本發(fā)明涉及一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械殘余振動(dòng)控制方法，屬于機(jī)械設(shè)備控制
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：直線伺服系統(tǒng)由于采用直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不存在中間傳遞環(huán)節(jié)，具有相對(duì)小的負(fù)載慣量及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在高速高精數(shù)控系統(tǒng)、半導(dǎo)體芯片制造以及精密儀器等領(lǐng)域。為了充分發(fā)揮直線伺服系統(tǒng)高速高精性能，高速高精運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)成為直線伺服系統(tǒng)能否充分發(fā)揮高速高精性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于直線伺服系統(tǒng)的高頻響特性，具有良好的加速性能，其運(yùn)動(dòng)過程中理想軌跡加速段所包含的豐富高頻信號(hào)以及經(jīng)反饋處理的擾動(dòng)信號(hào)極易激活其本身機(jī)械平臺(tái)固有的高頻結(jié)構(gòu)共振模態(tài)，從而影響其高精性能，因此，需要對(duì)高頻結(jié)構(gòu)共振進(jìn)行抑制。目前針對(duì)伺服系統(tǒng)殘余振動(dòng)抑制的控制方法大多為基于輸入整形器的抑制方法，此方法對(duì)于脈沖幅值和時(shí)間段的參數(shù)難于控制，運(yùn)行誤差較大，無法滿足直線伺服系統(tǒng)控制要求。針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實(shí)有必要進(jìn)行研發(fā)，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實(shí)有必要進(jìn)行研發(fā)，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種靈活性強(qiáng)、運(yùn)算速度快、控制精度高，控制效果好，能夠滿足直線伺服系統(tǒng)的控制要求的直線伺服系統(tǒng)機(jī)械殘余振動(dòng)控制方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械殘余振動(dòng)控制方法，包括以下步驟：步驟一：連接好直線伺服系統(tǒng)，設(shè)置好相關(guān)控制器參數(shù)，將參數(shù)下載到運(yùn)動(dòng)控制卡上的芯片中。步驟二：控制器參數(shù)下載完成后，使能伺服系統(tǒng)，使電機(jī)閉環(huán)。步驟三：在直線伺服系統(tǒng)信號(hào)輸入端輸入階躍信號(hào)r1(t)，信號(hào)階躍點(diǎn)產(chǎn)生，規(guī)定采樣周期Ts，采集輸出位移信號(hào)y1(t)，采集采樣點(diǎn)，輸入信號(hào)r1(t)減去輸出信號(hào)y1(t)為誤差信號(hào)e1(t)。步驟四：規(guī)定直線伺服系統(tǒng)的響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間，迭代優(yōu)化時(shí)所使用的誤差信號(hào)e1(t)。步驟五：利用迭代學(xué)習(xí)法對(duì)所得誤差進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)，將經(jīng)過迭代學(xué)習(xí)修正過的驅(qū)動(dòng)力重新下發(fā)到運(yùn)動(dòng)控制卡，反復(fù)此迭代學(xué)習(xí)過程抑制其諧振。進(jìn)一步地，步驟二，直線伺服系統(tǒng)的時(shí)不變離散狀態(tài)空間表達(dá)式為：G(j):x(j+1)=Ax(j)+Bu(j)y(j)=Cx(j)+Du(j)]]>則第k次迭代時(shí)輸入輸出關(guān)系為：其中，H∈RN×N為脈沖傳遞函數(shù)矩陣，uk＝[u(0)，…，u(N-1)]T為有限離散控制輸入指令，yk＝[y(0)，…，y(N-1)]T為有限離散系統(tǒng)輸出信號(hào)，k代表迭代次數(shù)。理想軌跡為rset，從起始時(shí)刻t0開始，經(jīng)過執(zhí)行時(shí)間Tn后達(dá)到終點(diǎn)位置se后產(chǎn)生殘余振動(dòng)，然后又經(jīng)過時(shí)間Tm，殘余振動(dòng)幅值逐漸衰減，調(diào)整時(shí)間Tm結(jié)束，將迭代學(xué)習(xí)的時(shí)間跨度t∈[0，T]分為執(zhí)行時(shí)間Tn與調(diào)整時(shí)間Tm。進(jìn)一步地，步驟三，殘余振動(dòng)抑制的控制目標(biāo)是如何抑制調(diào)整時(shí)間Tm范圍內(nèi)殘余振動(dòng)，使殘余振動(dòng)幅值快速衰減，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，引入兩個(gè)窗口矩陣Wn∈R(n+m)*n與Wm∈Rm×(n+m)在簡化對(duì)象模型的基礎(chǔ)上又減小了計(jì)算的復(fù)雜性：Wn=[0,In,0]TWm=[0,0,Im]]]>將矩陣H分塊后可得Tn的指令信號(hào)[u(0)，…，u(n-1)]T與Tm內(nèi)的系統(tǒng)輸出[y(n)，…，y(n+m-1)]T滿足以下矩陣變換：其中，分別是第k次迭代時(shí)系統(tǒng)在調(diào)整時(shí)間Tm內(nèi)的軌跡輸出，軌跡指令及軌跡誤差。進(jìn)一步地，步驟四，迭代學(xué)習(xí)控制的關(guān)鍵問題之一是收斂性問題的分析，漸進(jìn)收斂的公式為：σ‾(IN-K)=|λi(IN-K)|=|1-λi(K)|<1]]>因此，只要K的秩滿足式rank(K)＝N，則迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，上述為通用迭代學(xué)習(xí)的漸進(jìn)收斂性定理，也適用于基于迭代學(xué)習(xí)的殘余振動(dòng)控制器設(shè)計(jì)。進(jìn)一步地，步驟五，若HJ的秩為p，且p≤min(m，n)，則將HJ進(jìn)行滿秩分解得HJ＝HLHR，因此，如何在給定Wn、Wm及HJ＝HLHR分解的前提下，設(shè)計(jì)控制器LL與LR使迭代學(xué)習(xí)漸進(jìn)收斂是迭代學(xué)習(xí)的殘余振動(dòng)抑制收斂性分析的關(guān)鍵問題之一。進(jìn)一步地，所述控制器LL基于最佳最小二乘定理的迭代學(xué)習(xí)最優(yōu)殘余振動(dòng)抑制進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)矩陣論，范數(shù)理論等有如下最佳最小二乘解定理：設(shè)A∈Cm×n，b∈Cm×1，則xopt＝A+b是線性方程組Ax＝b的最佳最小二乘解，即當(dāng)x＝xopt時(shí)，令||Ax-b||2取最小值，根據(jù)上述定理得：uk+1＝(Ip-LLHLHRLR)uk+LLWmrset經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算得出以下公式：LL＝HLT因此，在Wn、Wm及HJ＝HLHR，LR一定的情況下，僅與LL有關(guān)，當(dāng)LL＝HLT時(shí)，取最小值，即控制率LL設(shè)計(jì)完成。進(jìn)一步地，所述控制器LR基于迭代學(xué)習(xí)的殘余振動(dòng)抑制最優(yōu)反饋進(jìn)行設(shè)計(jì)，在Wn、Wm及HJ＝HLHR，LR一定的情況下，當(dāng)LL＝HLT時(shí)，取最小值，因此，如何通過設(shè)計(jì)LR使收斂且驅(qū)動(dòng)力f∞能量為最小值是迭代學(xué)習(xí)殘余振動(dòng)抑制的另一個(gè)關(guān)鍵問題之一，令LL＝HLT，將控制器LR∈Rn×p進(jìn)行參數(shù)線性化處理，令X∈Rn×p，B∈Rn×(n-p)，Y∈R(n-p)×p，則有：LR＝X+BYuk+1=(Ip-HLTHLHR(X+BY))uk+HLTWmrset=(Ip-HLTHLHRX-HLTHLHRBY)uk+HLTWmrset]]>經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算之后得到：uk+1=(Ip-HLTHLHRX)uk+HLTWmrset]]>由通用迭代學(xué)習(xí)收斂性定理可知系統(tǒng)收斂性取決于最直接的方法可以令進(jìn)一步地，設(shè)矩陣U＝UT是任意一個(gè)n階對(duì)稱權(quán)重矩陣，取目標(biāo)函數(shù)為：J=E{tr(U12f∞f∞TU12)}=tr(U12LRE(u∞u∞T)LRTU12)]]>u∞不是Y的函數(shù)，令得出：Y＝-(BTUB)-1BTUX。進(jìn)一步地，通過控制器LR的設(shè)計(jì)，可以將驅(qū)動(dòng)力f∞分為兩個(gè)部分：f∞＝LRu∞＝Xu∞+BYu∞＝f1∞+f2∞其中，通過X可以改變f1∞，并且迭代學(xué)習(xí)的收斂性由X唯一確定，通過設(shè)計(jì)X可以設(shè)計(jì)迭代學(xué)習(xí)的收斂性。另一方面，可以通過Y的設(shè)計(jì)改變f2∞，使驅(qū)動(dòng)力f∞能量為最小。進(jìn)一步地，直線伺服系統(tǒng)為直線電機(jī)，上位機(jī)為電腦或工控機(jī)。優(yōu)選地，上位機(jī)為電腦，電腦應(yīng)用已經(jīng)很普諞，直接利用電腦做上位機(jī)，不需要增加額外投資，減少生產(chǎn)成本。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提供了一種基于迭代學(xué)習(xí)法的殘余振動(dòng)抑制控制方法，能夠有效抑制直線伺服系統(tǒng)殘余振動(dòng)并且本發(fā)明控制方法簡單、實(shí)用、精度高，能夠滿足直線伺服系統(tǒng)的控制要求。附圖說明圖1為本發(fā)明基于通用迭代學(xué)習(xí)的控制框圖；圖2為本發(fā)明滿秩分解后的迭代學(xué)習(xí)殘余振動(dòng)抑制控制框圖；圖3為本發(fā)明迭代學(xué)習(xí)控制結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明理想軌跡示意圖；圖5為本發(fā)明迭代誤差曲線圖；圖6為本發(fā)明迭代誤差折線圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本發(fā)明有更好的了解，在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。本發(fā)明的直線伺服系統(tǒng)諧振控制方法，所述的方法包含如下步驟：步驟一：連接好直線伺服系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制卡，打開上位機(jī)軟件，設(shè)置好相關(guān)控制器參數(shù)，將參數(shù)下載到運(yùn)動(dòng)控制卡上的DSP芯片中。步驟二：控制器參數(shù)下載完成后，使能伺服系統(tǒng)，使電機(jī)閉環(huán)。直線伺服系統(tǒng)的時(shí)不變離散狀態(tài)空間表達(dá)式為：G(j):x(j+1)=Ax(j)+Bu(j)y(j)=Cx(j)+Du(j)]]>則第k次迭代時(shí)輸入輸出關(guān)系為：其中，H∈RN×N為脈沖傳遞函數(shù)矩陣，uk＝[u(0)，…，u(N-1)]T為有限離散控制輸入指令，yk＝[y(0)，…，y(N-1)]T為有限離散系統(tǒng)輸出信號(hào)，k代表迭代次數(shù)。理想軌跡為rset，從起始時(shí)刻t0開始，經(jīng)過執(zhí)行時(shí)間Tn后達(dá)到終點(diǎn)位置se后產(chǎn)生殘余振動(dòng)，然后又經(jīng)過時(shí)間Tm，殘余振動(dòng)幅值逐漸衰減，調(diào)整時(shí)間Tm結(jié)束。將迭代學(xué)習(xí)的時(shí)間跨度t∈[0，T]分為執(zhí)行時(shí)間Tn與調(diào)整時(shí)間Tm。步驟三：在直線伺服系統(tǒng)信號(hào)輸入端輸入階躍信號(hào)r1(t)，信號(hào)階躍點(diǎn)在1s處產(chǎn)生，規(guī)定采樣周期Ts為0.0005s，采集輸出位移信號(hào)y1(t)，采集時(shí)間為5s，共10001個(gè)采樣點(diǎn)，輸入信號(hào)r1(t)減去輸出信號(hào)y1(t)為誤差信號(hào)e1(t)。殘余振動(dòng)抑制的控制目標(biāo)是如何抑制調(diào)整時(shí)間Tm范圍內(nèi)殘余振動(dòng)，使殘余振動(dòng)幅值快速衰減，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。引入兩個(gè)窗口矩陣Wn∈R(n+m)*n與Wm∈Rm×(n+m)：Wn=[0,In,0]TWm=[0,0,Im]]]>將矩陣H分塊后可得Tn的指令信號(hào)[u(0)，…，u(n-1)]T與Tm內(nèi)的系統(tǒng)輸出[y(n)，…，y(n+m-1)]T滿足以下矩陣變換：其中，分別是第k次迭代時(shí)系統(tǒng)在調(diào)整時(shí)間Tm內(nèi)的軌跡輸出，軌跡指令及軌跡誤差。步驟四：規(guī)定直線伺服系統(tǒng)的響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間為2s，迭代優(yōu)化時(shí)所使用的誤差信號(hào)e1(t)為2s之后。迭代學(xué)習(xí)控制的關(guān)鍵問題之一是收斂性問題的分析。若圖1漸進(jìn)收斂則：σ‾(IN-K)=|λi(IN-K)|=|1-λi(K)|<1]]>因此，只要K的秩滿足式rank(K)＝N，如圖1所示的迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，上述為通用迭代學(xué)習(xí)的漸進(jìn)收斂性定理，也適用于基于迭代學(xué)習(xí)的殘余振動(dòng)控制器設(shè)計(jì)。步驟五：利用迭代學(xué)習(xí)法迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化完成到最優(yōu)值，抑制其諧振。如圖2所示，若HJ的秩為p，且p≤min(m，n)，則將HJ進(jìn)行滿秩分解得HJ＝HLHR。因此，如何在給定Wn，Wm及HJ＝HLHR分解的前提下，設(shè)計(jì)控制器LL與LR使迭代學(xué)習(xí)漸進(jìn)收斂是迭代學(xué)習(xí)的殘余振動(dòng)抑制收斂性分析的關(guān)鍵問題之一?；谧罴炎钚《硕ɡ淼牡鷮W(xué)習(xí)最優(yōu)殘余振動(dòng)抑制控制器LL設(shè)計(jì)，根據(jù)矩陣論，范數(shù)理論等有如下最佳最小二乘解定理：設(shè)A∈Cm×n，b∈Cm×1，則xopt＝A+b是線性方程組Ax＝b的最佳最小二乘解，即當(dāng)x＝xopt時(shí)，令||Ax-b||2取最小值。根據(jù)上述定理由圖2得：uk+1＝(Ip-LLHLHRLR)uk+LLWmrset經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算得出以下公式：LL＝HLT因此，在Wn，Wm及HJ＝HLHR，LR一定的情況下，僅與LL有關(guān)，當(dāng)LL＝HLT時(shí)，取最小值。基于迭代學(xué)習(xí)的殘余振動(dòng)抑制最優(yōu)反饋控制器LR設(shè)計(jì)方法。在Wn，Wm及HJ＝HLHR，LR一定的情況下，當(dāng)LL＝HLT時(shí)，取最小值，因此，如何通過設(shè)計(jì)LR使收斂且驅(qū)動(dòng)力f∞能量為最小值是迭代學(xué)習(xí)殘余振動(dòng)抑制的另一個(gè)關(guān)鍵問題之一，令LL＝HLT，將控制器LR∈Rn×p進(jìn)行參數(shù)線性化處理，令X∈Rn×p，B∈Rn×(n-p)，Y∈R(n-p)×p，則有：LR＝X+BYuk+1=(Ip-HLTHLHR(X+BY))uk+HLTWmrset=(Ip-HLTHLHRX-HLTHLHRBY)uk+HLTWmrset]]>經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算之后得到：uk+1=(Ip-HLTHLHRX)uk+HLTWmrset]]>由通用迭代學(xué)習(xí)收斂性定理可知系統(tǒng)收斂性取決于最直接的方法可以令設(shè)矩陣U＝UT是任意一個(gè)n階對(duì)稱權(quán)重矩陣，取目標(biāo)函數(shù)為：J=E{tr(U12f∞f∞TU12)}=tr(U12LRE(u∞u∞T)LRTU12)]]>u∞不是Y的函數(shù)，令得出：Y＝-(BTUB)-1BTUX通過控制器LR的設(shè)計(jì)，可以將驅(qū)動(dòng)力f∞分為兩個(gè)部分：f∞＝LRu∞＝Xu∞+BYu∞＝f1∞+f2∞其中，通過X可以改變f1∞，并且迭代學(xué)習(xí)的收斂性由X唯一確定，通過設(shè)計(jì)X可以設(shè)計(jì)迭代學(xué)習(xí)的收斂性。另一方面，可以通過Y的設(shè)計(jì)改變f2∞，使驅(qū)動(dòng)力f∞能量為最小。利用迭代學(xué)習(xí)法對(duì)所得誤差進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)，將經(jīng)過迭代學(xué)習(xí)修正過的驅(qū)動(dòng)力f∞重新下發(fā)到運(yùn)動(dòng)控制卡，反復(fù)此迭代學(xué)習(xí)過程抑制其諧振。如圖3-6所示，本發(fā)明能夠很好抑制直線伺服系統(tǒng)機(jī)械殘余振動(dòng)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3