本發(fā)明應用于網絡化運動控制領域，涉及一種適用于網絡化多軸協調運動控制的交叉耦合控制方法。

背景技術：

在現代智能制造業(yè)中，多軸運動控制的應用已日益廣泛，通過多軸聯動可實現復雜的設備功能，如工業(yè)機器人、無軸印刷機、紡織機和印刷包裝機。隨著網絡技術的快速發(fā)展，多軸運動控制系統(tǒng)正朝著網絡化和高速化的方向發(fā)展。將網絡引入伺服控制系統(tǒng)，在控制器和多軸伺服驅動器之間通過以太網進行數據通信，大大提高了控制器和驅動器之間的數據傳輸速率及可靠性，同時也實現了精確的多軸同步功能，極大減少了系統(tǒng)布線，提高了系統(tǒng)擴展能力。通用以太網在帶寬、成本和開放性等方面有著現場總線無法比擬的優(yōu)勢，基于開放性的通用以太網研制的伺服系統(tǒng)能很好地提高裝備的靈活性、快速性和控制精度。因此，基于通用以太網的多軸運動控制已逐漸成為現代智能制造的核心技術之一。

然而，以太網最初是為商業(yè)場合設計的，將以太網引入運動控制系統(tǒng)增加了新的因素和問題，例如，以太網非確定性通信機制導致各種通信不確定問題，難以滿足現代運動控制系統(tǒng)強實時性和高速、高精度的加工要求。盡管已有一些商用工業(yè)以太網技術，例如ethercat、sercos-iii、powerlink，但大多是通過修改數據鏈路層協議實現確定性數據傳輸。因此，這些商用以太網可以認為是一種高速現場總線，需要專用芯片實現協議棧、專用開發(fā)軟件進行系統(tǒng)開發(fā)，成本高、技術授權難且不兼容標準以太網。若能從控制層面提出解決以太網信息傳輸不確定性對運動控制系統(tǒng)性能影響的理論與方法，將具有重大理論意義和實際應用價值。同時，實現高精度軌跡跟蹤和輪廓控制是多軸運動控制中的一項核心技術，涉及高精度的單軸位置伺服控制和輪廓誤差控制。位置伺服控制的主要目標是提高位置跟蹤精度和抗干擾性能，人們也已經提出了許多先進控制方法，如帶前饋的pid控制、滑?？刂?、自適應控制和模糊控制。盡管實時以太網的傳輸率已經得到很大程度的提高，但在高速運動場合網絡誘導時延和時鐘不同步帶來的采樣抖動對位置跟蹤精度的影響仍然不可忽略，已有的位置伺服控制方法少有考慮這些影響。在網絡化控制系統(tǒng)領域已有不少網絡誘導時延補償方法，如預測控制、自適應smith預估器，但多數算法較復雜，不適用于高速運動控制場合。

技術實現要素：

為了克服現有網絡化多軸運動控制系統(tǒng)中的交叉耦合控制方法的不足，本發(fā)明提供了一種基于通信干擾觀測器的網絡化多軸運動控制系統(tǒng)的交叉耦合控制方法。采用線性自抗擾控制器實現對單軸軌跡跟蹤控制；將網絡時延引起的不確定性等效為系統(tǒng)干擾，進而采用具有時延估計與補償功能的通信干擾觀測器，實現對單軸網絡誘導時延引起的不確定性的實時估計與補償；針對網絡化多軸運動控制系統(tǒng)中多軸協調運動控制的軌跡輪廓誤差，設計基于pid的輪廓誤差補償控制器，實現對系統(tǒng)輪廓軌跡的補償控制。

為了解決上述技術問題本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種基于通信干擾觀測器的網絡化多軸運動控制系統(tǒng)的交叉耦合控制方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1)根據多軸運動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，建立在扭矩模式下單軸伺服系統(tǒng)的二階模型為

其中，系統(tǒng)的控制輸入量為電機輸入電壓u(s)，輸出量也即被控的變量為軸的位置y(s)，k和t為系統(tǒng)參數；

步驟2)針對單軸的軌跡跟蹤控制，設計基于線性自抗擾控制的跟蹤控制器，過程包括：設計線性跟蹤微分器，線性擴張狀態(tài)觀測器和基于pd的線性誤差反饋控制率；

步驟3)設計具有時延估計與補償功能的通信干擾觀測器，實現對單軸網絡誘導時延引起的不確定性的實時估計與補償；

步驟4)針對網絡化多軸運動控制系統(tǒng)中多軸協調運動控制的軌跡輪廓模型計算出當前時刻系統(tǒng)的輪廓誤差模型，然后根據得到的輪廓誤差，設計基于pid的輪廓誤差補償控制器。

進一步，所述步驟2)中，設計基于線性自抗擾控制的跟蹤控制器設計過程如下：

(2.1)設計如式(2)所示的線性跟蹤微分器，用來安排過渡過程，給定信號v0作為參考輸入,

其中，參數r0為跟蹤微分器的快速因子，v1表示參考輸入v0的跟蹤值，v2為參考輸入v0的微分的近似值，fh為v2的微分值；

(2.2)設計如式(3)所示的線性擴張狀態(tài)觀測器，對系統(tǒng)的狀態(tài)和擾動進行實時估計與補償，

其中，β01、β02和β03為一組待整定的參數，參數的選取通過極點配置確定為β1＝3ω0,β2＝3ω0²,β3＝ω0³，ω0為觀測器帶寬，z1和z2分別為系統(tǒng)輸出y的估計以及y的微分的估計，z3為系統(tǒng)擾動的估計，b0為可調的補償因子；

(2.3)設計如式(4)所示的線性誤差反饋控制律,

其中，kp和kd分別為比例和微分系數，通過極點配置取kp＝ωc²,kd＝2ωc，ωc為控制器帶寬，e1，e2分別為系統(tǒng)的狀態(tài)v1與z1之間的偏差以及v2與z2之間的偏差，u0為誤差反饋控制量，u為最終的控制量。

再進一步，所述步驟3)中，設計具有時延估計與補償功能的通信干擾觀測器，實現對單軸網絡誘導時延引起的不確定性的實時估計與補償，過程如下：

(3.1)將網絡時延τ＝τac+τca引起的不確定性等效為網絡時延引起的干擾dnet(s)，具體如下

dnet(s)＝u(s)-u(s)e^-τs(5)

其中，τ為網絡時延，τac、τca分別為軸輸出的位置y(s)到控制器輸入和控制器輸出到電機輸入電壓u(s)的網絡時延；

(3.2)設計如公式(6)所示的一階的通信干擾觀測器，對網絡時延引起的干擾dnet(s)進行實時估計與補償，

其中，l(s)是截止頻率為gnet的低通濾波器，是網絡時延引起的干擾dnet(s)的估計值，用來補償網絡通道中的時延引起的不確定性，當通信干擾觀測器的截止頻率接近于無窮時，|l(s)|＝1，此時可以精確的估計出網絡時延引起的干擾。

與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：采用線性自抗擾控制器，實現良好的單軸軌跡跟蹤控制性能，以及對系統(tǒng)模型不確定性的良好抗擾動能力；針對網絡時延引起的不確定性，等效為系統(tǒng)干擾，進而采用具有時延估計與補償功能的通信干擾觀測器，實現對單軸網絡誘導時延引起的不確定性實時估計與補償；針對網絡化多軸運動控制系統(tǒng)中多軸協調運動控制的軌跡輪廓模型計算出當前時刻系統(tǒng)的輪廓誤差模型，根據得到的輪廓誤差，設計基于pid的輪廓誤差補償控制器，實現對系統(tǒng)輪廓軌跡的補償控制。

附圖說明

圖1是基于通信干擾觀測器的網絡化多軸運動控制系統(tǒng)結構圖。

圖2是基于線性自抗擾控制的單軸軌跡控制結構圖。

圖3是網絡時延等效為系統(tǒng)干擾結構圖。

圖4是通信干擾觀測器的時延補償結構圖。

圖5是交叉耦合控制結構圖。

圖6是定常時延的單軸軌跡跟蹤控制效果圖。

圖7是定常時延的輪廓軌跡控制效果圖。

圖8是時變時延的單軸軌跡跟蹤控制效果圖。

圖9是時變時延的輪廓軌跡控制效果圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的技術方案、設計思路能更加清晰，下面結合附圖再進行詳盡的描述。

參照圖1～圖9，一種基于通信干擾觀測器的網絡化多軸運動控制系統(tǒng)的交叉耦合控制方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1)根據多軸運動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，建立在扭矩模式下單軸伺服系統(tǒng)的二階模型為

其中，系統(tǒng)的控制輸入量為電機輸入電壓u(s)，輸出量也即被控的變量為軸的位置y(s)，k和t為系統(tǒng)參數；

步驟2)針對單軸的軌跡跟蹤控制，設計基于線性自抗擾控制的跟蹤控制器，過程包括：設計線性跟蹤微分器，線性擴張狀態(tài)觀測器和基于pd的線性誤差反饋控制律，單軸軌跡跟蹤控制結構如圖2所示；

步驟3)設計具有時延估計與補償功能的通信干擾觀測器，實現對單軸網絡誘導時延引起的不確定性的實時估計與補償，具有時延估計與補償的通信干擾觀測器結構如圖3和圖4所示；

步驟4)針對網絡化多軸運動控制系統(tǒng)中多軸協調運動控制的軌跡輪廓模型計算出當前時刻系統(tǒng)的輪廓誤差模型，然后根據得到的輪廓誤差，設計基于pid的輪廓誤差補償控制器，其結構如圖5所示；

進一步，所述步驟2)中，設計基于線性自抗擾控制的跟蹤控制器設計過程如下：

(2.1)設計如式(2)所示的線性跟蹤微分器，用來安排過渡過程，給定信號v0作為參考輸入,

其中，參數r0為跟蹤微分器的快速因子，v1表示參考輸入v0的跟蹤值，v2為參考輸入v0的微分的近似值，fh為v2的微分值；

(2.2)設計如式(3)所示的線性擴張狀態(tài)觀測器，對系統(tǒng)的狀態(tài)和擾動進行實時估計與補償，

其中，β01、β02和β03為一組待整定的參數，參數的選取通過極點配置確定為β1＝3ω0,β2＝3ω0²,β3＝ω0³，ω0為觀測器帶寬，z1和z2分別為系統(tǒng)輸出y的估計以及y的微分的估計，z3為系統(tǒng)擾動的估計，b0為可調的補償因子；

(2.3)設計如式(4)所示的線性誤差反饋控制律,

其中，kp和kd分別為比例和微分系數，通過極點配置取kp＝ωc²,kd＝2ωc，ωc為控制器帶寬，e1，e2分別為系統(tǒng)的狀態(tài)v1與z1之間的偏差以及v2與z2之間的偏差，u0為誤差反饋控制量，u為最終的控制量。

再進一步，所述步驟3)中，設計具有時延估計與補償功能的通信干擾觀測器，實現對單軸網絡誘導時延引起的不確定性的實時估計與補償，過程如下：

(3.1)將網絡時延τ＝τac+τca引起的不確定性等效為系統(tǒng)干擾dnet(s)，具體如下

dnet(s)＝u(s)-u(s)e^-τs(5)

其中，τ為網絡時延，τac、τca分別為軸輸出的位置y(s)到控制器輸入和控制器輸出到電機輸入電壓u(s)的網絡時延；

(3.2)設計如公式(6)所示的一階通信干擾觀測器，對網絡時延引起的干擾dnet(s)實時估計與補償，

其中，l(s)是截止頻率為gnet的低通濾波器，是網絡時延引起的干擾dnet(s)的估計值，用來補償網絡通道中的時延引起的不確定性，當通信干擾觀測器的截止頻率接近于無窮時，|l(s)|＝1，此時可以精確的估計出網絡時延引起的干擾。

為驗證所提方法的有效性和優(yōu)越性，本發(fā)明進行如下仿真實驗，設置仿真實驗中的初始條件與部分參數，即：系統(tǒng)方程中k1＝k2＝0.001159，t1＝t2＝0.02038；對各軸設計基于線性自抗擾控制器且參數相同的單軸軌跡跟蹤控制器，參數選取為：r0＝200，kp＝600，kd＝20，b0＝66，ω0＝600；設計具有時延估計與補償功能的通信干擾觀測器，參數選取為：gnet＝600；設計基于pid的輪廓誤差補償控制器，參數選取為：kp1＝20，ki1＝2，kd1＝10。

圖6和圖7分別是定常時延的單軸軌跡跟蹤控制仿真效果圖和輪廓軌跡控制仿真效果圖。定常網絡時延τ＝τac+τca＝0.1s，從圖中可以看出，雖然單軸軌跡跟蹤因為時延存在滯后，但是具有較好輪廓跟蹤性能，而網絡化多軸軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的目標在于輪廓軌跡跟蹤控制，故本發(fā)明能夠有效的實現定常時延的補償與輪廓軌跡跟蹤控制。

圖8和圖9分別是時變時延的單軸軌跡跟蹤控制仿真效果圖和輪廓軌跡控制仿真效果圖。時變網絡時延τ＝τac+τca∈[0.15s,0.2s]，從圖中可以看出，單軸軌跡跟蹤存在滯后并能夠實現軌跡跟蹤，并具有一定的輪廓跟蹤性能，雖然性能不佳，但是去掉時延補償控制，即不使用通信干擾觀測器，則系統(tǒng)失控，單軸軌跡跟蹤和輪廓軌跡跟蹤均無法實現，這也說明本發(fā)明能夠實現時變時延的補償與輪廓軌跡控制。

以上闡述的是本發(fā)明給出的仿真對比結果已表明所設計方法的優(yōu)越性，顯然本發(fā)明不只是局限于上述實例，在不偏離本發(fā)明基本精神及不超出本發(fā)明實質內容所涉及范圍的前提下對其可作種種變形加以實施。本發(fā)明所設計的控制方案能夠有效解決網絡化多軸運動控制系統(tǒng)的輪廓跟蹤控制問題，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，能夠保證系統(tǒng)具有良好的單軸跟蹤性能與較好的輪廓跟蹤性能。