已經出現了超調，而模糊控制還沒有。既要響應快，又要沒超調，這在傳統比例控制下是做不到的，但模糊控制做到了。同時當負載超過17kg，傳統比例位置控制系統已不能適應，而模糊控制還能適應，這也反映模糊控制系統的適應性增強。

6 結語

　　本文設計直線電機進給系統的模糊控制器，其算法簡單易于實現。通過仿真結果表明，該智能高速進給控制器提高響應速度的同時，改善了系統的適應能力。能夠適用于高速數控機床進給伺服系統。