一种基于通信干扰观测器的网络化多轴运动控制系统的交叉耦合控制方法与流程

本发明应用于网络化运动控制领域，涉及一种适用于网络化多轴协调运动控制的交叉耦合控制方法。

背景技术：

在现代智能制造业中，多轴运动控制的应用已日益广泛，通过多轴联动可实现复杂的设备功能，如工业机器人、无轴印刷机、纺织机和印刷包装机。随着网络技术的快速发展，多轴运动控制系统正朝着网络化和高速化的方向发展。将网络引入伺服控制系统，在控制器和多轴伺服驱动器之间通过以太网进行数据通信，大大提高了控制器和驱动器之间的数据传输速率及可靠性，同时也实现了精确的多轴同步功能，极大减少了系统布线，提高了系统扩展能力。通用以太网在带宽、成本和开放性等方面有着现场总线无法比拟的优势，基于开放性的通用以太网研制的伺服系统能很好地提高装备的灵活性、快速性和控制精度。因此，基于通用以太网的多轴运动控制已逐渐成为现代智能制造的核心技术之一。

然而，以太网最初是为商业场合设计的，将以太网引入运动控制系统增加了新的因素和问题，例如，以太网非确定性通信机制导致各种通信不确定问题，难以满足现代运动控制系统强实时性和高速、高精度的加工要求。尽管已有一些商用工业以太网技术，例如ethercat、sercos-iii、powerlink，但大多是通过修改数据链路层协议实现确定性数据传输。因此，这些商用以太网可以认为是一种高速现场总线，需要专用芯片实现协议栈、专用开发软件进行系统开发，成本高、技术授权难且不兼容标准以太网。若能从控制层面提出解决以太网信息传输不确定性对运动控制系统性能影响的理论与方法，将具有重大理论意义和实际应用价值。同时，实现高精度轨迹跟踪和轮廓控制是多轴运动控制中的一项核心技术，涉及高精度的单轴位置伺服控制和轮廓误差控制。位置伺服控制的主要目标是提高位置跟踪精度和抗干扰性能，人们也已经提出了许多先进控制方法，如带前馈的pid控制、滑模控制、自适应控制和模糊控制。尽管实时以太网的传输率已经得到很大程度的提高，但在高速运动场合网络诱导时延和时钟不同步带来的采样抖动对位置跟踪精度的影响仍然不可忽略，已有的位置伺服控制方法少有考虑这些影响。在网络化控制系统领域已有不少网络诱导时延补偿方法，如预测控制、自适应smith预估器，但多数算法较复杂，不适用于高速运动控制场合。

技术实现要素：

为了克服现有网络化多轴运动控制系统中的交叉耦合控制方法的不足，本发明提供了一种基于通信干扰观测器的网络化多轴运动控制系统的交叉耦合控制方法。采用线性自抗扰控制器实现对单轴轨迹跟踪控制；将网络时延引起的不确定性等效为系统干扰，进而采用具有时延估计与补偿功能的通信干扰观测器，实现对单轴网络诱导时延引起的不确定性的实时估计与补偿；针对网络化多轴运动控制系统中多轴协调运动控制的轨迹轮廓误差，设计基于pid的轮廓误差补偿控制器，实现对系统轮廓轨迹的补偿控制。

为了解决上述技术问题本发明采用的技术方案如下：

一种基于通信干扰观测器的网络化多轴运动控制系统的交叉耦合控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1)根据多轴运动控制系统的动态特性，建立在扭矩模式下单轴伺服系统的二阶模型为

其中，系统的控制输入量为电机输入电压u(s)，输出量也即被控的变量为轴的位置y(s)，k和t为系统参数；

步骤2)针对单轴的轨迹跟踪控制，设计基于线性自抗扰控制的跟踪控制器，过程包括：设计线性跟踪微分器，线性扩张状态观测器和基于pd的线性误差反馈控制率；

步骤3)设计具有时延估计与补偿功能的通信干扰观测器，实现对单轴网络诱导时延引起的不确定性的实时估计与补偿；

步骤4)针对网络化多轴运动控制系统中多轴协调运动控制的轨迹轮廓模型计算出当前时刻系统的轮廓误差模型，然后根据得到的轮廓误差，设计基于pid的轮廓误差补偿控制器。

进一步，所述步骤2)中，设计基于线性自抗扰控制的跟踪控制器设计过程如下：

(2.1)设计如式(2)所示的线性跟踪微分器，用来安排过渡过程，给定信号v0作为参考输入,

其中，参数r0为跟踪微分器的快速因子，v1表示参考输入v0的跟踪值，v2为参考输入v0的微分的近似值，fh为v2的微分值；

(2.2)设计如式(3)所示的线性扩张状态观测器，对系统的状态和扰动进行实时估计与补偿，

其中，β01、β02和β03为一组待整定的参数，参数的选取通过极点配置确定为β1＝3ω0,β2＝3ω0²,β3＝ω0³，ω0为观测器带宽，z1和z2分别为系统输出y的估计以及y的微分的估计，z3为系统扰动的估计，b0为可调的补偿因子；

(2.3)设计如式(4)所示的线性误差反馈控制律,

其中，kp和kd分别为比例和微分系数，通过极点配置取kp＝ωc²,kd＝2ωc，ωc为控制器带宽，e1，e2分别为系统的状态v1与z1之间的偏差以及v2与z2之间的偏差，u0为误差反馈控制量，u为最终的控制量。

再进一步，所述步骤3)中，设计具有时延估计与补偿功能的通信干扰观测器，实现对单轴网络诱导时延引起的不确定性的实时估计与补偿，过程如下：

(3.1)将网络时延τ＝τac+τca引起的不确定性等效为网络时延引起的干扰dnet(s)，具体如下

dnet(s)＝u(s)-u(s)e^-τs(5)

其中，τ为网络时延，τac、τca分别为轴输出的位置y(s)到控制器输入和控制器输出到电机输入电压u(s)的网络时延；

(3.2)设计如公式(6)所示的一阶的通信干扰观测器，对网络时延引起的干扰dnet(s)进行实时估计与补偿，

其中，l(s)是截止频率为gnet的低通滤波器，是网络时延引起的干扰dnet(s)的估计值，用来补偿网络通道中的时延引起的不确定性，当通信干扰观测器的截止频率接近于无穷时，|l(s)|＝1，此时可以精确的估计出网络时延引起的干扰。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用线性自抗扰控制器，实现良好的单轴轨迹跟踪控制性能，以及对系统模型不确定性的良好抗扰动能力；针对网络时延引起的不确定性，等效为系统干扰，进而采用具有时延估计与补偿功能的通信干扰观测器，实现对单轴网络诱导时延引起的不确定性实时估计与补偿；针对网络化多轴运动控制系统中多轴协调运动控制的轨迹轮廓模型计算出当前时刻系统的轮廓误差模型，根据得到的轮廓误差，设计基于pid的轮廓误差补偿控制器，实现对系统轮廓轨迹的补偿控制。

附图说明

图1是基于通信干扰观测器的网络化多轴运动控制系统结构图。

图2是基于线性自抗扰控制的单轴轨迹控制结构图。

图3是网络时延等效为系统干扰结构图。

图4是通信干扰观测器的时延补偿结构图。

图5是交叉耦合控制结构图。

图6是定常时延的单轴轨迹跟踪控制效果图。

图7是定常时延的轮廓轨迹控制效果图。

图8是时变时延的单轴轨迹跟踪控制效果图。

图9是时变时延的轮廓轨迹控制效果图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、设计思路能更加清晰，下面结合附图再进行详尽的描述。

参照图1～图9，一种基于通信干扰观测器的网络化多轴运动控制系统的交叉耦合控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1)根据多轴运动控制系统的动态特性，建立在扭矩模式下单轴伺服系统的二阶模型为

其中，系统的控制输入量为电机输入电压u(s)，输出量也即被控的变量为轴的位置y(s)，k和t为系统参数；

步骤2)针对单轴的轨迹跟踪控制，设计基于线性自抗扰控制的跟踪控制器，过程包括：设计线性跟踪微分器，线性扩张状态观测器和基于pd的线性误差反馈控制律，单轴轨迹跟踪控制结构如图2所示；

步骤3)设计具有时延估计与补偿功能的通信干扰观测器，实现对单轴网络诱导时延引起的不确定性的实时估计与补偿，具有时延估计与补偿的通信干扰观测器结构如图3和图4所示；

步骤4)针对网络化多轴运动控制系统中多轴协调运动控制的轨迹轮廓模型计算出当前时刻系统的轮廓误差模型，然后根据得到的轮廓误差，设计基于pid的轮廓误差补偿控制器，其结构如图5所示；

进一步，所述步骤2)中，设计基于线性自抗扰控制的跟踪控制器设计过程如下：

(2.1)设计如式(2)所示的线性跟踪微分器，用来安排过渡过程，给定信号v0作为参考输入,

其中，参数r0为跟踪微分器的快速因子，v1表示参考输入v0的跟踪值，v2为参考输入v0的微分的近似值，fh为v2的微分值；

(2.2)设计如式(3)所示的线性扩张状态观测器，对系统的状态和扰动进行实时估计与补偿，

其中，β01、β02和β03为一组待整定的参数，参数的选取通过极点配置确定为β1＝3ω0,β2＝3ω0²,β3＝ω0³，ω0为观测器带宽，z1和z2分别为系统输出y的估计以及y的微分的估计，z3为系统扰动的估计，b0为可调的补偿因子；

(2.3)设计如式(4)所示的线性误差反馈控制律,

其中，kp和kd分别为比例和微分系数，通过极点配置取kp＝ωc²,kd＝2ωc，ωc为控制器带宽，e1，e2分别为系统的状态v1与z1之间的偏差以及v2与z2之间的偏差，u0为误差反馈控制量，u为最终的控制量。

再进一步，所述步骤3)中，设计具有时延估计与补偿功能的通信干扰观测器，实现对单轴网络诱导时延引起的不确定性的实时估计与补偿，过程如下：

(3.1)将网络时延τ＝τac+τca引起的不确定性等效为系统干扰dnet(s)，具体如下

dnet(s)＝u(s)-u(s)e^-τs(5)

其中，τ为网络时延，τac、τca分别为轴输出的位置y(s)到控制器输入和控制器输出到电机输入电压u(s)的网络时延；

(3.2)设计如公式(6)所示的一阶通信干扰观测器，对网络时延引起的干扰dnet(s)实时估计与补偿，

其中，l(s)是截止频率为gnet的低通滤波器，是网络时延引起的干扰dnet(s)的估计值，用来补偿网络通道中的时延引起的不确定性，当通信干扰观测器的截止频率接近于无穷时，|l(s)|＝1，此时可以精确的估计出网络时延引起的干扰。

为验证所提方法的有效性和优越性，本发明进行如下仿真实验，设置仿真实验中的初始条件与部分参数，即：系统方程中k1＝k2＝0.001159，t1＝t2＝0.02038；对各轴设计基于线性自抗扰控制器且参数相同的单轴轨迹跟踪控制器，参数选取为：r0＝200，kp＝600，kd＝20，b0＝66，ω0＝600；设计具有时延估计与补偿功能的通信干扰观测器，参数选取为：gnet＝600；设计基于pid的轮廓误差补偿控制器，参数选取为：kp1＝20，ki1＝2，kd1＝10。

图6和图7分别是定常时延的单轴轨迹跟踪控制仿真效果图和轮廓轨迹控制仿真效果图。定常网络时延τ＝τac+τca＝0.1s，从图中可以看出，虽然单轴轨迹跟踪因为时延存在滞后，但是具有较好轮廓跟踪性能，而网络化多轴轨迹跟踪控制系统的目标在于轮廓轨迹跟踪控制，故本发明能够有效的实现定常时延的补偿与轮廓轨迹跟踪控制。

图8和图9分别是时变时延的单轴轨迹跟踪控制仿真效果图和轮廓轨迹控制仿真效果图。时变网络时延τ＝τac+τca∈[0.15s,0.2s]，从图中可以看出，单轴轨迹跟踪存在滞后并能够实现轨迹跟踪，并具有一定的轮廓跟踪性能，虽然性能不佳，但是去掉时延补偿控制，即不使用通信干扰观测器，则系统失控，单轴轨迹跟踪和轮廓轨迹跟踪均无法实现，这也说明本发明能够实现时变时延的补偿与轮廓轨迹控制。

以上阐述的是本发明给出的仿真对比结果已表明所设计方法的优越性，显然本发明不只是局限于上述实例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下对其可作种种变形加以实施。本发明所设计的控制方案能够有效解决网络化多轴运动控制系统的轮廓跟踪控制问题，使系统稳定运行的同时，能够保证系统具有良好的单轴跟踪性能与较好的轮廓跟踪性能。