隨著現代製造業的發展，在多軸運動控制中輪廓誤差控制越來越重要，因為輪廓誤差模型的建立是多軸控制系統誤差計算的基礎。而各種輪廓誤差模型，都需要有相對應的交叉耦合控制系統來實現誤差補償，最後達到控制輪廓精度的目的。
所謂的交叉耦合控制器，通常情況下是由兩部分組成，一部分是實時計算輪廓誤差的輪廓誤差計算模型，另一部分是將所得的控制量按照一定的關係分別補償到各運動軸的輪廓誤差分配控制器。
基本介紹
- 中文名：交叉耦合控制
- 外文名：cross一couple control
- 類別：控制科學與工程
- 目的：控制輪廓精度
- 提出人：Kroen
- 基本思想：接受多軸誤差運動信息
基本思想,交叉耦合控制器,結構,控制方法,參數最佳化方法,
基本思想
在傳統的輪廓加工數控系統中，無論是單軸控制還是多軸控制，其控制目標就是單軸的實際位置與指令位置之間的誤差，即各獨立運動軸的跟蹤誤差。輪廓誤差是輪廓加工中最重要的誤差，最終加工出的輪廓是由多運動軸的協調運動形成的。如果只對單一軸的誤差進行控制而不顧及其它運動軸當前的誤差以及運動情況，加工出的廓形就會產生較大的誤差，尤其是在高速情況下，當各運動軸的參數存在差異的情況時，就會因為參數的不一致，造成加工輪廓的變形。基於這種情況考慮，一種自然的想法就是，每一個單軸的位置控制器不單單只接收來自本軸的誤差及運動信息，還需要實時接收當時其它運動軸的誤差及運動信息，以使本軸的運動與其它軸的運動協調起來，這就是多軸交叉耦合控制的基本思路。
普通的多軸控制系統中，由單獨的每軸閉環控制產生的誤差為各自理想位置和實際位置之間的距離，且單獨由每軸的位置所補償。實際上，整個控制系統的誤差是由多個運動軸的位置誤差共同決定的。故有人提出多軸交叉耦合控制概念。以多軸交叉耦合控制為基礎，根據整個控制系統的誤差對各個軸進行誤差補償，控制的目標是減少整個多軸系統的誤差。
基於每個軸的跟蹤誤差來直接反映輪廓誤差，通過交叉耦合控制器進行運算得到每個軸的位置補償值。然後，將每個軸的位置補償結果加至每個軸的位置給定中，從而確保每個軸都能夠反映其他軸的動態特性變化，最終消除每個軸對其他軸的影響。交叉耦合控制器可以認為是底層控制器與高層控制器的結合運用，從自動控制的角度看，通過耦合輪廓補償的方法改善系統輪廓精度的實質是將系統開環的輪廓控制變為閉環輪廓控制。
交叉耦合控制器
結構
針對平面輪廓誤差模型，Kroen 提出了相應的交叉耦合控制器，它提供了很好的解決方法和思路，幾乎是所有輪廓誤差控制算法的起源，其控制算法的思路主要是：先將從兩正交軸所測得的跟蹤誤差進行耦合，計算出輪廓誤差，然後經過一個比例控制器（CCC），分解到各個正交軸的輸入端。其結構如下圖所示。這個交叉耦合控制系統實現了將輸入量即跟蹤誤差轉變為反饋控制所需要的輪廓誤差。
求輪廓誤差的方法，實際上是對自然坐標系下得到的跟蹤誤差進行了坐標變換，將其變換成為加工輪廓切線方向和法線方向的誤差，其中切線方向上的誤差的體現了系統時滯性，而法線方向上的誤差，就是輪廓誤差的體現。
由 Kroen 的交叉耦合控制系統可知，補償系統是以輪廓誤差模型為基礎的。所以對於更為複雜的空間輪廓誤差模型，其對應的控制系統在結構上，以及內部算法都會比較複雜，增益匹配模型也會變得較為複雜。
控制方法
所謂的交叉耦合控制器，通常情況下是由兩部分組成，一部分是實時計算輪廓誤差的輪廓誤差計算模型，另一部分是將所得的控制量按照一定的關係分別補償到各運動軸的輪廓誤差分配控制器。輪廓誤差分配控制器可以綜合考慮到各平動軸的參數不匹配以及運動不協調等諸多藕合因素以及不穩定地干擾源，因此，在多軸控制中通常會考慮使用交叉耦合控制器及其改進模型進行誤差的綜合補償。其基本思想是根據各獨立軸的所反饋的信息，實時計算輪廓誤差的大小並通過控制策略進行補償信號的輸出，然後按照一定的關係將輸出信號分配到各運動軸上，從而達到減小輪廓誤差，控制定位精度的目的。從控制學的角度來看，通過交叉藕合輪廓補償的方法改善系統輪廓精度的實質是：將系統開環的輪廓控制轉變為閉環的輪廓控制。而閉環的控制相對於開環控制的特點就是，穩態誤差小，控制精度高，但是卻存在系統不容易穩定的缺點。
交叉耦合控制器的兩個主要模組就是用於實時計算輪廓誤差的誤差計算模型，以及誤差補償量的分配模型。如下圖所示。
其中，輪廓誤差
就是系統用於實時計算輪廓誤差的誤差模型，u就是用於誤差補償量的分配模型。
參數最佳化方法
為了實現交叉耦合控制器參數對輪廓誤差具有自適應調整的能力，不得不進一步對交叉耦合控制器參數最佳化算法進行研究。其控制策略的思路為：在經典 PID 控制策略的基礎上，添加能夠使交叉耦合控制器 PID 控制參數根據輪廓誤差大小進行實時自適應變化的自適應模組。這個自適應模組是通過一些先進控制方法的套用，實現交叉耦合控制器參數對輪廓誤差的自適應調整。其結構框圖如下圖所示。對於輪廓誤差補償量的分配方式，選擇比例誤差分配。對於 X ，Y 兩軸聯動的交叉耦合控制器參數最佳化算法，採用經典 PID 控制與先進控制方法相結合的方式，從而得到能夠在系統運行過程中，實現 PID 控制參數對輪廓誤差自適應調整的參數最佳化方法。
為了實現交叉耦合控制器參數能夠對磨削系統任意時刻輪廓誤差的自適應變化，學者們對交叉耦合控制器參數的自適應最佳化方法做出了大量的研究。在經典 PID 控制策略的基礎上，採用眾多的先進控制方法對 PID 控制器控制參數進行參數整定，如基於模糊邏輯控制的參數整定算法、基於神經網路控制的參數自適應整定算法、基於PDFF 與 H∞次優方法結合的控制算法、基於模型參考自適應的控制算法以及基於遺傳算法的控制器參數整定算法等。
