一种前馈控制器参数的自动整定方法与流程

本发明涉及自动化领域，尤其涉及一种前馈控制器参数的自动整定方法。

背景技术

工业机器人位置环控制器普遍采用pid控制器。这种控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高，在工业控制过程中占有主导地位。

考虑到反馈控制存在一定的滞后性，在pid控制器的基础上添加速度、加速度前馈控制器实现复合控制，可显著提高伺服系统的跟随精度。图1是现有的前馈控制器参数的自动整定方法的前馈控制结构,对伺服电机期望转角θd做一阶微分并乘以速度前馈增益得到速度前馈控制器输出，对伺服电机期望转角θd做二阶微分并乘以加速度前馈增益得到加速度前馈控制器输出，二者与反馈控制器输出相加得到控制信号，输入给伺服驱动器实现复合控制。,伺服控制系统的性能与其控制参数密切相关，为了获得满意的控制效果与伺服性能，必须对控制参数进行整定与优化。然而，目前工业上对前馈控制器参数的整定，主要通过单轴实验手动调试速度、加速度前馈增益，极为依赖工程师的调试经验，效率低下且无法保证控制效果。因此，亟需一种适用于前馈控制器参数的自动整定方法，以提高前馈控制器参数的整定效率和自动化程度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可自动辨识出前馈控制器的速度和加速度增益，进而有利于提高前馈控制器参数的整定效率和自动化程度的前馈控制器参数的自动整定方法。

本发明的一种前馈控制器参数的自动整定方法，包括以下步骤：

步骤一、测量转角误差，步骤为：

(11)利用角度编码器记录待整定控制器参数的驱动关节的伺服电机在不施加前馈控制与施加前馈控制两种情况下，在执行同一段运动轨迹时，在设定的各数据采集时刻的伺服电机实际转角；

(12)将与每次执行同一段运动轨迹的各数据采集时刻分别对应的伺服电机期望转角和与对伺服电机不施加前馈控制时在同时刻的实际转角相减得到对伺服电机不施加前馈控制转角误差将与每次执行同一段运动轨迹的各数据采集时刻分别对应的伺服电机期望转角和与对伺服电机施加前馈控制时在同时刻的实际转角相减得到对伺服电机施加前馈控制转角误差

(13)将分别对应同次执行同一段运动轨迹的各数据采集时刻的对伺服电机不施加前馈控制的转角误差与对伺服电机施加前馈控制的转角误差相减，得到式中i代表第i次执行同一段运动轨迹；

步骤二、辨识前馈控制器参数增量，步骤为：

(21)设定伺服电机的前馈控制器加速度前馈增益ai的初始值以及伺服电机的速度前馈增益bi的初始值；

(22)采集伺服电机在第i次执行同一运动轨迹时，不施加前馈控制转角误差与施加前馈控制的转角误差然后根据公式辨识前馈控制器参数增量δpi：

所述的j为k的整数倍整数，j表示时间到达第j个采样周期，φj,i代表在第j时刻的观测矩阵，ts—采样周期，n—采样周期个数，-对伺服电机施加与不施加前馈控制时第i次执行同一段运动轨迹在tj时刻的伺服电机转角误差之差；

ai—伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益；

bi—伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益；

δai—伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益增量；

δbi—伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益增量；

—第i次执行同一段运动轨迹时各数据采集时刻分别对应的伺服电机转角误差组成的矢量；

tj＝jts(j＝1,2,…n)—表示时间到达第j个采样周期的时刻。

步骤三、前馈控制器参数执行同一段运动轨迹整定，步骤为：

(31)若伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益增量δai满足||δai||≤εa且伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益增量δbi满足||δbi||≤εb，则驱动关节伺服电机的前馈控制器参数整定完毕；若伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益增量δai不满足||δai||≤εa且伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益增量δbi不满足||δbi||≤εb，则根据公式ai+1＝ai+δai，bi+1＝bi+δbi，得到第i+1次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益ai+1与第i+1次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益bi+1，然后执行步骤(32)；

(32)令i＝i+1，重复步骤二的(22)和步骤三。

本发明的优点在于，仅测量伺服电机不施加和施加前馈控制时的转角误差，便可自动辨识出前馈控制器的速度和加速度增益，进而有利于提高前馈控制器参数的整定效率和自动化程度。

附图说明

图1是已有的前馈控制器参数的自动整定方法的前馈控制结构框图；

图2是本发明的前馈控制器参数的自动整定方法的前馈控制器参数自动整定流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。本发明的具体实施方式如下。

本发明核心在于利用不施加和第i次执行同一段运动轨迹中施加前馈控制的转角误差和该次执行同一段运动轨迹前馈控制器参数，便可通过最小二乘法辨识出前馈控制器参数增量，进而通过执行同一段运动轨迹使参数收敛至给定精度。

如图2所示的本发明的一种前馈控制器参数的自动整定方法，包括以下步骤：

步骤一、测量转角误差，步骤为：

(11)利用角度编码器记录待整定控制器参数的驱动关节的伺服电机在不施加前馈控制(n)与施加前馈控制(y)两种情况下，在执行同一段运动轨迹时，在设定的各数据采集时刻的伺服电机实际转角θa；

(12)将与每次执行同一段运动轨迹的各数据采集时刻分别对应的伺服电机期望转角θd和与对伺服电机不施加前馈控制(n)时在同时刻的实际转角相减得到对伺服电机不施加前馈控制转角误差将与每次执行同一段运动轨迹的各数据采集时刻分别对应的伺服电机期望转角和与对伺服电机施加前馈控制(y)时在同时刻的实际转角相减得到对伺服电机施加前馈控制转角误差

(13)将分别对应同次执行同一段运动轨迹的各数据采集时刻的对伺服电机不施加前馈控制(n)的转角误差与对伺服电机施加前馈控制(y)的转角误差相减，得到式中i代表第i次执行同一段运动轨迹；

步骤二、辨识前馈控制器参数增量，步骤为：

(21)设定伺服电机的前馈控制器加速度前馈增益ai的初始值以及伺服电机的速度前馈增益bi的初始值；

(22)采集伺服电机在第i次执行同一运动轨迹时，不施加前馈控制转角误差为与施加前馈控制的转角误差然后根据公式辨识前馈控制器参数增量δpi：

所述的j为k的整数倍整数，j表示时间到达第j个采样周期，φj,i代表在第j时刻的观测矩阵，ts—采样周期，n—采样周期个数，—对伺服电机施加与不施加前馈控制时第i次执行同一段运动轨迹在tj时刻的伺服电机转角误差之差；

ai—伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益；

bi—伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益；

δai—伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益增量；

δbi—伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益增量；

—第i次执行同一段运动轨迹时各数据采集时刻分别对应的伺服电机转角误差组成的矢量；

tj＝jts(j＝1,2,…n)—表示时间到达第j个采样周期的时刻。

步骤三、前馈控制器参数执行同一段运动轨迹整定，步骤为：

(31)若伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益增量δai满足||δai||≤εa且伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益增量δbi满足||δbi||≤εb，则驱动关节伺服电机的前馈控制器参数整定完毕；若伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益增量δai不满足||δai||≤εa且伺服电机第i次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益增量δbi不满足||δbi||≤εb，则根据公式ai+1＝ai+δai，bi+1＝bi+δbi，得到第i+1次执行同一段运动轨迹的加速度前馈增益ai+1与第i+1次执行同一段运动轨迹的速度前馈增益bi+1，然后执行步骤(32)；

(32)令i＝i+1，重复步骤二的(22)和步骤三。

本发明的优点在于，仅测量驱动关节伺服电机不施加和施加前馈控制时的转角误差，便可自动辨识出前馈控制器的速度和加速度增益，进而有利于提高前馈控制器参数的整定效率和自动化程度。