數(shù)控系統(tǒng)的開放式結構和智能控制方法的研究及應用.pdf

1、隨著信息技術、控制技術與制造技術的不斷融合以及企業(yè)制造模式的變革，現(xiàn)代數(shù)控技術迅速發(fā)展，“開放式結構”和“智能化控制”已經成為當今數(shù)控技術和數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的重要方向?；谶@一技術發(fā)展趨勢，近年來中國科學院沈陽計算技術研究所和高檔數(shù)控國家工程中心，先后承擔了中國科學院知識創(chuàng)新工程重大項目“開放式和智能化的數(shù)控系統(tǒng)平臺”、國家信息產業(yè)部電子信息產業(yè)發(fā)展基金項目“高性能數(shù)控系統(tǒng)”、遼寧省重大科技攻關項目“大型鏜銑加工中心用數(shù)控系統(tǒng)”及沈陽市重大

2、科技攻關項目“高速、高精數(shù)控機床及成套數(shù)控裝備”，并正在參與國家有關開放式控制器標準的制定工作。我參加并負責這些項目的研發(fā)。國家的戰(zhàn)略需求促使項目承擔單位開展了開放式數(shù)控系統(tǒng)相關技術及智能控制方法的研究，以期掌握先進的技術，開發(fā)出高性能數(shù)控產品，縮小與發(fā)達國家的差距，提高我國數(shù)控產業(yè)技術水平。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究始于上世紀90年代，目前國際上有關機構正在對開放式數(shù)控系統(tǒng)研究與應用情況進行評估，并正在開展后續(xù)項目的研究。國內的開

3、放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)尚不成熟，雖然各個系統(tǒng)都向基于PC的體系結構方向發(fā)展，但在具體的實施開發(fā)中仍然存在一些問題，特別是應用系統(tǒng)的開放性還相差甚遠。通過對OSACA、OMAC、OSEC以及OCEAN等研究計劃的總結與分析，本文開展了如下的研究： ·控制器實時平臺及通信平臺的研究。實時平臺與通信平臺的建立是解決開放式控制器可移植、可伸縮及互操作的關鍵，為此，本文通過分析控制器的實時通信要求，引入了開放式控制器的通信平臺——基于共

4、享存儲區(qū)的RCS通信中間件系統(tǒng)；通過對開放式控制器性能需求的混雜性特點分析，引出控制器實時平臺的需求與選擇問題；通過對多種實時化的Linux系統(tǒng)進行分析和比較以及對基于開放源的RTLinux系統(tǒng)的實時性能的深入研究和實際測試與分析，論證了其作為開放式控制器實時平臺的可行性及優(yōu)勢。 ·基于組件技術開放式控制器參考框架的研究。組件的即插即用特性，為實現(xiàn)開放式控制器的互換性及可擴展性提供了技術支持。然而，現(xiàn)有的組件技術由于側重系統(tǒng)功能

5、的描述，在描述控制器的性能及行為方面存在著相應的問題。為此，本文在分析現(xiàn)有實時組件技術的基礎上，提出了一個基于端口的實時組件模型，設計并實現(xiàn)了其軟件模板。同時以常見的層次化控制結構為出發(fā)點，從控制關系、功能描述、行為描述及定時描述等四個方面，給出了基于實時組件的多視角控制器參考框架。 ·開放式控制器實現(xiàn)技術的研究。實時通信平臺及基于組件的參考框架的建立，為開放式控制器的設計與實現(xiàn)奠定了基礎。本文通過對傳統(tǒng)基于三層體系結構的控制器

6、實現(xiàn)方法的分析，提出一種基于虛擬機的四層體系結構思想，建立了具體的實現(xiàn)框架，并在數(shù)控機床上進行了驗證。 盡管控制策略的智能化被認為是提高新一代數(shù)控系統(tǒng)控制性能的有效手段，是實現(xiàn)“智能數(shù)控”的基礎技術，然而，現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)其控制策略還主要以經典控制論方法為主。由于控制環(huán)節(jié)中相互耦合的部件過多，控制策略的更新幾乎是不可能或非常困難的事。為此，本文從滑動控制、模糊控制及自適應控制的角度出發(fā)，探討了針對數(shù)控系統(tǒng)運動軸非線性特性的智能控制

7、設計方法與實現(xiàn)技術，具體研究內容如下： ·軸控制器非線性特性的分析。通過探討反向間隙、死區(qū)的非線性特性，分析了傳統(tǒng)補償方法的局限性。從滑動控制的角度，給出了軸控制器的目標函數(shù)，并建立了針對伺服軸的模糊滑動控制器設計方法。 ·基于模糊滑動控制器的軸控制器設計與實現(xiàn)方法的研究。基于IEC1131-7標準，在本文建立的原型系統(tǒng)中設計并實現(xiàn)了一個模糊滑動控制器，對實際的控制對象進行測試與驗證。 ·自校正模糊滑動控制器的研