應用數位式干擾觀測器以改善運動控制之精密度

Abstract

運動控制器要提高精密度，主要是要降低加工中產生之輪廓誤差（contouring error），及路徑命令之誤差。而絕大多數的加工平台會因為外界負載擾動 ( 如切削力、摩擦力 ) 或系統參數的變化而影響其加工的精密度。因此，如何降低外界干擾對伺服系統的影響並改善切削加工時的精密度，將是一重要的課題。而干擾觀測器(Disturbance Observer , DOB)就是用於降低外在干擾對系統的影響，以增加加工的精密度。 傳統的干擾觀測器是在連續時間的系統下設計的，這在實現上必須先轉換成離散時間系統才能實現。接著又有人( Kempf, C.J.; Kobayashi, S.1999)提出直接在離散時間系統設計DOB，但是其設計架構有反向受控體(inverse plant)的問題，限制了模型的選擇。為解決以上的問題，我們設計了一個新的數位式干擾觀測器(Digital Disturbance Observer)，在設計上是直接在離散時間的系統上設計，且在架構上沒有反向受控體，因此大為增加其應用範圍。接著，在實驗上我們加上前置控制器ZPETC以補償追跡誤差（tracking error），可以發現數位式干擾觀測器降低了干擾對系統的影響而補償了輪廓誤差，並且更提昇了ZPETC的效能。

To improve motion accuracy, efforts were put mainly on reduction of contouring error and inaccuracy of the path command. However, in practice, the cutting torque and friction act as the external disturbance which decreases accuracy of machining processes. Therefore, it is crucial to reduce the influence of external disturbance and to improve the accuracy in precise motion controls by applying advanced control techniques The traditional DOB was designed for continuous-time systems, and it has to be transformed into discrete-time systems for implementation. Therefore, Kempf and Kobayashi (1999) proposed the digital disturbance observer (DDOB) in the discrete-time systems, but a problem of an inverse plant exists. This paper presents a new DDOB approach which is obtained without the inverse problem. Then, by combining the DDOB and ZPETC to compensate the tracking error, the DDOB reduces the influence of external disturbance and compensates the contouring error. 頁次 中文摘要 i 英文摘要 ii 誌謝 iii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 viii 第一章 簡 介 1 1-1 文獻回顧 1 1-2 問題與陳述 3 1-3 提出解決方法 5 1-4 文章概述 5 第二章 相關理論說明 7 2-1 零相位誤差追跡控制器 7 2-1-1 ZPETC之基本原理 8 2-1-2 最佳零相位誤差追跡控制器 9 2-2 交叉耦合補償器設計 12 2-2-1 輪廓誤差之計算 13 2-2-2 補償器之設計方法 15 第三章 新的DDOB架構與設計 22 3-1 DDOB架構 22 3-2 Filter 的設計 24 3-3 DDOB的穩定性分析與討論 27 第四章 系統模擬 29 4-1 模擬系統建立 29 4-2 DDOB模擬 33 第五章 實驗結果 43 5-1 系統架構 43 5-2 DDOB設計 45 5-3 實驗與各控制器比較之結果 50 第六章 結 論 64 參考資料 66