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基于Simulink的數(shù)控機床高階伺服系統(tǒng)的建模與仿真
江蘇省如東中等專業(yè)學(xué)校 王九高 2017/4/6 10:17:15
摘要：科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為我國工業(yè)經(jīng)濟的持續(xù)增加提供了重要的技術(shù)支持，優(yōu)化相關(guān)設(shè)備工作性能的同時保持了工業(yè)生產(chǎn)高效性。當(dāng)前數(shù)控機床的實際應(yīng)用范圍正在擴大，其伺服系統(tǒng)實際作用的充分發(fā)揮，有利于完善機床的服務(wù)功能。因此，本文就基于Simulink的
數(shù)控機床高階伺服系統(tǒng)的建模與仿真展開論述。
關(guān)鍵詞：Simulink；數(shù)控機床；高階伺服系統(tǒng)；建模；仿真
為了實現(xiàn)數(shù)控機床使用功能的不斷優(yōu)化，保持其實際工作高效性，應(yīng)注重基于Simulink數(shù)控機床高階伺服系統(tǒng)的建模與仿真。實際操作中應(yīng)結(jié)合Simulink作用下數(shù)控機床的組成結(jié)構(gòu)及高階伺服系統(tǒng)的實際作用，考慮各方面的影響確保該系統(tǒng)建模與仿真有效性，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)效益最大化的長期發(fā)展目標(biāo)。
一、數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析
為了使數(shù)控機床進給系統(tǒng)能夠長期處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，保持系統(tǒng)良好的運行水平，需要構(gòu)建出相關(guān)的數(shù)學(xué)模型對進給系統(tǒng)的性能可靠性進行分析。該模型包括了：機械傳動系統(tǒng)與伺服驅(qū)動系統(tǒng)。相對而言，前者較為復(fù)雜，需要設(shè)置各種參數(shù)；后者在速度控制與位置控制方面起著重要的保障作用。該數(shù)學(xué)模型建立過程中包括了速度控制、位置控制及機械傳動結(jié)構(gòu)等。通過對不同組成部分的有效分析，為數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)構(gòu)建提供了必要的參考信息。數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖1所示。
圖1 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
圖1中位置控制傳遞參數(shù)用KP表示；速度反饋增益系數(shù)用KP2表示；速度控制傳遞函數(shù)用KN表示；電機增益系數(shù)用KM表示；電機機械時間常數(shù)用TL表示；電機電器時間常數(shù)用TS表示；彈性系數(shù)用k表示；滾珠絲杠與工作臺向滾珠絲杠轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量用JO表示；彈性變形量與執(zhí)行部件質(zhì)量分別用L與m表示；導(dǎo)軌副上具有一定粘性的阻尼系數(shù)用Cr表示；機械傳動系統(tǒng)的外載荷用F0表示。通過這些參數(shù)的合理設(shè)置，可以實現(xiàn)數(shù)控進給伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建。結(jié)合圖1所示的伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，可得到該系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)G（s）：
通過對式（1）傳遞函數(shù)G（s）的合理運用，可以對速度控制、位置控制及傳動機構(gòu)等環(huán)節(jié)進行有效的分析，確保數(shù)控機床伺服系統(tǒng)長期使用中的運行良好性。在伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的支持下，深入理解傳遞函數(shù)G（s）的內(nèi)涵，可以為數(shù)控機床伺服系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供保障。
二、基于Simulink的數(shù)控機床高階伺服系統(tǒng)的建模與仿真分析
通過對數(shù)控機床伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)G（s）的分析，可知該數(shù)學(xué)模型為五階。運用傳統(tǒng)的方法對進行分析校驗中由于忽略了某些小值參數(shù)，并將系統(tǒng)簡化為欠阻尼二階系統(tǒng)進行分析，致使最終系統(tǒng)的擬合精度難以達到數(shù)控機床正常工作要求，難以建立各參數(shù)之間的關(guān)系。為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要對伺服系統(tǒng)高階數(shù)學(xué)模型進行動態(tài)分析，確保伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進行動態(tài)分析時，應(yīng)注重現(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法的配合使用。相比傳統(tǒng)設(shè)計方法，現(xiàn)代設(shè)計方法使用并未將各種經(jīng)驗公式、圖表及手冊作為主要的參考依據(jù)，而是通過對計算機與信息技術(shù)的合理運用，對數(shù)控機床伺服高階伺服系統(tǒng)進行建模與仿真，從而獲得可靠的分析結(jié)果，滿足伺服系統(tǒng)正常運行的實際需求。
運用基于Simulink的動態(tài)分析設(shè)計方法，其優(yōu)點包括：能夠在可視化的平臺支持下運行各種圖形程序，從而生產(chǎn)具有代表性的方框圖，進而建立與伺服系統(tǒng)相關(guān)的仿真模型，實現(xiàn)對高階伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析，最終得到便于觀察分析的時間響應(yīng)曲線。像計算機、可視化平臺作用下生成的Bode圖、Nyquist圖等表示頻域特性的曲線，能夠為系統(tǒng)的動態(tài)分析提供參考依據(jù)。與此同時，在可靠的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制仿真模型支持下，可以實現(xiàn)數(shù)控機床伺服電機、傳動機構(gòu)等構(gòu)件的動態(tài)模擬分析，并通過改變相關(guān)的參數(shù)得到伺服系統(tǒng)在不同參數(shù)下的各種特性分析結(jié)果，確保仿真算法的選擇有效性。
基于Simulink的數(shù)控機床高階伺服系統(tǒng)的建模，應(yīng)從這些方面入手：（1）根據(jù)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制流程，構(gòu)建出相關(guān)的仿真模型。該模型中應(yīng)包含速度環(huán)傳遞函數(shù)、位置環(huán)傳遞函數(shù)、機械傳動結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)等；（2）結(jié)合高階伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的各個參數(shù)，將數(shù)控機床的伺服進給部分的各個機電參數(shù)按照合理的方式代入到系統(tǒng)模型中，最終獲得能夠表示系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進而對傳遞函數(shù)進行分析；（3）在可視化平臺的支持下，獲取Simulink仿真圖，實現(xiàn)數(shù)控機床高階伺服系（未完，下一頁）
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