技术领域
本发明属于数控机床控制技术领域，具体地说，涉及一种考虑通信时延的龙门机床大惯量动梁同步误差补偿方法。
背景技术
高端数控机床作为“工业母机”的核心，其结构和控制精度是影响其加工精度的关键一环，研究高端数控机床的共性关键技术，对推动我国制造业的发展有着重要作用。动梁式龙门加工中心作为一种常见的高端数控机床，其横梁结构由双立柱支撑，由双电机驱动横梁移动完成大质量、大体积、形状不规则部件的重切加工。例如海上的大型潜艇、大型船舶的关键零部件等。由此可见，龙门加工中心是国家重要的战略资源，是一个国家军工和大型重工业实力的展现。动梁式龙门加工中心的结构优点在于可以使机床获得更高的结构刚性及控制带宽。但动梁具有大惯量、高速运动的特征，使得动梁的同步驱动精度难以保证，同时影响加工精度，因此研究横梁运动时同步驱动策略有着重要意义。
目前龙门加工中心动梁同步驱动已有的控制方法，多数是采用数控系统负责计算，伺服驱动器负责执行的结构，并通过三闭环（位置环、速度环、电流环）结构进行控制。其中伺服驱动器由速度环和电流环控制，数控系统执行位置环的控制指令。数控系统通过总线通信与驱动横梁的两伺服轴进行数据交互，其工作过程为：横梁两侧伺服驱动器通过总线通信将位置信号反馈给数控系统；数控系统再通过总线通信将转速指令传送给横梁两侧的伺服驱动器，并完成横梁的同步驱动。但在数控系统与伺服驱动器的总线通信过程中，不可避免会在位置环控制回路中存在时间时延环节。通信时延的存在会降低位置环的增益裕度；破坏系统的稳定性。使横梁运动时的同步误差增大，降低龙门机床的加工精度。
通信时延的本质是在伺服控制系统中的位置环引入了时间时延环节，使得位置环增益裕度降低。为了降低该环节的时延，常用方法分为硬件方法和软件方法：
（1）硬件方法：通过采用新型的硬件设计来降低时延环节。例如采用精度较高的光栅尺和编码器、采用传输频率较高的通信方法、采用性能较好的控制芯片等。现有文献：王邦继,王东,许睿,张文轩,刘庆想.MPSoC在多轴伺服电机驱动器上的应用[J].电机与控制学报,2021,25(12):19-26. 针对单块芯片难以实现多轴伺服电机的独立、同步驱动控制问题，提出一种基于多处理器片上系统的多轴伺服电机驱动控制方案。该技术可以解决单块芯片难以实现多轴伺服电机的独立、同步驱动控制问题，同时在最大程度上降低通信延迟对伺服性能的影响。
（2）软件方法：在伺服系统硬件条件不变的情况下，设计不同的算法降低通信时延对控制系统性能的影响。现有文献：Khanesar M A, Kaynak O, Yin Shen, et al.Adaptive indirect fuzzy sliding mode controller for networked control systemssubject to time-varying network induced time delay[J]. IEEE Transactions onFuzzy Systems, 2014, 23(1): 205-214.采用了一种新型的模糊滑模控制器，能够控制网络上的非线性动态系统，该系统受到有界外部干扰、时变网络引起的通信延迟和数据包丢失的影响；现有文献：Natori K, Tsuji T, Ohnishi K, et al. Time-delaycompensation by communication disturbance observer for bilateralteleoperation under time-varying delay[J]. IEEE Transactions on IndustrialElectronics, 2010, 57(3): 1050-1062.介绍了一种基于网络扰动和通信扰动观测器的通信时延补偿方法并验证了该方法在时变通信时延下的对操作系统误差补偿的有效性。
通信时延的本质是在伺服控制系统中的位置环引入了时间时延环节，使得位置环增益裕度降低。为了降低该环节的时延，常用方法分为硬件方法和软件方法，但两者在现有技术上均有不同的缺点：
（1）硬件方面：高档数控机床高速高精度的加工要求对位置增益裕度的要求极高，若想在硬件方面降低通信时延引起的动梁同步误差，则需要在机床设计制造过程中对硬件设施进行优化。即使采用精度较高的光栅尺和编码器、采用传输频率较高的通信方法还是采用性能较好的控制芯片，三种方法均可以减小动梁的同步误差，但硬件设施的精度的提高会使制造成本增加，且只能待机床制造完毕后来测量动梁的同步误差，无法通过仿真实验来验证各方法的有效性。因此，亟需一种使用通信协议连接在机床外部的硬件控制设备来解决上述方法的缺陷，满足降低时延环节的需求。
（2）软件方面：通过软件方法降低时延环节主要有以下几种方法，但都有着不同的缺点。
①Smith预估补偿法：使用该方法前需要知道准确的系统模型，再对含有时延系统相应进行预估，最后将误差项补偿到伺服控制器作为输入项。Smith预估补偿法的准确性依赖于系统模型，当系统模型存在误差时，补偿效果会明显变差。
②模糊控制、神经网络控制和专家控制等：尽管这些算法可以实现对通信时延的补偿，同时兼顾伺服系统的鲁棒性。但其缺点也较明显，例如：模糊控制不适用于高精度控制；神经网络控制需要较多的训练集同时需要长时间去训练；专家控制过度依赖于经验知识，缺乏自学习能力。故上述的控制方法很难应用于机床伺服系统中。
针对现有的技术中的缺陷，本发明的目的是设计一种通信扰动观测器，能够补偿动梁式龙门加工中心动梁因通信时延造成的同步误差，满足动梁式龙门加工中心的横梁高精度同步控制的应用要求。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供了一种考虑通信时延的龙门机床大惯量动梁同步误差补偿方法，通过使用通信干扰观测器可以对动梁因数控系统的通信时延引起的同步误差有很好的补偿能力、并提高了系统动态响应性能、鲁棒性和稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种考虑通信时延的龙门机床大惯量动梁同步误差补偿方法，其包括：
步骤一.建立考虑通信时延的动梁运动控制模型；
步骤二.分析时延环节对系统稳定性的影响；
步骤三.设计通信扰动观测器；
步骤四.对通信时延引起的同步误差进行补偿。
根据本发明一实施方式，其中上述动梁运动控制模型依据于龙门机床三闭环控制结构，所述龙门机床三闭环控制结构由数控装置、伺服驱动装置、机械结构三部分组成；位置环在数控装置中执行，伺服驱动装置由电流环和速度环控制，数控装置通过总线通信与各伺服轴进行数据交互完成动梁的同步驱动。
根据本发明一实施方式，其中上述控制模型为
其中，t1、t2分别表示前向通路和反向通路中的时时延间，Gp(s)代表位置环的传递函数，Ga(s)代表包含速度环和机械模型的传递函数；其表达式为：
其中KT为电机转矩常数，除KT外其他参数上文均有提及，这里不再赘述；
结合Gp(s)和Ga(s)得到系统的特征方程为：
系统的开环传递函数为：
将时延环节
根据本发明一实施方式，其中上述通信扰动观测器（CDOB）将时延环节等效为系统的扰动量对数控系统的通信时延环节进行补偿；其扰动原理为
其中，
时延环节
该表达式的极点为pdis=
CDOB低通滤波器形式为：
其中：fc为低通滤波器的截止频率；该表达式的极点为pcodb=-fc（CDOB低通滤波器的极点）。
根据本发明一实施方式，其中上述CDOB的设计准则为： CDOB的瞬态响应快于扰动项的瞬态响应；可将上述设计准则表示为：
代入pdis和pcodb的表达式可以得到极点配置原理为：
根据本发明一实施方式，其中在实际应用中，所设计的CDOB的极点位置需要根据实际工况下的系统响应来选择，当CDOB稳定时，不同极点位置得到的系统响应不同。
根据本发明一实施方式，其中上述步骤四中采用BECKHOFF公司的开放式控制系统，在自带的控制软件TwinCAT中的TE1400工程模块将MATLAB/Simulink模型编译成带有I/O接口的TcCOM模块，导入TwinCAT中的运行核中执行；同时创建一根虚拟轴用于接收数控系统的位置指令，并使动梁进行理想情况下的运动；再创建两根运动轴与实际的电机轴相连，两轴通过本发明搭建的CDOB得到同步误差补偿修正值加在运动轴两端，并与虚拟轴的位置指令相连接，经过交叉耦合控制得到最后修正后的Z1轴和Z2轴实际位置指令后分别控制两轴，实现龙门动梁同步驱动系统的同步误差补偿。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
本发明在实际应用于智能数控系统框架中网络物理机床产生的计算任务的任务卸载具有切实的实际意义，不仅有效地降低了任务卸载的延迟，并且提高了智能数控车间计算资源的使用效率，提高了数字孪生模型的准确性。
当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明整体流程图；
图2是本发明Smith预估补偿器原理；
图3是横梁同步驱动系统结构图；
图4是龙门机床三闭环控制结构示意图；
图5是龙门机床含通信时延的横梁同步驱动控制系统框图；
图6是龙门机床含通信时延的横梁同步驱动简化控制系统框图；
图7 是不同时时延间的控制系统根轨迹图；
图8是网络扰动估算原理图；
图9是利用CDOB进行时延补偿的原理图；
图10是不同方法下的横梁运动曲线示意图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
请参考图1，本发明公开了一种考虑通信时延的龙门机床大惯量动梁同步误差补偿方法，其包括：
步骤一.建立考虑通信时延的动梁运动控制模型；
步骤二.分析时延环节对系统稳定性的影响；
步骤三.设计通信扰动观测器；
步骤四.对通信时延引起的同步误差进行补偿。
1.建立考虑通信时延的动梁运动控制模型
数控装置、伺服驱动装置、机械结构三部分组成了龙门机床三闭环控制结构，位置环在数控装置中执行，伺服驱动装置由电流环和速度环控制，数控装置通过总线通信与各伺服轴进行数据交互完成动梁的同步驱动。再结合龙门机床动梁在运动过程中产生通信时延的方式，可以得到考虑通信时延的动梁运动控制模型。
2.分析时延环节对系统稳定性的影响
简化步骤1中的控制系统模型后，计算系统的闭环传递函数得到系统的特征方程以及开环传递函数。先对系统的特征方程的特性进行分析，再通过根轨迹法研究开环传递函数的极点和零点来判断闭环传递函数特征方程根（极点）随位置环控制器增益的变化趋势，最后分析时延环节对系统稳定性的影响，指出时延补偿的必要性。
3.设计通信扰动观测器
虽然Smith预估补偿器经常被用于含有时延环节的系统补偿中，其原理图2所示。其中：
对于上述参数：龙门机床横梁这种大惯量部件，会存在着模型失配的问题。其次是通过总线传输的数据量不相同，具体通信时延的时间难以获取。因此Smith预估补偿器鲁棒性较差，不适用于龙门机床大惯量横梁的同步驱动。针对上述问题，本发明采用通信扰动观测器(Communication Disturbance Observer, CDOB)将时延环节等效为系统的扰动量对数控系统的通信时延环节进行补偿。
4.对通信时延引起的同步误差进行补偿
若要获得理想的误差补偿效果，需要满足CDOB的瞬态响应快于扰动项的瞬态响应，即极点配置需要满足CDOB的极点位置要取的比时延环节的等效环节的极点远，才能获得较好的补偿效果。而在实际应用中，所设计的CDOB的极点位置需要根据实际工况下的系统响应来选择，当CDOB稳定时，不同极点位置得到的系统响应不同。为了验证CDOB的有效性，将其应用于龙门机床的动梁同步驱动中，来观察不同工作情况下CDOB对通信时延引起的同步误差的补偿效果。
横梁同步驱动系统结构图
现代数控系统采用高性能CPU，运算分析能力强、数据反馈速度快，以国外西门子828D和国内华中数控系列为代表的的数控系统，通常使用数控系统控制伺服驱动装置来带动机械结构运动。即数控系统负责计算，伺服驱动装置负责执行。其中位置环在数控系统中执行，速度环和电流环在伺服驱动器中执行。其内部工作过程为：数控系统通过总线通信和各伺服轴进行数据交互，各轴的伺服驱动器通过总线通信将位置信号反馈给数控系统，最后再由数控系统通过总线通信将指令信号传送给各伺服驱动器。通过上述过程即可完成位置环、速度环、电流环的三闭环控制。其结构图如图3所示。
含通信时延的横梁同步驱动控制系统框图
由图4可知龙门机床动梁的运动过程为：伺服电机轴与滚珠丝杠相连接，在运动过程中，伺服驱动器输出交变电流信号给伺服电机，两侧电机轴开始旋转带动滚珠丝杠，两侧滚珠丝杠将其旋转运动转换为横梁的直线运动。因横梁两侧的驱动结构相同，故在以下分析过程中只对单侧驱动结构进行建模分析。
伺服控制系统由位置环、速度环、电流环三个串联回路组成。在位置环中，其位置指令由数控系统的插补器产生，位置反馈为动梁单侧的位置，其位置可以由直线光栅尺直接测量得到，因此位置环控制器采用P控制器，其比例增益系数为Kp。速度环的速度指令为位置跟随误差与比例增益的乘积，速度反馈为电机输出轴的瞬时转速，由编码器信号差分得到，因此速度环采用PI控制器Kvi/s+Kvp。其中Kvi和Kvp分别表示PI控制器的积分环节和比例环节的增益系数。对于电流环的处理，其控制回路内环带宽相比于相信外环带宽相差倍数过大，故电流环可以等效为一阶惯性环节。但本发明主要针对与位置环的控制误差进行分析，因此对电流环等效为单位1。
由1.1节可知：基于总线通信的控制结构就不可避免在位置环控制环路中存在通讯时延，且时时延间通常为毫秒级别，这对于追求高精度、高响应性能控制的龙门加工中心动梁来说不能被忽略。因此考虑位置环的时延环节是有必要的，结合伺服控制系统的三环控制、动梁的机械结构、数控系统位置环产生通信时延的方式三者之间关系，可以得到含通信时延的横梁同步驱动控制系统框图如图5所示。
其中：
分析时延环节对系统稳定性的影响
2.1模型简化
为了便于分析，简化步骤1中的控制系统框图（图5），得到如图6所示的控制模型。
其中，t1、t2分别表示前向通路和反向通路中的时时延间，Gp(s)代表位置环的传递函数，Ga(s)代表包含速度环和机械模型的传递函数。其表达式为：
其中KT为电机转矩常数，除KT外其他参数上文均有提及，这里不再赘述。
结合Gp(s)和Ga(s)得到系统的特征方程为：
系统的开环传递函数为：
将时延环节
在时时延间分别为1ms、2ms、3ms的条件下分别回执根轨迹图如图7所示，图中
由图7的根轨迹图可知，时时延间会对伺服系统的稳定性存在影响。具体表现为：时时延间越长，系统的稳定域越小，位置环增益系数越小。故时延环节的存在会导致位置环增益降低，限制位置环带宽。因此对时延环节产生的误差进行补偿是有必要的。
设计通信干扰观测器
对于龙门机床横梁这种大惯量部件，使用Smith预估补偿器会存在着模型失配的问题，使得伺服系统稳定性降低。其次是通过总线传输的数据量不相同，具体通信时延的时间难以获取。因此Smith预估补偿器鲁棒性较差，不适用于龙门机床大惯量横梁的同步驱动。针对上述问题，本发明采用通信扰动观测器(Communication Disturbance Observer,CDOB)将时延环节等效为系统的扰动量对数控系统的通信时延环节进行补偿。
CDOB的原理是在观测网络扰动的基础上对系统进行补偿，实际上具有时延环节的系统可以等效为网络扰动系统。图8为网络扰动估算原理图；图9为利用CDOB进行时延补偿的原理图。下文基于该原理图进行CDOB的设计。
其中：
前文提及时延环节
该表达式的极点为pdis=
CDOB中的低通滤波器的设计影响到CDOB的实际性能，设CDOB低通滤波器形式为：
其中：fc为低通滤波器的截止频率。该表达式的极点为pcodb=-fc（CDOB低通滤波器的极点）。
CDOB的设计准则为： CDOB的瞬态响应快于扰动项的瞬态响应。根据控制原理极点配置原理可知：需要满足CDOB的极点位置要取的比时延环节的等效环节的极点远。同时要满足李雅普诺夫系统稳定性判据，可将上述设计准则表示为：
代入pdis和pcodb的表达式可以得到极点配置原理为：
在实际应用中，所设计的CDOB的极点位置需要根据实际工况下的系统响应来选择，当CDOB稳定时，不同极点位置得到的系统响应不同。
对通信时延引起的同步误差进行补偿
为了验证CDOB的有效性，将其应用于龙门机床的动梁同步驱动中，来观察其对通信时延引起的同步误差的补偿效果。
采用BECKHOFF公司的开放式控制系统，在自带的控制软件TwinCAT中的TE1400工程模块将MATLAB/Simulink模型编译成带有I/O接口的TcCOM模块，导入TwinCAT中的运行核中执行。同时创建一根虚拟轴用于接收数控系统的位置指令，并使动梁进行理想情况下的运动；再创建两根运动轴与实际的电机轴相连，两轴通过本发明搭建的CDOB得到同步误差补偿修正值加在运动轴两端，并与虚拟轴的位置指令相连接，经过交叉耦合控制得到最后修正后的Z1轴和Z2轴实际位置指令后分别控制两轴，实现龙门动梁同步驱动系统的同步误差补偿。
经测试结果显示如图10，若将横梁的位置指令设置为移动20mm，若仅通过数控系统的功能完成该指令，系统响应时间为0.04ms；最大同步误差约为0.3mm。而使用CDOB补偿时的系统相应时间为0.03ms；最大同步误差仅为0.15mm，仅为通过数控系统的功能完成指令的一半大小。上述结果表明：横梁同步控制的干扰抑制性能和动态相应性能在加入 CDOB观测器后得到了显著提高。
综上所述，本发明在实际应用于大型动梁式龙门加工中心的横梁同步驱动控制具有切实的实际意义，本控制方法经验证测试结果显示，使用通信干扰观测器可以对动梁因数控系统的通信时延引起的同步误差有很好的补偿能力、并提高了系统动态响应性能、鲁棒性和稳定性。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。