[发明专利]一种基于动态测试数据的进给系统闭环时域仿真方法

权利要求书

1.一种基于动态测试数据的进给系统闭环时域仿真方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，基于伺服电机自激励进行动态测试与频响估计，对激励与响应信号进行频响估计得到1入3出频响阵；

步骤2，根据被控对象模型和步骤1中得到的1入3出频响阵，基于进给系统的控制结构，得到指令位移输入到工作台面位移响应输出的闭环频率特性；

步骤3，根据步骤2中的闭环频率特性，利用傅里叶逆变换求取进给系统的单位脉冲响应；将单位脉冲响应与指定位移指令进行时域卷积，求得闭环时域响应输出作为进给系统闭环时域仿真输出；

步骤1中，使用进给系统的伺服电机产生一定幅值与频宽的扫频激励扭矩，分别利用编码器、长光栅与加速度传感器采集电机转子、滑台底部与工作台面处的动态响应，对激励与响应信号进行频响估计求取电机-编码器频响、电机-长光栅频响和电机-工作台频响，并构成1入3出频响阵；

采用的电机扫频激励扭矩如下，

T₁(t)＝A sin(ω_t(t)t)

ω_t(t)＝a+bt,t∈[0,t₀]

式中，A为激励幅值，ω_t为时变频率，a，b为时变频率的线性变化参数，t₀为激励时长；

激励幅值的选择原则是能够克服静摩擦，激励起工作台的宏观移动；激励频率范围能够覆盖最大加速度参数下运动指令加减速过程的频宽，并包含最大主轴转速下的切削力干扰频率；最大主轴转速下的切削力干扰频率为主轴转速与刀齿数之乘积；

测得编码器处速度响应ω₁(t)，长光栅处位移响应x₂(t)，工作台面处加速度响应a₃(t)；使用功率谱估计计算三个位移频响分别为，

式中，h₁₁，h₂₁，h₃₁依次为电机扭矩输入下的编码器处、长光栅处和工作台面处的位移频响，j为虚数单位，ω为角频率，G_T1T1,G_T1ω1,G_T1x2,G_T1a3分别为输入扭矩的自能量谱与输入扭矩分别与三个输出的互能量谱；

上述三个位移频响构成进给系统机械部分的1入3出位移频响阵模型如下，

步骤2中，考虑伺服电机与控制时延下的被控对象模型为：

式中，k_I为电流放大系数，k_T为扭矩常数，e^-jωτ为控制时延，i_sc为丝杠螺母副的传动比；

基于包括位置环控制器与速度环控制器的控制结构，得到指令位移输入到工作台面位移响应输出的闭环频率特性如下，

式中，r(jω)，x₃(jω)分别为指令位移与工作台处位移响应的傅里叶变换，G_cp，G_cv分别为位置环控制器与速度环控制器的传递函数；

步骤3中，根据步骤2中的闭环频率特性，利用傅里叶逆变换求取系统的单位脉冲响应如下，

将单位脉冲响应g_{x3_r}(t)与指定位移指令r(t)进行时域卷积，求得闭环时域响应输出为，相应地，有误差响应为e(t)＝x₃(t)-r(t)。