基于混杂系统描述的高频主轴动态多目标优化控制研究

The full-digital spindle drive system has the distinctive character of a hybrid system. The mathematical model established according to the continual system theory is not able to fully reflect the character of this system. The requirement of performance and reliability for full-digital spindle drive system when it comes to the need of high-grade CNC machines is hard to meet with the single-objective optimization method now applied. Thus, the following research will be proposed: In order to completely reflect the continuous and discrete character of the spindle drive system, the modeling method of hierarchy model will be taken to establish the hybrid dynamic system mathematical model. Then based on this model, the stability analysis and the multi-state coupled mechanism will be studied to perfect the design theory and analysis method; The preference objective function of the spindle drive system under different technique and multiple-state coupling conditions should be explicit. And a dynamic multi-objection optimization algorithm based on the membrane computing will be proposed too. By the decomposition and combination of optimization problems, the rapidity and convergence performance of the algorithm will be improved. Therefore,the optimization design of current vector distribution, current vector reference and current control to improve the accuracy, the dynamic and the stability of the current control will be finished.What's more, the maximum torque will be got. With the above mentioned researches, the high-performance and reliable working of the spindle drive system will be realized.

全数字高频主轴控制系统具有混杂系统的显著特征，依据连续系统理论建立的数学模型不能完整反映该系统的特性，并且当前采用的单目标优化方法难以满足高档数控机床对高频主轴控制系统的性能和可靠性要求，因此，本项目拟进行以下研究：采用层次模型建模方法，建立主轴控制系统的混杂动态数学模型，以完整反映高频主轴控制系统的连续和离散特性，并在此基础上开展稳定性分析和多状态耦合机制研究，以完善全数字矢量控制系统的设计理论和分析方法；明确不同工艺和多状态耦合下，主轴控制系统的偏好目标函数，提出基于膜计算的动态多目标协调优化算法，并利用优化问题的分解和组合，提高算法的收敛性和快速性，以实现对电流矢量分配、电流矢量给定和电流控制的优化设计，提升电流控制的精度、快速性和稳定性，以及输出转矩的最大化，保证主轴控制系统的高性能可靠运行，以满足高档数控机床的高速及超高速加工需求。

全数字高频主轴控制系统是数控系统的关键组成部分，其性能优劣直接决定了数控系统加工的精度、质量和效率，因此，本项目对高频主轴驱动系统建模方法、控制优化方法进行了研究，在驱动系统的建模方法、动态特性和可靠性方面取得一定的研究成果，具体包括：采用了层次模型建模方法，建立了主轴控制系统的混杂动态数学模型，完整反映高频主轴控制系统的连续和离散特性，完善了全数字矢量控制系统的设计理论和分析方法；研究了基于膜计算的动态多目标协调优化算法，提高了算法的收敛性和快速性，实现了对电流矢量分配、电流矢量给定和电流控制的优化设计；通过仿真和物理实验，发现以上优化方法虽然可以提升电流控制的精度、快速性和稳定性，以及输出转矩的最大化，但同时也发现由于电机参数变化导致的磁场定向精度对多目标优化方案的实施和驱动系统的稳定性具有较大影响，因此，采用模型预测控制方法对磁场定向的精度进行校正，促进了项目实施的进度，提高了项目完成的最终指标。在完成项目内容的基础上，基于数控系统对可靠性需求，进一步对驱动系统的故障问题进行分析，提出故障诊断和容错控制方法，以保证主轴控制系统的高性能可靠运行。项目实施过程中，累计发表相关文章11篇，申请发明专利3项，授权1项，参加国内会议2次，国际会议5次，邀请国外专家讲座2次。并且，在实施过程中，发现可靠性问题是项目顺利实施的关键和未来主轴驱动系统的主要研究难点和国际研究热点，通过与丹麦奥尔堡大学可靠性研究中开展国际合作研究，在磁场定向、新型功率器件和关键元器件可靠性方面取得了突破，这对于我国数控系统主轴驱动的可靠性问题提升具有重要意义。