铣削加工过程的模糊PID控制

论文摘要

金属铣削加工过程是一种具有非线性、时变性和影响因素不确定的复杂系统,难以用精确的数学模型来描述。随着加工技术和生产自动化程度的提高,对加工系统自动控制的鲁棒性能要求越来越高。而传统的基于精确数学模型的控制算法对此类复杂系统的控制难于胜任,因此,不依赖数学模型的智能控制将为加工过程提供新的控制方法。基于这种考虑,本文将模糊控制引入到铣削加工过程,并结合PID控制,构成模糊PID复合控制方法,以期实现对铣削加工过程中诸如变工况的一类不确定信息进行有效而稳定的控制。本文在分析闭环铣削加工控制系统的不确定性的基础上,论述了PID控制的原理,讨论了PID参数对其控制性能的影响。接着提出了铣削加工过程的PID控制,通过假定一些工况的变化模拟加工过程中出现的不确定信息。计算机仿真实验结果显示在背吃刀量突变时超调量很大。为了克服这一缺点,进而提出铣削加工过程的模糊控制,以使得切削力尽可能快速、无差、稳定地跟踪设定的期望值。文中讨论了模糊控制器的设计方法和步骤,分析了模糊控制的特点,构建了铣削加工过程的模糊控制器并进行了仿真实验。在此基础上,提出了铣削加工过程的模糊PID控制。用Matlab软件分别对这三种控制方法进行了仿真实验,并对仿真结果进行了深入的分析。最后,在XK5140数控铣床上,实现了对变工况铣削过程的闭环控制,针对上述的控制方法进行了实际切削加工的实验。计算机仿真结果表明,铣削加工过程的模糊控制响应速度很快,鲁棒性能好,但存在一定的稳态误差;PID控制的稳态性能很好,但超调量比较大;模糊PID控制保持了PID控制良好的稳态性能,超调量明显减小,响应速度很快。对比三种控制方法,可以说,利用模糊逻辑整定PID参数,可实现性能良好的模糊PID复合控制,对于变工况为代表的一类不确定信息的控制具有很强的鲁棒性能。这在实际加工实验中得到了验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 经典控制和现代控制理论遇到的问题
• 1.2 模糊控制概述
• 1.2.1 模糊控制的诞生
• 1.2.2 模糊控制的特点
• 1.2.3 模糊控制的研究现状概述
• 1.3 加工过程及其控制
• 1.3.1 铣削加工过程控制的存在问题及其解决途径
• 1.3.2 铣削加工过程模型及其不确定性分析
• 1.3.3 铣削加工过程不确定性的处理
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 铣削加工过程的PID控制
• 2.1 PID控制原理
• 2.2 PID参数对控制的影响
• 2.3 铣削加工过程的PID控制仿真实验
• 2.4 本章小结
• 第三章 铣削加工过程的模糊控制
• 3.1 模糊控制原理及模糊控制系统
• 3.2 模糊控制器设计的基本方法
• 3.3 铣削加工过程模糊控制实例仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 铣削加工过程的模糊PID控制
• 4.1 模糊自整定PID控制器
• 4.2 铣削加工过程的模糊PID控制
• 4.3 本章小结
• 第五章 铣削加工过程实物控制系统实验
• 5.1 铣削加工过程控制实验系统
• 5.2 实验系统设备的标定
• 5.3 加工实验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 1.主要研究工作总结
• 2.后续工作建议及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果