隨著現代工業對非圓切削高加工精度和高加工效率的要求，獲得滿意跟蹤性能且產生高精度的動態切削運動成為必然。
衍生式數控系統設計思想是在普通數控切削系統的基礎上衍生一個高速直線伺服電機單元，用于驅動刀具，并與原系統協調工作。
本書通過對非圓切削衍生系統數據驅動控制方法的分析、設計、仿真及實驗研究，展示了基于數據驅動的多種控制方法對給定軌跡的高精度快速跟蹤性能，證明數據驅動控制方法的實際應用價值，為讀者提供了非圓切削數控系統的創新設計思想、設計方法和控制方法。
本書主要內容包括非圓切削衍生式系統的設計及研究、刀具伺服系統的音圈直線電機的設計及控制算法的應用研究、非圓切削衍生式系統的數據驅動控制理論與方法研究、衍生式數控系統的實驗研究等。
本書集理論與實際于一體，可使讀者系統學習非圓切削控制系統的設計，掌握實用的控制和實現方法； 可作為從事自動控制學科與機電一體化工程學科及相關學科應用研究的科研人員、從事機電綜合控制系統開發的工程技術人員使用，也可作為高校相關專業的教師、研究生、高年級本科生閱讀和參考。
非圓截面零件廣泛應用于汽車、生物、醫學、航空、航天等機械設備中，隨著現代工業對非圓車削的高加工精度和高加工效率的要求，獲得參考軌跡的滿意跟蹤性能且產生高精度的動態切削運動成為必然。非圓切削車床的關鍵部件之一是徑向進給系統，而非圓截面零件因為其獨特的形狀特征，給機械加工帶來困難，型線越復雜，車削速度越高，對該進給系統的要求就越高。高系統傳動精度、高切削頻率響應能力、高剛性和抗動態負載的能力是零件截面型線不失真的保障。制造業是經濟結構戰略性調整的推動力，是國民經濟高速增長的發動機，是以信息化帶動和加速工業化的主導產業。隨著現代工業對非圓切削高加工精度和高加工效率的要求，獲得滿意跟蹤性能且產生高精度的動態切削運動成為必然。衍生式數控系統設計思想為在普通數控切削系統的基礎上衍生高速直線伺服電機單元，用于驅動刀具，并與原系統協調工作。本書通過對非圓切削衍生系統數據驅動控制方法的分析、設計、仿真及實驗研究，展示了基于數據驅動的多種控制方法對給定軌跡的高精度快速跟蹤性能，證明數據驅動控制方法的實際應用價值，為讀者提供了非圓切削數控系統的創新設計思想、創新設計方法和創新控制方法。
前言
非圓截面零件廣泛應用于汽車、生物、醫學、航空、航天等機械設備，隨著現代工業對非圓車削的高加工精度和高加工效率的要求，獲得參考軌跡的滿意跟蹤性能且產生高精度的動態切削運動成為必然。非圓切削車床的關鍵部件之一是徑向進給系統，而非圓截面零件因為其獨特的形狀特征，給機械加工帶來困難，型線越復雜，車削速度越高，對進給系統的要求就越高。高系統傳動精度、高切削頻率響應能力、高剛性和抗動態負載的能力是零件截面型線不失真的保障。制造業是經濟結構戰略性調整的推動力，是國民經濟高速增長的發動機，是以信息化帶動和加速工業化的主導產業。本書采用的數據驅動控制方法是控制器設計不包含受控過程數學模型信息，僅利用受控系統的在線和離線I/O數據以及經過數據處理而得到的知識設計控制器，并在一定的假設下，有收斂性、穩定性保障和魯棒性結論的控制理論與方法。數據驅動控制(DataDriven Control)最早來源于計算機科學領域，雖然在控制領域的研究還處于萌芽階段，但已得到國內外控制理論界的高度重視。自2002年美國召開題為IMA Hot Topics Workshop: Datadriven Control and Optimization的研討會開始，國內也迅速開展了基于數據的控制、決策、調度與診斷的研究。2010年11月，在北京召開的基于數據的優化、控制與建模國際學術研討會上，柴天佑院士談到控制科學的研究應多注重解決實際問題，而基于數據的優化和控制正是面向實際應用提出的。中國的制造業非常發達，基于數據的優化和控制方法研究在國民經濟發展中大有用武之地。圍繞北京經濟、社會發展的重點科技問題，北京市科學技術委員會于2011年9月發布了北京市十二五時期科技北京發展建設規劃，規劃第五部分推進科技振興產業工程，引領產業結構優化升級的主題之一就是高端裝備制造產業，其中包括開展高檔、專用數控裝備及相關技術研發、應用及產業化。在由139位來自企業、研發機構、高校以及國外專家分析得出的未來15年先進制造領域對我國產業發展最重要的14類核心技術中，高檔數控機床及基礎制造裝備關鍵技術被列為第一項。而該數據驅動控制技術的實現，可進一步推動北京市數控產業關鍵技術的自主創新和技術改造，降低高端數控機床的價格，推動控制工程學科與數字化制造學科的交叉，具有重要的理論與工程實踐價值。衍生式數控系統設計思想是在普通數控切削系統的基礎上衍生一個高速直線伺服電機單元，用于驅動刀具，并與原系統協調工作。本書主要對非圓車削數控系統的構成原理，衍生式數控系統結構的控制機理及特性進行了研究，基于數控車床系統狀態機模型實現了系統的同步控制。對實時嵌入式軟件的設計方法進行了研究，提出了時間觸發分層有限狀態機實時嵌入式軟件設計模式，建立了衍生控制器軟件的分層狀態機模型，基于有限狀態機開發了驅動程序、子功能模塊和同步控制模塊，完成了衍生控制器的軟件開發。本書通過對非圓切削衍生系統數據驅動控制方法的分析、設計、仿真及實驗研究，展示了基于數據驅動的多種控制方法對給定軌跡的高精度快速跟蹤性能，證明數據驅動控制方法的實際應用價值，為讀者提供了非圓切削數控系統的創新設計思想、設計方法和控制方法。本書主要內容包括非圓切削衍生式系統的設計及研究、刀具伺服系統的音圈直線電機的設計及控制算法的應用研究、非圓切削衍生式系統的數據驅動控制理論與方法研究、衍生式數控系統的實驗研究等。目前，關于非圓切削系統的設計及控制方法方面的較高水平的學術論文均有發表(例如清華大學王先逵、吳丹團隊)，數據驅動控制方法理論研究及應用的論文及專著也有出版(例如侯忠生，金尚泰，科學出版社，2013； 曹榮敏，國防工業出版社，2012)，但就非圓切削衍生系統設計及數據驅動控制方法研究的專著目前尚未見，通過該專著的出版將數據驅動控制方法在非圓切削方面的應用進行系統的講解，以供該領域研究的學者系統學習和應用。本書是在北京市自然科學基金項目(編號： 4142017)數據驅動控制方法及其在直線電機精密運動控制中的應用和國家重大科技專項(項目號： 2011ZX04002132)CK9555大功率船用柴油機活塞加工用變橢圓車床的支持下完成的，是基于上述項目研究的成果； 根據北京信息科技大學曹榮敏教授、南陽理工學院機械與汽車工程學院鄭冬博士及中國農業大學周惠興教授3位作者及其合作團隊多年來在非圓切削和數據驅動方面的研究內容以及這些領域的最新發展趨勢進行選題。值得特別提出的是，在項目研究期間本書作者之一鄭冬博士在安陽機床廠設備現場調試過程中付出了艱辛的勞動。特別感謝北京交通大學侯忠生教授和金尚泰副教授，沒有他們在理論方面的熱心指導和幫助，作者是不可能完成此書的； 非常感謝新加坡國立大學K.K.Tan教授和清華大學王先逵教授給予的關鍵性建議； 感謝安陽機床廠對研究工作和現場調試工作給予的大力支持和合作，感謝北京信息科技大學4位碩士研究生趙云杰、代軍委、齊京升和高彬彬同學在本書科研工作、整理和錄入等方面付出的辛勤勞動，感謝中國農業大學劉天宇博士和王磊碩士對本書的支持和貢獻。另外，還要感謝中國農業大學精密工程研究中心研究團隊的全體合作者們給予作者各方面的大力協助；同時感謝清華大學出版社對本書出版給予的大力支持。由于作者理論水平和實踐經驗有限，書中難免有不妥和不完善之處，懇請廣大讀者提出寶貴意見。著者2016年9月
目錄
第1章緒論
1.1數據驅動衍生式非圓切削數控系統研究背景及意義
1.1.1研究意義
1.1.2國內外研究現狀及背景
1.1.3應用方向及應用前景
1.2非圓活塞數控車床的研究現狀
1.2.1國內研究現狀
1.2.2國外研究現狀
1.3非圓活塞車床控制系統概述
1.3.1非圓活塞切削原理
1.3.2非圓活塞車床控制系統性能指標確定
1.4本章小結
第2章衍生式數控系統設計及控制器開發
2.1衍生式數控系統結構及同步控制
2.1.1衍生式數控系統結構
2.1.2衍生式數控系統的子系統
2.1.3衍生式數控系統的同步控制
2.2衍生控制器硬件設計
2.2.1編碼器接口電路
2.2.2D/A輸出電路
2.2.3RS232接口電路
2.2.4A/D轉換電路
2.2.5數字I/O電路
2.3衍生控制器軟件設計
2.3.1時間觸發模式
2.3.2分層有限狀態機
2.3.3時間觸發的分層有限狀態機
2.3.4衍生控制器軟件總體設計
2.4本章小結
第3章伺服系統直線音圈電機的設計及試驗研究
3.1非圓切削刀具進給伺服系統概述
3.2直線音圈電機運行原理
3.2.1電磁原理
3.2.2電壓平衡方程
3.2.3動力學原理
3.3直線音圈電機優化計算及機械設計
3.3.1優化方法概述
3.3.2電機優化計算
3.3.3電機機械設計說明
3.4非圓切削刀具進給伺服直線音圈電機試驗研究
3.4.1電機漏磁及靜態力測試
3.4.2電機驅動器調試試驗
3.4.3電機運動控制試驗
3.5本章小結
第4章非圓切削刀具進給伺服系統設計及建模
4.1非圓切削直線電機伺服驅動與控制關鍵技術
4.1.1伺服驅動回路硬件配置
4.1.2驅動方式選擇
4.1.3直線伺服進給系統模型分析與建立
4.1.4數據驅動控制算法的實現
4.1.5接口與定義問題
4.2刀具進給直線伺服控制系統實驗平臺
4.2.1音圈直線電機
4.2.2數字伺服驅動器
4.2.3DSP 控制器
4.2.4位置檢測部件
4.3刀具進給直線伺服控制系統模型辨識
4.3.1系統數學模型的推導
4.3.2系統模型參數辨識
4.4本章小結
第5章數據驅動非圓切削刀具進給伺服系統控制方法研究
5.1無模型自適應預測控制研究
5.1.1概述
5.1.2基于緊格式動態線性化的無模型自適應預測控制
方法
5.1.3基于偏格式動態線性化的無模型自適應預測
控制
5.1.4基于全格式動態線性化的無模型自適應預測
控制
5.2無模型迭代學習控制方法研究
5.2.1無模型迭代學習研究進展
5.2.2基于緊格式動態線性化的無模型自適應迭代學習
控制算法
5.2.3基于偏格式動態線性化的無模型自適應迭代學習
控制算法
5.2.4基于全格式動態線性化的無模型自適應迭代學習
控制算法
5.3迭代學習與無模型預測組合控制研究
5.3.1基于緊格式線性化的無模型預測控制算法
研究
5.3.2基于緊格式線性化的迭代學習與無模型預測控制
組合算法研究
5.4迭代學習與PID復合控制方法研究
5.5數據驅動非圓切削刀具進給系統控制方法應用研究
5.5.1無模型自適應控制方法應用研究
5.5.2PID控制方法應用研究
5.5.3無模型自適應預測控制應用研究
5.5.4改進重復控制與PI復合控制方法應用研究
5.6本章小結
第6章衍生式數控系統的實驗研究
6.1衍生式數控系統調試實驗
6.2機床樣機調試實驗
6.3本章小結
參考文獻
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