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隨著現(xiàn)代工業(yè)對非圓切削高加工精度和高加工效率的要求，獲得滿意跟蹤性能且產(chǎn)生高精度的動態(tài)切削運動成為必然。 衍生式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計思想是在普通數(shù)控切削系統(tǒng)的基礎(chǔ)上衍生一個高速直線伺服電機單元，用于驅(qū)動刀具，并與原系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。 本書通過對非圓切削衍生系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的分析、設(shè)計、仿真及實驗研究，展示了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的多種控制方法對給定軌跡的高精度快速跟蹤性能，證明數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的實際應(yīng)用價值，為讀者提供了非圓切削數(shù)控系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計思想、設(shè)計方法和控制方法。 本書主要內(nèi)容包括非圓切削衍生式系統(tǒng)的設(shè)計及研究、刀具伺服系統(tǒng)的音圈直線電機的設(shè)計及控制算法的應(yīng)用研究、非圓切削衍生式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論與方法研究、衍生式數(shù)控系統(tǒng)的實驗研究等。 本書集理論與實際于一體，可使讀者系統(tǒng)學(xué)習(xí)非圓切削控制系統(tǒng)的設(shè)計，掌握實用的控制和實現(xiàn)方法； 可作為從事自動控制學(xué)科與機電一體化工程學(xué)科及相關(guān)學(xué)科應(yīng)用研究的科研人員、從事機電綜合控制系統(tǒng)開發(fā)的工程技術(shù)人員使用，也可作為高校相關(guān)專業(yè)的教師、研究生、高年級本科生閱讀和參考。

非圓截面零件廣泛應(yīng)用于汽車、生物、醫(yī)學(xué)、航空、航天等機械設(shè)備中，隨著現(xiàn)代工業(yè)對非圓車削的高加工精度和高加工效率的要求，獲得參考軌跡的滿意跟蹤性能且產(chǎn)生高精度的動態(tài)切削運動成為必然。非圓切削車床的關(guān)鍵部件之一是徑向進給系統(tǒng)，而非圓截面零件因為其獨特的形狀特征，給機械加工帶來困難，型線越復(fù)雜，車削速度越高，對該進給系統(tǒng)的要求就越高。高系統(tǒng)傳動精度、高切削頻率響應(yīng)能力、高剛性和抗動態(tài)負載的能力是零件截面型線不失真的保障。制造業(yè)是經(jīng)濟結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整的推動力，是國民經(jīng)濟高速增長的發(fā)動機，是以信息化帶動和加速工業(yè)化的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。隨著現(xiàn)代工業(yè)對非圓切削高加工精度和高加工效率的要求，獲得滿意跟蹤性能且產(chǎn)生高精度的動態(tài)切削運動成為必然。衍生式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計思想為在普通數(shù)控切削系統(tǒng)的基礎(chǔ)上衍生高速直線伺服電機單元，用于驅(qū)動刀具，并與原系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。本書通過對非圓切削衍生系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的分析、設(shè)計、仿真及實驗研究，展示了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的多種控制方法對給定軌跡的高精度快速跟蹤性能，證明數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的實際應(yīng)用價值，為讀者提供了非圓切削數(shù)控系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計思想、創(chuàng)新設(shè)計方法和創(chuàng)新控制方法。

前言 非圓截面零件廣泛應(yīng)用于汽車、生物、醫(yī)學(xué)、航空、航天等機械設(shè)備，隨著現(xiàn)代工業(yè)對非圓車削的高加工精度和高加工效率的要求，獲得參考軌跡的滿意跟蹤性能且產(chǎn)生高精度的動態(tài)切削運動成為必然。非圓切削車床的關(guān)鍵部件之一是徑向進給系統(tǒng)，而非圓截面零件因為其獨特的形狀特征，給機械加工帶來困難，型線越復(fù)雜，車削速度越高，對進給系統(tǒng)的要求就越高。高系統(tǒng)傳動精度、高切削頻率響應(yīng)能力、高剛性和抗動態(tài)負載的能力是零件截面型線不失真的保障。制造業(yè)是經(jīng)濟結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整的推動力，是國民經(jīng)濟高速增長的發(fā)動機，是以信息化帶動和加速工業(yè)化的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。本書采用的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法是控制器設(shè)計不包含受控過程數(shù)學(xué)模型信息，僅利用受控系統(tǒng)的在線和離線I/O數(shù)據(jù)以及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而得到的知識設(shè)計控制器，并在一定的假設(shè)下，有收斂性、穩(wěn)定性保障和魯棒性結(jié)論的控制理論與方法。數(shù)據(jù)驅(qū)動控制(DataDriven Control)最早來源于計算機科學(xué)領(lǐng)域，雖然在控制領(lǐng)域的研究還處于萌芽階段，但已得到國內(nèi)外控制理論界的高度重視。自2002年美國召開題為IMA Hot Topics Workshop: Datadriven Control and Optimization的研討會開始，國內(nèi)也迅速開展了基于數(shù)據(jù)的控制、決策、調(diào)度與診斷的研究。2010年11月，在北京召開的基于數(shù)據(jù)的優(yōu)化、控制與建模國際學(xué)術(shù)研討會上，柴天佑院士談到控制科學(xué)的研究應(yīng)多注重解決實際問題，而基于數(shù)據(jù)的優(yōu)化和控制正是面向?qū)嶋H應(yīng)用提出的。中國的制造業(yè)非常發(fā)達，基于數(shù)據(jù)的優(yōu)化和控制方法研究在國民經(jīng)濟發(fā)展中大有用武之地。圍繞北京經(jīng)濟、社會發(fā)展的重點科技問題，北京市科學(xué)技術(shù)委員會于2011年9月發(fā)布了北京市十二五時期科技北京發(fā)展建設(shè)規(guī)劃，規(guī)劃第五部分推進科技振興產(chǎn)業(yè)工程，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的主題之一就是高端裝備制造產(chǎn)業(yè)，其中包括開展高檔、專用數(shù)控裝備及相關(guān)技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化。在由139位來自企業(yè)、研發(fā)機構(gòu)、高校以及國外專家分析得出的未來15年先進制造領(lǐng)域?qū)ξ覈a(chǎn)業(yè)發(fā)展最重要的14類核心技術(shù)中，高檔數(shù)控機床及基礎(chǔ)制造裝備關(guān)鍵技術(shù)被列為第一項。而該數(shù)據(jù)驅(qū)動控制技術(shù)的實現(xiàn)，可進一步推動北京市數(shù)控產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新和技術(shù)改造，降低高端數(shù)控機床的價格，推動控制工程學(xué)科與數(shù)字化制造學(xué)科的交叉，具有重要的理論與工程實踐價值。衍生式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計思想是在普通數(shù)控切削系統(tǒng)的基礎(chǔ)上衍生一個高速直線伺服電機單元，用于驅(qū)動刀具，并與原系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。本書主要對非圓車削數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成原理，衍生式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制機理及特性進行了研究，基于數(shù)控車床系統(tǒng)狀態(tài)機模型實現(xiàn)了系統(tǒng)的同步控制。對實時嵌入式軟件的設(shè)計方法進行了研究，提出了時間觸發(fā)分層有限狀態(tài)機實時嵌入式軟件設(shè)計模式，建立了衍生控制器軟件的分層狀態(tài)機模型，基于有限狀態(tài)機開發(fā)了驅(qū)動程序、子功能模塊和同步控制模塊，完成了衍生控制器的軟件開發(fā)。本書通過對非圓切削衍生系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的分析、設(shè)計、仿真及實驗研究，展示了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的多種控制方法對給定軌跡的高精度快速跟蹤性能，證明數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的實際應(yīng)用價值，為讀者提供了非圓切削數(shù)控系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計思想、設(shè)計方法和控制方法。本書主要內(nèi)容包括非圓切削衍生式系統(tǒng)的設(shè)計及研究、刀具伺服系統(tǒng)的音圈直線電機的設(shè)計及控制算法的應(yīng)用研究、非圓切削衍生式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論與方法研究、衍生式數(shù)控系統(tǒng)的實驗研究等。目前，關(guān)于非圓切削系統(tǒng)的設(shè)計及控制方法方面的較高水平的學(xué)術(shù)論文均有發(fā)表(例如清華大學(xué)王先逵、吳丹團隊)，數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法理論研究及應(yīng)用的論文及專著也有出版(例如侯忠生，金尚泰，科學(xué)出版社，2013； 曹榮敏，國防工業(yè)出版社，2012)，但就非圓切削衍生系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法研究的專著目前尚未見，通過該專著的出版將數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法在非圓切削方面的應(yīng)用進行系統(tǒng)的講解，以供該領(lǐng)域研究的學(xué)者系統(tǒng)學(xué)習(xí)和應(yīng)用。本書是在北京市自然科學(xué)基金項目(編號： 4142017)數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法及其在直線電機精密運動控制中的應(yīng)用和國家重大科技專項(項目號： 2011ZX04002132)CK9555大功率船用柴油機活塞加工用變橢圓車床的支持下完成的，是基于上述項目研究的成果； 根據(jù)北京信息科技大學(xué)曹榮敏教授、南陽理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院鄭冬博士及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)周惠興教授3位作者及其合作團隊多年來在非圓切削和數(shù)據(jù)驅(qū)動方面的研究內(nèi)容以及這些領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢進行選題。值得特別提出的是，在項目研究期間本書作者之一鄭冬博士在安陽機床廠設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試過程中付出了艱辛的勞動。特別感謝北京交通大學(xué)侯忠生教授和金尚泰副教授，沒有他們在理論方面的熱心指導(dǎo)和幫助，作者是不可能完成此書的； 非常感謝新加坡國立大學(xué)K.K.Tan教授和清華大學(xué)王先逵教授給予的關(guān)鍵性建議； 感謝安陽機床廠對研究工作和現(xiàn)場調(diào)試工作給予的大力支持和合作，感謝北京信息科技大學(xué)4位碩士研究生趙云杰、代軍委、齊京升和高彬彬同學(xué)在本書科研工作、整理和錄入等方面付出的辛勤勞動，感謝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉天宇博士和王磊碩士對本書的支持和貢獻。另外，還要感謝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)精密工程研究中心研究團隊的全體合作者們給予作者各方面的大力協(xié)助；同時感謝清華大學(xué)出版社對本書出版給予的大力支持。由于作者理論水平和實踐經(jīng)驗有限，書中難免有不妥和不完善之處，懇請廣大讀者提出寶貴意見。著者2016年9月

目錄

第1章緒論

1.1數(shù)據(jù)驅(qū)動衍生式非圓切削數(shù)控系統(tǒng)研究背景及意義

1.1.1研究意義

1.1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及背景

1.1.3應(yīng)用方向及應(yīng)用前景

1.2非圓活塞數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀

1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.2.2國外研究現(xiàn)狀

1.3非圓活塞車床控制系統(tǒng)概述

1.3.1非圓活塞切削原理

1.3.2非圓活塞車床控制系統(tǒng)性能指標(biāo)確定

1.4本章小結(jié)

第2章衍生式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計及控制器開發(fā)

2.1衍生式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及同步控制

2.1.1衍生式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.2衍生式數(shù)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)

2.1.3衍生式數(shù)控系統(tǒng)的同步控制

2.2衍生控制器硬件設(shè)計

2.2.1編碼器接口電路

2.2.2D/A輸出電路

2.2.3RS232接口電路

2.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路

2.2.5數(shù)字I/O電路

2.3衍生控制器軟件設(shè)計

2.3.1時間觸發(fā)模式

2.3.2分層有限狀態(tài)機

2.3.3時間觸發(fā)的分層有限狀態(tài)機

2.3.4衍生控制器軟件總體設(shè)計

2.4本章小結(jié)

第3章伺服系統(tǒng)直線音圈電機的設(shè)計及試驗研究

3.1非圓切削刀具進給伺服系統(tǒng)概述

3.2直線音圈電機運行原理

3.2.1電磁原理

3.2.2電壓平衡方程

3.2.3動力學(xué)原理

3.3直線音圈電機優(yōu)化計算及機械設(shè)計

3.3.1優(yōu)化方法概述

3.3.2電機優(yōu)化計算

3.3.3電機機械設(shè)計說明

3.4非圓切削刀具進給伺服直線音圈電機試驗研究

3.4.1電機漏磁及靜態(tài)力測試

3.4.2電機驅(qū)動器調(diào)試試驗

3.4.3電機運動控制試驗

3.5本章小結(jié)

第4章非圓切削刀具進給伺服系統(tǒng)設(shè)計及建模

4.1非圓切削直線電機伺服驅(qū)動與控制關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1伺服驅(qū)動回路硬件配置

4.1.2驅(qū)動方式選擇

4.1.3直線伺服進給系統(tǒng)模型分析與建立

4.1.4數(shù)據(jù)驅(qū)動控制算法的實現(xiàn)

4.1.5接口與定義問題

4.2刀具進給直線伺服控制系統(tǒng)實驗平臺

4.2.1音圈直線電機

4.2.2數(shù)字伺服驅(qū)動器

4.2.3DSP 控制器

4.2.4位置檢測部件

4.3刀具進給直線伺服控制系統(tǒng)模型辨識

4.3.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)

4.3.2系統(tǒng)模型參數(shù)辨識

4.4本章小結(jié)

第5章數(shù)據(jù)驅(qū)動非圓切削刀具進給伺服系統(tǒng)控制方法研究

5.1無模型自適應(yīng)預(yù)測控制研究

5.1.1概述

5.1.2基于緊格式動態(tài)線性化的無模型自適應(yīng)預(yù)測控制

方法

5.1.3基于偏格式動態(tài)線性化的無模型自適應(yīng)預(yù)測

控制

5.1.4基于全格式動態(tài)線性化的無模型自適應(yīng)預(yù)測

控制

5.2無模型迭代學(xué)習(xí)控制方法研究

5.2.1無模型迭代學(xué)習(xí)研究進展

5.2.2基于緊格式動態(tài)線性化的無模型自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)

控制算法

5.2.3基于偏格式動態(tài)線性化的無模型自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)

控制算法

5.2.4基于全格式動態(tài)線性化的無模型自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)

控制算法

5.3迭代學(xué)習(xí)與無模型預(yù)測組合控制研究

5.3.1基于緊格式線性化的無模型預(yù)測控制算法

研究

5.3.2基于緊格式線性化的迭代學(xué)習(xí)與無模型預(yù)測控制

組合算法研究

5.4迭代學(xué)習(xí)與PID復(fù)合控制方法研究

5.5數(shù)據(jù)驅(qū)動非圓切削刀具進給系統(tǒng)控制方法應(yīng)用研究

5.5.1無模型自適應(yīng)控制方法應(yīng)用研究

5.5.2PID控制方法應(yīng)用研究

5.5.3無模型自適應(yīng)預(yù)測控制應(yīng)用研究

5.5.4改進重復(fù)控制與PI復(fù)合控制方法應(yīng)用研究

5.6本章小結(jié)

第6章衍生式數(shù)控系統(tǒng)的實驗研究

6.1衍生式數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試實驗

6.2機床樣機調(diào)試實驗

6.3本章小結(jié)

參考文獻