专利名称：对数控的、弹性的并因而是振荡的多质量系统进行转矩预控制的方法和调节结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对数控的、弹性的并因而是振荡的多质量系统，例如机床、机器人等进行转矩预控制的方法以及调节结构。
其电动机与诸如机床工作台等的负载间不存在刚性连接的驱动系统系弹性的并因而是振荡的多质量系统。
对这种驱动系统的速度或加速度及转矩进行预控制采取的传统方法的前提是，在电动机和负载间存在刚性连接。因而当这种方法用于弹性系统时，其功能将受到很大的局限并且误差比例也很高。
迄今尚未有适于对弹性系统进行预控制的方法。
故本发明的目的在于提出一种对数控的、弹性的并因而是振荡的多质量系统进行转矩预控制的方法以及调节结构，所述方法和调节结构考虑到了电动机与负载间的弹性特性。
本发明的目的通过采取具有下述步骤的方法得以实现1．1首先产生指令参数，由用于运动控制的至少四阶的控制模型计算出用于注入额定运动状态的参数，确切地说由控制模型推导出，1．2一个轴的位置给定角，该位置给定角经位置给定值电路按插入节拍注入每个轴调节回路，1．3一个轴的转速给定值，该转速给定值经转速预控制电路按插入节拍注入每个轴调节回路，1．4一个轴的驱动转矩给定值，该驱动转矩给定值经转矩预控制电路按插入节拍注入每个轴调节回路，1．5同样由控制模型推导出一个造成振荡的、附属于多质量系统的特有的固有频率的弹性转矩并通过将干扰参数加入转矩预控制电路对弹性转矩进行补偿。
在本发明方法的第一个有益的设计中实现了通过附加的自由度按插入节拍对加速度的预给定。此点是通过采取下述的进一步的方法步骤实现的2．1在控制模型中采用五阶或五阶以上的多项式进行精密插入。
按照本发明方法的另一有益的设计实现了仅冲击的导数具有变化曲线的不连续性。此点是通过采取下述的进一步的方法步骤实现的3．1在精密插入范围内，由用插入间隔平均的变化推导出有待于注入的额定值。
按照本发明方法的另一有益的设计实现了用最小的计算代价求出平均值。此点是通过采取下述进一步的方法步骤实现的4．1直接由控制模型取求路径导数平均值所需的积分，4．2以同样的显方式求出路径的平均值，其中分别将所有多项式的各项累加成路径的总积分并在插入间隔上求出和差。
另外，本发明还提出一种调节结构，该调节结构特别适用于实现本发明的目的，这是因为该调节结构以很小的代价即可有效地实施本发明的方法。该调节结构具有如下部件5．1备有一个用于运动控制的至少四阶的控制模型，用于产生为注入额定运动状态的指令参数，其中对每个轴调节回路5．2备有一个用于按插入节拍注入轴位置给定角的位置给定值电路，5．3备有一个用于按插入节拍注入轴转速给定值的转速预控制电路，5．4备有一个用于按插入节拍注入轴驱动转矩给定值的转矩预控制电路，其中5．5为对造成振荡的、附属于多质量系统的特有的固有频率的弹性转矩进行补偿，备有一个用于将干扰参数接入转矩预控制电路的机构。
按照本发明的调节结构的一种有益的进一步设计实现了仅冲击的导数在变化曲线上是非连续的。为此采用了下述器件6．1备有一个精密插入器，该插入器用于插入由用插入间隔平均出的输入参数求出的待注入的额定值。
下面将结合实施例并对照附图对本发明的进一步细节和优点加以说明。图中用相同的附图标记对具有相同功能的相同部件加以标示。附图中
图1示出对弹性驱动系统进行预控制的调节结构；图2为弹性系统中控制模型与轴机械机构间的偏差示意图；图3为弹性系统中用于注入运动状态所需的转矩示意图；图4示出对刚性驱动系统进行预控制的调节结构；
图5示出沿圆轨迹运行的x轴的标准笛卡尔运动状态；图6示出在定位过程中的四阶控制模型的标准状态和图7示出与图6相符的在定位过程中轴机械机构的标准状态。
本发明中的驱动系统系指一个由诸如电驱动装置等的促动器、耦合器件、诸如机床轴或机器人轴等被驱动的负载及附加在这些轴上的负载构成的系统。所述驱动系统具有用于调节和/或控制的机构。
用于对刚性的驱动系统进行预控制的、也可以应用于弹性驱动系统的方法的前提是，机械的固有振荡被充分吸收，以致存在的是一个准刚性系统，对该准刚性系统采用两个积分器的串联电路加以描述。插入器要求，在继续处理前轴位置-和速度给定值按插入节拍精密地插入轴调节回路。为此采用了三阶多项式Poly(t)=a0+a1·t+a2·t2+a3·t3,t∈[O,TIpo](1)由下述边界条件计算出系数aγPoly(0)=s始，
s始和s终分别表示在实际插入间隔的开始和结束时的位置，而v始和v终则分别表示在实际插入间隔的开始和结束时的速度。
下述时间导数v(t)=P.oly(t)=a1+2a2.t+3a3.t2----(2)]]>(t)=P..oly(t)=2a2+6a3·t----(3)]]>用于预控制。在刚性驱动系统的情况下，由此得出一如图4所示的调节结构。
在此为便于理解首先对图4加以说明，在该图中示出一个用于对刚性驱动系统进行预控制的调节结构。该调节结构主要由一个轴调节回路AR和一个控制模型F(这两部分在虚线框内)构成。轴调节回路AR具有一个位置调节器LR，一个轴位置给定角wsym接入该位置调节器LR。在调节电路中，紧接位置调节器LR后面的是一个转速调节器DR，该转速调节器DR是一个比例-积分网络(PI-Glied)。位置给定角wsym通过比较器V1接入，并与转速给定值nV相关出现在位于位置调节器LR输出端与转速调节器DR输入端之间的另一比较器V2上，对该比较器还接入一个作为调节值的在输出端上已确定的转速值n。在转速调节器DR的输出端后面设置有另一个比较器V3，对该比较器加入一加速度给定值mV。在轴调节回路AR中由注入到调节电路中的值通过等效时间常数TErsi和两个积分器Tm、T在输出端产生一个位置角，该位置角被反馈到V1上。
轴位置给定角wsym通过位置给定值电路LP接入，转速给定值nV通过转速预控制电路DP接入并且加速度给定值mV通过转矩预控制电路MP接入。相应的额定值都是由控制模型F经预控制电路获得的。在控制模型的输入端输入一个加速度给定值
由该加速度给定值按电流调节节拍T电流通过等效时间常数TErsi获得加速度给定值mV。由控制模型F中的预给定的加速度给定值mV通过积分器I2推导出速度给定值，该速度给定值按转速调节节拍T转速在考虑到常数K2和等效时间常数TErsi的情况下准备出速度预控制值。通过另一积分器I1最后准备出控制模型F中的位置给定值，由该位置给定值按位置调节节拍T位置通过在转速预控制电路DP中已做说明的部件产生轴位置给定角wsym。
为实现上述各点必须进行下述计算·按电流调节节拍的等式3·按转速调节节拍的等式2·按位置调节节拍的等式1在位置给定值电路LP和速度-及转速预控制电路DP上还要添加等效时间常数TErsi的对称网络。
而且等式(2)和(3)仅能按位置调节节拍T位置加以实现。另外还要附加一个用于转速预控制电路中进行节拍适配实现的启动发生器。
如果采用三阶多项式在极端情况下并不能避免下述问题虽然在每一个插入间隔中加速度的变化曲线是稳定的，但是当出现大的离心力时(即使在对冲击限制的运动控制和C2-连续的轨迹预给定情况下)，也会在间隔边界处出现跃变。图5举例示出一圆轨迹，该圆轨迹被以恒定的速度通过。
图中示出当采用三阶多项式精密插入时的x轴标准的笛卡尔运动状态。图中用点曲线表示位置s(t)，用虚曲线表示速度
并且用连线表示加速度变化
由加速度曲线可以清楚地看到在间隔边界处的不稳定性。
这时机械结构将遭受硬冲击，因而不能采用所述的加速度预控制。
下面的两个方案可对此予以补救1．采用五阶多项式替代三阶多项式。由此可以产生两个附加的自由度，从而甚至可以按插入间隔以显方式对加速度预给定。
2．保留三阶多项式，求出在一个插入节拍上的所有状态参数的平均值。下面我们还将对求平均值详细加以讨论。
与第一方案相比，其优点是，为运动变换付出的计算代价特别小。
上述设想的前提是，机械机构充分坚固，从而可以将其视为准刚性的单质量系统。但通常存在的是具有多个固有频率的振荡的多质量结构。常常一个固有振荡大大突出于所有其它固有振荡，从而可用比弹性-双质量-系统还要高的精度对系统加以描述。下述表述就是以此为出发点的。
首先必须考虑到，在运动控制的双存储器模型与实际存在的机械机构之间存在有偏差。在图2中示出了此事实状况。
图中用以虚线框起来的调节电路示意示出以弹性的双质量系统为基础的轴机械机构A。在其输入端输入一转矩值m，位置角加在其输出端上。在弹性双质量系统的基础上，负载侧的转速nL被反馈到驱动侧的转速nM上。同样弹性转矩mF被负反馈到轴机械机构A的输入端，即转矩值m上。控制模型F系对照图4已作了说明的具有两个积分器的双存储器模型。采用此控制模型F通过位置给定值电路LP、转速预控制电路DP和转矩预控制电路MP产生给定值，但基于轴机械结构A中的反馈，所述给定值象图4示出的调节结构中那样，不能直接注入轴调节回路。
例如一台机床的工作台的预给定的加速度这时不再直接地，而是滞后地以弹性转矩mF的形式构成。为防止出现对驱动装置造成过载，根据本发明将在精密插入器上对该状况进行相应“修正”。
对照轴机械机构A的已有的四个存储器TM、TF、TL、T可以清楚地看出，在这里不同于刚性系统，不能直接渗透到位置的二阶导数，而是直接渗透到位置的四阶导数(TErsi被置于近似零)。计算得出
由上式可以计算出驱动转矩，为注入
的某确定值，此驱动转矩是必要的
在采用该调节参数的情况下，整个系统就好象一个四段积分链路，基于表面上弹性已不再存在，可相应通过四阶控制模型F对该四段积分链路进行预控制。这种关系在图3中作为用于在弹性系统中注入移动状态所需的转矩被形象地示出。
在图中所示的轴机械机构A(虚线框内)的输入端上输入根据等式(5)获得的额定值m。为此在等式(5)中示出的状况同样在虚线框内的部分上示出，该部分具体地表述了等式的关系。该求和设置与下面示出的控制模型F相同，在控制模型图中用三条横线(恒等标志)表示相同。
对根据等式(5)用于预控制的弹性转矩不必通过测量得出，而是与其它的用于预控制或平衡的状态参数相同，可以从控制模型F中提取，这是因为在未受干扰的情况下，轴机械机构部分与模型的状况相同。此点实现的优点是，预控制完全与闭合的调节回路分隔开并因而模型参数的不精确性并不会对干扰特性造成不利的影响。下面我们将讨论直接取自图3的等式(6)。为了说明在此涉及的是取自控制模型F的参数，对这些参数以及相应附图中的表述用“∧”加以标示
随着对上述这些等式的了解也就会完整地提出用于对弹性多质量系统进行预控制的调节结构。图1中示出其一种可行的实施形式。
图1中示出本发明的用于对弹性驱动系统进行预控制的调节结构。图中还示出了已经结合图2加以说明的弹性驱动系统的轴机械机构A。图1中示出一个根据图3推导出的控制模型F，该控制模型用于产生运动控制参数，该控制模型由一个四个串联在一起的积分器I1至I4的链路构成，在其输入端输入一个冲击的导数
并且在最后一个积分器I1的输出端上输出一个位置值s(t)。在轴机械机构A前前置有一个驱动系统的调节电路，驱动系统的主要部分是一个位置调节器LR、一个在其后的为比例积分网络的转速调节器DR，以及接在后面的等效时间常数TErsi。加在轴机械机构A输出端上的位置角通过比较器V1作为调节参数负反馈到位置调节器LR的输入端上。电动机转速nM作为调节参数负反馈到另一位于位置调节器LR输出端和转速调节器DR输入端间的比较器V2上。在转速调节器DR输出端与等效时间常<p>其中n为1-5,M为含铵的阳离子或碱金属阳离子，更优选NH4或Na，和R为线性C12-14、线性C12-15、月桂基、十三烷基、肉豆蔻基、或辛基-辛基；(e)一或多种乙氧基化和硫酸化酚，更优选下式之一或多种
其中n为1-5,M为含铵的阳离子或碱金属阳离子，更优选NH4或Na，和R为壬基、辛基或癸基；(f)一或多种脂肪醇乙氧基化物，更优选下式之一或多种
其中R选自C6、C8、C9-11、C10、C10-12、C12、C12-14、C14、C12-15、C16、和C18的直链和支链烷基、isosteryl、月桂基、鲸蜡基、硬脂基、油基、十三烷基、牛脂基、三甲基壬基、或异癸基，和n为2至100；(g)一或多种氧化胺，更优选下式的氧化胺
其中R为鲸蜡基、月桂基、肉豆蔻基、硬脂基、可可基、氢化牛脂基、十六烷基、牛脂基、十八烷基、癸基、C8-10氧丙基(oxypropyl)、C9-11氧丙基、或C12-15氧丙基，和R′为CH3或CH2CH2OH，可相同或不同；(h)一或多种烷基甜菜碱，更优选有下式
其中R为可可基、癸基、鲸蜡基、月桂基、或油基；(i)一或多种酰氨基丙基甜菜碱，更优选有下式的酰氨基丙基甜菜碱s...(t)=P....oly(t)=24a4+120a5·t----(11)]]>鉴于
的曲线可能会有跳变，故不是采用瞬时值，而是采用用插入间隔平均的曲线变化工作。由于求平均值所需的积分利用等式(7)-(11)本来已存在，所以不必花费大的代价，即可以显方式计算出平均的曲线变化。例如得出s....-=∫t-TIpots....(t)dt=s...(t)-s...(t-TIpo);]]>可以采用等式(10)进行计算。
下式也相应适用s...-(t)=s..(t)-s..(t-TIpo);s..-(t)=s.(t)-s.(t-TIpo);s.-(t)=s(t)-s(t-TIpo)----(12)]]>如果首先将所有多项式的各个IV数值相加成路径的总积分Iges，也可以以显方式求出路径s中的平均值Iges=ΣvIv]]>其中Iv(t):=∫v-TIpov·TIpo+ts(t)dt=∫0tPolyv(t)dt=a0vt+a1v2t2+a2v3t3+a3v4t4+a4v5t5+a5v6t6;t∈[TIpo]]]>以此得出平均值s(t)=Iges(t)-Iges(t-TIpo)。图6和7示出所述方法在一固有频率为92Hz的未经阻尼的双质量系统上的应用。此例的基础数据如下TM=20ms,TL=60ms,TF=200μs,TErsi=200μs,Tipo=8ms,T位置=1ms,T转速=T电流=62.5μs.对照图6可以看出，涉及的是一个受冲击控制的运动过程，这是因为冲击的平均值→
呈斜坡变化。
的平均值按插入节拍进行相应“跳变”并且在插入间隔内如所要求的那样是恒定的。通过在图7中给定工作台位置s与负载实际角度的比较，由于等效时间常数TErsi极小，可以忽略不计，因而可以看出在两个标准的参数间是没有区别的。同样如所要求的那样给定工作台移动速度
和负载转速nL以及工作台加速度
和弹性转矩mF的标准曲线大致相同。预控制转矩mV与冲击的导数相同如所期待的那样仅在插入间隔的过渡处有变化。
所有在上述说明中提及的及在附图中表述的特征，只要不与已有技术抵触，其本身或组合都应被视为在本发明的范围内。
为实现形象的说明，在上述说明中给出了优选实施方式。对这些实施方式并未述尽。而且本发明并不限定在这些精确给出的方式上，而且在上述技术教导范围内可以有无数的改进和变化。为了对本发明的基本细节和实际应用加以说明，选出了一个选实施方式并对其做了说明，以便使专业人员能够实现本发明。在专门的应用领域可以考虑大量的实施方式以及其它的改进。
权利要求
1．一种对诸如数控的机床、机器人等弹性的并因而是振荡的多质量系统进行转矩预控制的方法，其具有如下步骤1．1首先产生指令参数，由用于运动控制的至少四阶的控制模型(s(t),
计算出用于注入给定运动状态的参数，确切地说由控制模型推导出1．2一个轴位置给定角(wsym)，该轴位置给定角经位置给定值电路(LP)按插入节拍注入每个轴调节回路，1．3一个轴转速给定值(nV)，该轴转速给定值经转速预控制电路(DP)按插入节拍注入每个轴调节回路，1．4一个轴驱动转矩给定值(mV)，该轴驱动转矩给定值经转矩预控制电路(MP)按插入节拍注入每个轴调节回路，其中1．5同样由控制模型(s(t),
指导出一个造成振荡的、附属于多质量系统的特有的固有频率的弹性转矩(mF)并通过将干扰参数接入转矩预控制电路对弹性转矩进行补偿。
2．按照权利要求1所述的方法，其具有下述步骤2．1在控制模型(s(t),
中采用五阶或五阶以上的多项式进行精密插入。
3．按照上述任一项权利要求所述的方法，其具有下述步骤3．1在精密插入范围内，由用插入间隔平均的变化值(s(t)
推导出有待于注入的给定值(wsym,nV,mV)。
4．按照权利要求3所述的方法，其具有下述步骤4．1直接由控制模型(s(t),
取求路径导数平均值所需的积分，4．2同样以显方式求路径平均值，其中分别将所有多项式的各项累加成路径总积分并通过插入间隔求和差。
5．一种用于对诸如数控机床、机器人等的弹性的并因而是振荡的多质量系统进行转矩预控制的调节结构，其具有如下特征5．1备有一个用于运动控制的至少四阶的控制模型(s(t),
用于产生为注入给定运动状态的指令参数，其中对每个轴调节回路5．2备有一个用于按插入节拍注入轴位置给定角(wsym)的位置给定值电路(LP)，5．3备有一个用于按插入节拍注入轴转速给定值(nV)的转速预控制电路(DP)，5．4备有一个用于按插入节拍注入轴驱动转矩给定值(mV)的转矩预控制电路(MP)，其中5．5为对造成振荡的、附属于多质量系统的特有的固有频率的弹性转矩(mF)进行补偿，备有一个用于将干扰参数接入转矩预控制电路的机构(A1)。
6．按照权利要求5所述的调节结构，其具有下述特征6．1备有一个精密插入器，该插入器用于插入由采用插入间隔平均出的输入参数(s(t)
求出的待注入的额定值。
全文摘要
本发明涉及一种用于对数控的、弹性的并因而是振荡的多质量系统进行调节的方法,该方法考虑到了驱动器及与前者连接的负载间的弹性特性。其主要的实现手段是,由控制模型(F)推导出造成振荡的、附属于多质量系统特有的固有频率的弹性转矩(m
文档编号G05B19/4103GK1234882SQ96180467
公开日1999年11月10日 申请日期1996年10月8日 优先权日1996年10月8日
发明者沃尔夫冈·帕皮尔尼克 申请人:西门子公司