用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201010571352.4

申请日:

2010.12.03

公开号:

CN101989080A

公开日:

2011.03.23

当前法律状态:

驳回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):G05B 19/19申请公布日:20110323|||实质审查的生效IPC(主分类):G05B 19/19申请日:20101203|||公开

IPC分类号:

G05B19/19

主分类号:

G05B19/19

申请人:

沈阳工业大学

发明人:

赵希梅; 王丽梅; 孙宜标; 孙显峰; 刘春芳

地址:

110870 辽宁省沈阳市经济技术开发区沈辽西路111号

优先权:

专利代理机构:

沈阳智龙专利事务所(普通合伙) 21115

代理人:

宋铁军

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内容摘要

一种用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法,包括VGZPETC、PD位置控制器、DOB、和被控对象四部分;结合数控机床轮廓运动控制的特点,本发明提出VGZPETC和DOB相结合的控制方案。VGZPETC作为前馈跟踪控制器,消除闭合回路系统相位滞后所产生的误差以及建模误差并补偿了增益损失,提高了快速性,使系统实现准确跟踪;基于DOB的鲁棒反馈控制器补偿了外部扰动、未建模动态、系统参数变化和机械非线性不确定因素,并根据预测到的扰动信息对各轴进行补偿以消除扰动对系统的影响,从而保证了系统的强鲁棒性能,提高了轮廓加工精度。

权利要求书

1: 用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 用变增 益零相位误差跟踪控制器与扰动观测器相结合来提高轮廓加工精度的方法, 该方法包括 : 变增益零相位误差跟踪控制器 VGZPETC、 PD 位置控制器、 DOB、 和被控对象四部分, 其中 : VGZPETC, 用以消除闭合回路系统相位滞后所产生的误差以及建模误差并补偿了增益损失 ; PD 位置控制器, 用以改善位置回路响应特性 ; DOB, 用以消除系统的扰动, 并使速度回路的 传递函数成为参考模型 ; 被控对象, 是由电机、 速度环和电流环三部分组成 ; 所述 VGZPETC 的输入信号为位置参考指令, 根据前一时刻的输入和输出值来调整前向通道上的增益 ; 经 过 VGZPETC 后的输出位置信号与反馈位置信号比较后, 送入 PD 位置反馈控制器, PD 控制器 的输入信号为速度给定信号, 速度给定信号与 DOB 的输出信号比较后, 所得的偏差送入被 控对象, 被控对象的输出为实际输出的速度信号, 经过积分器后, 所得信号即为实际的位置 信号。
2: 根 据 权 利 要 求 1 所 述 的 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实 现 轮 廓 加 工 的 方 法, 其特征在于: 所 述 的 VGZPETC 的 设 计 方 法 是 根 据 系 统 的 逆 思 想 设 计 的, 能够根据前一时刻的输入和输出值来调整前向通道上的增益; 由 于 理 想 伺 服 系 统 的 幅 频 特 性 应 是 在 全 频 域 内 为 1, 因此变增益控制器应为 ; 当闭环系统不包含不可对消的零点时, 理想的零相位误差跟踪控 制器 ZPETC 的表达式为 : 式中 : ——零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ; ——零相位误差跟踪控制器的输出 ; ——系统的参考输入 ; ——超前 d 步 ; ——闭环传递函数的分母多项式, 且首项为 1 ; ——闭环传递函数的分子多项式 ; 当闭环系统包含不可对消的零点时, ZPETC 的表达式为 : 式中 : 式; ——闭环传递函数分子多项式中可接受的部分, 即可对消的零点多项 —— 闭环传递函数分子多项式中不可接受的部分, 即不可对消的零点多项 式; ——用 z 替换 z -1 换时, 不可对消的零点多项式 ; ——当 z=1 时不可接受部分的多项式 ; 2 CN 101989080 A 权 利 要 。 求 书 2/2 页 变增益控制器为 :
3: 根据权利要求 1 所述的用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 该方法采用嵌入控制电路 DSP 处理器中的控制程序, 该程序按以下步骤执行 : 步骤一 系统初始化 ; 步骤二 电机动子初始定位 ; 步骤三 允许 INT1, INT2 中断 ; 步骤四 启动 T1 下溢中断 ; 步骤五 中断等待 ; 步骤六 T1 中断处理 ; 步骤七 保护中断处理 ; 步骤八 结束。
4: 根据权利要求 1 所述的用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 上述步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤 1 禁止所有中断 ; 步骤 2 封锁 IPM ; 步骤 3 中断返回。
5: 根据权利要求 1 所述的用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 所述步骤六中 T1 中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤 1 保护现场 ; 步骤 2 判断是否调进行扰动补偿, 是进入步骤 3, 否则进入步骤 4 ; 步骤 3 步骤 4 步骤 5 步骤 6 步骤 7 步骤 8 步骤 9 步骤 10 步骤 11 步骤 12 步骤 13 步骤 14 步骤 15 步骤 16 步骤 17 步骤 18 调用扰动观测器子程序进行干扰抑制 ; 判断是否位置调节, 是进入步骤 5, 否则进入步骤 9 ; 位置采样, 并与给定值比较后获得位置偏差 ; 位置 PD 调节 ; 速度采样, 位置 PD 调节器输出信号比较后获得速度偏差 ; 速度 PI 调节 ; 调用 VGZPETC 子程序进行前馈补偿 ; 电流采样 ; 对电流值进行 3S/2R 变换 ; 利用 q 轴电流计算推力 ; 求出推力偏差作为电流调节器的输入信号 ; 电流调节器进行电流调节 ; 对控制器输出电流值进行 2R/3S 变换 ; 用变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得 PWM 信号 ; 恢复现场 ; 中断返回。

说明书


用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法

    技术领域 : 本发明属于数控轮廓加工技术和电机控制领域, 特别涉及一种用变增益零相位误差跟 踪控制器和扰动观测器相结合来实现高精度轮廓加工的控制方法。
     背景技术 : 先进制造技术是当前国家重点发展领域, 其核心是先进制造设备。直线交流伺服进给 技术是各类数控机床中最具代表性的先进水平标志之一, 是实现亚微米乃至纳米加工的主 要技术手段, 是加工中心、 柔性制造单元、 柔性制造系统的基础技术。提高我国交流伺服系 统理论, 将能够有助于开发出精度更高、 伺服性能更好的直线交流伺服系统, 有助于提高我 国高精度数控机床的制造水平, 推动数控技术的发展, 其社会效益和经济效益都将是显著 的。
     尽管当前的交流伺服 (旋转电动机) 系统性能已很先进, 但由于受到传统机械结构 (即旋转电动机 + 滚珠丝杠) 进给传动方式的限制, 可能达到的最大进给速度只有 40~60m/ min, 加速度为 0.6g, 重复精度达 0.002mm, 与高速切削要求相差甚远。在高速进给时, 存在 转动惯量大、 扭矩刚度低、 摩擦磨损和发热严重、 自身的弹性变形和热变形、 反向间隙等会 造成运动的滞后和其它非线性误差等一系列问题。目前, 现代高速精密数控机床要求高速 电主轴高达 60 000~100 000r/min, 功率 15~80kW, 进给速度为 60~200m/min, 进给加 (减) 速 度达 1~5g, 甚至更高。 不改变进给传动方式, 很难有突破性的提高。 革除中间传动链及变换 环节已是势在必行。 这就使得一种崭新的直接驱动的进给传动方式——直线伺服电动机控 制系统应运而生。随着永磁体材料性能的提高和应用技术的发展, 采用高能永磁体的永磁 直线同步电动机 (PMLSM) , 因其具有推力强度高、 损耗低、 电气时间常数小、 响应快、 控制比 较容易等一系列特点, 因而成为当前直线伺服驱动的代表性机型。随着在高档数控机床进
     给驱动中的应用, 将会成为新一代数控机床直线进给的主流。
     直线电机驱动在获得了诸多优点的同时, 也给控制上带来了困难。 这就是说, 机械 上的简化增加了电气方面控制的难度。因为直线电机存在着特有的端部效应、 系统参数摄 动、 负载扰动等诸多不确定性因素的影响也将直接反应到直线电动机的运动控制器中, 而 没有任何中间的缓冲环节, 对系统性能造成更敏感的影响, 这给控制器的设计带来了困难。 为此, 要求所设计的系统具有十分优良的鲁棒性能和跟踪性能, 以保证使 PMLSM 实现高精 度与高速度的伺服进给, 满足数控机床的加工要求, 这正是本发明所要解决的核心问题。
     随着复杂型面零件加工精度不断提高的需要, 机床进给系统的轮廓跟踪精度已成 为其重要的精度指标之一。就数控机床系统来讲, 其轮廓加工轨迹是多轴协调运动的合成 结果, 轮廓精度的提高涉及到机床每个进给轴动态特性和参数匹配, 并对各单轴进给驱动 系统要求反应快、 运动控制精度高、 响应频带宽、 扰动抑制能力强和对对象参数变化的强鲁 棒性, 以取得尽可能小的跟随误差, 进而提高轮廓加工精度。在数控机床的轮廓加工中, 一 般采用常规比例 (P) 型或比例微分 (PD) 型控制器, 它对各坐标轴的参数匹配有严格的限 制。同时由于切削力、 导轨非线性摩擦力、 系统模型振动的影响, 都可能严重地降低了整个 闭环系统的控制性能。 一些研究指出, 只要跟随控制算法能保证系统有足够的带宽、 扰动抑制能力及鲁棒性, 就可以满足轮廓运动的精度要求。通过减小单轴的跟踪误差来提高轮廓 加工精度, 正是基于这种认识, 来研究减小轮廓误差的。 常规的跟随控制算法靠提高增益来 拓宽频响带宽, 但其可能导致受激系统产生非建模特性, 甚至系统振荡, 因而提高增益受到 限制, 本发明采用变增益零相位误差跟踪控制器来提高系统的快速跟踪性能, 采用扰动观 测器其来抑制扰动等不确定因素的影响。
     发明内容 : 发明目的 : 针对现有技术中存在的问题, 本发明提供一种用变增益零相位误差跟踪控制器和扰动 观测器来实现高精度轮廓加工的方法。
     技术方案 : 本发明的技术方案为 : 用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 用变增益 零相位误差跟踪控制器与扰动观测器相结合来提高轮廓加工精度的方法, 该方法包括 : VGZPETC、 PD 位置控制器、 DOB、 和被控对象四部分, 其中 : VGZPETC, 用以消除闭合回路系统相位滞后所产生的误差以及建模误差并补偿了增益 损失 ; PD 位置控制器, 用以改善位置回路响应特性 ; DOB, 用以消除系统的扰动, 并使速度回路的传递函数成为参考模型 ; 被控对象, 是由电机、 速度环和电流环三部分组成 ; 所述 VGZPETC 的输入信号为位置参考指令, 根据前一时刻的输入和输出值来调整前向 通道上的增益 ; 经过 VGZPETC 后的输出位置信号与反馈位置信号比较后, 送入 PD 位置反馈 控制器, PD 控制器的输入信号为速度给定信号, 速度给定信号与 DOB 的输出信号比较后, 所 得的偏差送入被控对象, 被控对象的输出为实际输出的速度信号, 经过积分器后, 所得信号 即为实际的位置信号。
     所 述 的 VGZPETC 的 设 计 方 法 是 根 据 系 统 的 逆 思 想 设 计 的,可 以 根 据 前 一 时 刻 的 输 入 和 输 出 值 来 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益; 由于理 想 伺 服 系 统 的 幅 频 特 性 应 是 在 全 频 域 内 为 1,因 此 变 增 益 控 制 器 应 为 ; 这样可以在一定程度上克服 ZPETC 由于建模误差和参数变化招致 增益损失而产生的影响, 虽然这样做不能使输入输出的相位差完全为 0, 但是其补偿器是根 据零相位误差跟踪控制的原理来设计的, 因此称其为变增益 ZPETC。 当闭环系统不包含不可 对消的零点时, 理想的 ZPETC 的表达式为 :式中 :——零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ;——零相位误差跟踪控制器的输出 ; ——系统的参考输入 ; ——超前 d 步 ;——闭环传递函数的分母多项式, 且首项为 1 ; ——闭环传递函数的分子多项式 ; 当闭环系统包含不可对消的零点时, ZPETC 的表达式为 :式中 : 式;——闭环传递函数分子多项式中可接受的部分, 即可对消的零点多项—— 闭环传递函数分子多项式中不可接受的部分, 即不可对消的零点多项 式; ——用 z 替换 z -1 换时, 不可对消的零点多项式 ; ——当 z=1 时不可接受部分的多项式 ; 变增益控制器为 :
     。该方法采用嵌入控制电路 DSP 处理器中的控制程序, 该程序按以下步骤执行 : 步骤一 系统初始化 ; 步骤二 电机动子初始定位 ; 步骤三 允许 INT1, INT2 中断 ; 步骤四 启动 T1 下溢中断 ; 步骤五 中断等待 ; 步骤六 T1 中断处理 ; 步骤七 保护中断处理 ; 步骤八 结束。
     上述步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤 1 禁止所有中断 ; 步骤 2 封锁 IPM ; 步骤 3 中断返回。
     所述步骤六中 T1 中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤 1 保护现场 ; 步骤 2 判断是否调进行扰动补偿, 是进入步骤 3, 否则进入步骤 4 ; 步骤 3 调用扰动观测器子程序进行干扰抑制 ; 步骤 4 判断是否位置调节, 是进入步骤 5, 否则进入步骤 9 ; 步骤 5 位置采样, 并与给定值比较后获得位置偏差 ; 步骤 6 位置 PD 调节 ; 步骤 7 速度采样, 位置 PD 调节器输出信号比较后获得速度偏差 ; 步骤 8 速度 PI 调节 ; 步骤 9 调用 VGZPETC 子程序进行前馈补偿 ; 步骤 10 电流采样 ;步骤 11 对电流值进行 3S/2R 变换 ; 步骤 12 利用 q 轴电流计算推力 ; 步骤 13 求出推力偏差作为电流调节器的输入信号 ; 步骤 14 电流调节器进行电流调节 ; 步骤 15 对控制器输出电流值进行 2R/3S 变换 ; 步骤 16 用变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得 PWM 信号 ; 步骤 17 恢复现场 ; 步骤 18 中断返回。
     优点及效果 : 结合数控机床轮廓运动控制的特点, 本发明提出 VGZPETC 和 DOB 相结合的控制方案。 VGZPETC 作为前馈跟踪控制器, 提高了快速性, 使系统实现准确跟踪 ; 基于 DOB 的鲁棒反馈 控制器补偿了外部扰动、 未建模动态、 系统参数变化和机械非线性不确定因素, 并根据预测 到的扰动信息对各轴进行补偿以消除扰动对系统的影响, 从而保证了系统的强鲁棒性能, 提高了轮廓加工精度。
     附图说明 : 图 1 为本发明方法的控制原理框图 ; 图 2 为本发明方法采用的轮廓误差模型曲线图 ; 图 3 为本发明方法中扰动观测器控制原理框图 ; 图 4 为本发明方法中 PD 控制器控制原理框图 ; 图 5 为理想零相位误差跟踪控制器控制原理框图 ; 图 6 为本发明方法中零相位误差跟踪控制器控制原理框图 ; 图 7 为本发明方法中变增益零相位误差跟踪控制器控制系统原理框图 ; 图 8 为本发明方法中控制电路框图 ; 图 9 为采用本发明方法获得的位置跟踪误差曲线图, 图 10 为 DSP 处理器及其部分外围电路原理图, 图 11 为静态存储器 U3 的连接关系图, 图 12 为静态存储器 U4 的连接关系图, 图 13 为地址外扩口 P3 的连接关系图, 图 14 为 U17 的连接关系图, 图 15 为 P5 的电路原理图, 图 16 为模拟外扩口 P2 的连接关系图, 图 17 为外扩 I/O 口 P1 的连接关系图, 图 18 为控制口 P4 的连接关系图, 图 19 为 DSP 外围晶振电路原理图, 图 20 为 U19、 U16、 U10、 U14、 U8、 U1 及其外围电路原理图, 图 21 为电压模块 TPS73HD318 及其外围电路原理图, 图 22 为 RS232 及其外围电路原理图, 图 23 为 U7 及其外围电路原理图 ; 图 24 为本发明方法中控制程序流程图 ;图 25 为本发明方法中保护中断处理子程序流程图 ; 图 26 为本发明方法中 T1 中断处理子程序流程图 ; 图 27 为仅采用 PD 控制器时位置跟踪误差曲线图 ; 图 28 为仅采用 PD 控制器和 ZPETC 时位置跟踪误差曲线图。
     具体实施方式 : 下面结合附图对本发明进行具体说明 : 本发明以 XY 平台伺服机构为实验设备, 电机驱动器设定在扭力模式, 先利用系统识别 获得一个输入命令与输出速度之间的系统传递函数。以此传递函数为依据, 将摩擦力的影 响视为系统的扰动, 并使用扰动观测器 (DOB) 作为速度回路的控制器, 使输入命令与输出速 度为一线性关系。位置回路控制器则使用 PD 控制器, 调整位置响应到最佳的情况, 再加入 变增益零相位误差跟踪控制器 (VGZPETC) 作为前馈控制器, 来消除客观上普遍存在的对象 由于电磁作用和机械作用产生的滞后现象。
     本发明方法的控制原理框图如图 1 所示, 包括 VGZPETC、 PD 位置控制器、 DOB、 和被 控对象四部分。其中 VGZPETC 用以消除闭合回路系统相位滞后所产生的误差 ; PD 控制器用 以改善位置回路响应特性 ; DOB 用以消除系统的扰动, 并使速度回路的传递函数成为参考 模型 ; 被控对象是由电机、 速度环和电流环三部分组成。VGZPETC 的输入信号为位置参考指 令, 经过 VGZPETC 后的输出位置信号与反馈位置信号比较后, 送入 PD 位置反馈控制器, PD 控 制器的输入信号为速度给定信号, 速度给定信号与 DOB 的输出信号比较后, 所得的偏差送 入被控对象, 被控对象的输出为实际输出的速度信号, 经过积分器后, 所得的信号即为实际 的位置信号。 目前在数控机床加工过程中, 轮廓误差是在多轴联动时, 由各个单轴的位置误差 耦合产生的。 因此, 系统运行时, 各个单轴受到任何的负载扰动或参数不匹配都可能影响轮 廓误差。这里, 以两轴联动系统为研究对象, 根据实际情况, 其轮廓误差模型曲线如图 2 所
     示, 其中, 为轮廓曲线 ; 为实际位置 ; 为参考位置 ; 为跟踪误差, 即刀具的实际位置 与参考位置之间的差距, 跟踪误差沿机床各坐标轴上的分量用 、 表示 ; 为轮廓误差,即刀具的实际位置到轮廓曲线的最短距离。 在数控机床高性能轮廓控制系统中通常存在机 械非线性、 摩擦及惯量变化, 这些变化都可能引起模型参数的变化。此时采用传统的 PID 调 节器已经不能满足数控机床轮廓加工精度的要求。
     本发明方法用于永磁直线同步电动机伺服系统, 通过减小跟踪误差的方法间接减 小轮廓误差, 同时采用基于扰动观测器的变增益零相位鲁棒控制。为了使系统具有强鲁棒 性, DOB 用来补偿外部扰动和对象的不确定性, 并让系统的传递函数成为预设定的标称对 象; 在利用 DOB 使速度模式确保为预设定的标称传递函数后, 接着设计位置反馈回路, 本发 明采用了 PD 控制器。由于系统存在滞后现象, 为了补偿系统相位滞后所产生的误差, 并使 得系统有良好的快速动态跟踪性能, 引入 VGZPETC 来作为前馈控制器。
     本发明方法包括以下具体步骤 : 一、 DOB 的设计 由于扰动形式具有多变化, 不确定及随机性, 因此无法预见和直接测量, 最终影响到对 象模型。在本发明方法设计中, DOB 将系统不确定性视为系统扰动, 并对扰动进行有效地估 测和补偿, 在误差允许范围内可以将实际模型用其参考模型来等价。扰动观测器的控制结构如图 3 所示。其中, 为速度环的给定输入信号 ; 为系统的外部扰动 ; 为扰动的估计 量 ; 为测量噪声 ; 通滤波器。
     为实际对象的传递函数 ;为标称对象的传递函数 ;为低当, 由图 3 得 : (1)速度 可表示为 (2) 从式 (2) 可知, 若能够消除测量噪声的影响, 则输出速度与输入指令之间的关系将成 为标称对象。式 (2) 表明如果 因此必须适当设计 , 并使得 , 扰动观测器不能实现, 表明 可以实现, 也就是 不可独立实现,的相对阶数等于或大于的相对阶数, 其次,必须能消除测量误差的影响。根据图 3, 速度 可表示为 (3)式中 ,
     , , 上面三个传递函数为 ,, ,。 , 可见式 (2) 近似如果成立。这表明扰动观测器可以使实际对象表现为标称对象, 这为控制系统提供了较强的鲁 棒性。 如果 , 那么 , , , , 这样观测了速度环的开环动态。 因此, 的低频动态要接近于 1, 高频动态必对于扰动抑制和模型不确定性, 要合理选择 须接近于 0。 因此 满足上述特性。
     的相对阶等于或大于的相对阶, 这里将采用三阶低通滤波器来(4) 不同的截止频率。 的设计, DOB 主要设计的是选择不同的 值, 对应
     由此可见, DOB 的性能很大程度上取决于滤波器的阶次、 相对阶和带宽。的相对阶应不小于标称对象的传递函数的相对阶, 其带 的频带越宽系统扰动抑制能力越强, 但系统宽要考虑鲁棒性和扰动抑制能力的折衷, 的鲁棒性会变差。
     二、 位置回路 PD 控制器设计 传递函数后, 接着设计位置反馈控制器。因在利用 DOB 使速度模式确保为预设的为位置回路有一个极点在原点, 所以控制器必须稳定此系统, 本发明利用 PD 控制器。PD 控 制器若在离散化的过程中将采样时间分离出来的话, 将可以直接在连续模式下设计 PD 增9CN 101989080 A说明书与偏差输入信号7/14 页益值, 再将所求得的增益值直接代入离散化的方程式中, 即可得到相应的响应。
     PD 控制器原理图如图 4 所示, 其输出信号的关系如下式所示 : (5) 式中 : ——可调微分时间常数 ; ——比例系数。 在 PD 控制器中, 微分控制规律能够反应出输入信号的变化趋势, 产生有效的早期 修正信号, 以增加系统的阻尼程度, 从而改善系统的稳定性。
     三、 VGZPETC 的设计方法 数控机床进给伺服系统的设计中, 采用前馈控制可以大大拓宽系统的频带, 提高其跟 随性能。反馈控制器有改善系统稳定性, 暂态响应及增加系统鲁棒性的优点。然而, 反馈控 制器主要是靠误差信号控制系统, 所以反馈控制系统输入指令和输出响应之间必然有相位 滞后的现象, 在跟踪控制时就会产生跟踪误差。要改善此相位滞后现象可考虑在闭环系统 前使用一前馈控制器, 本发明中前馈控制器采用的是 VGZPETC。VGZPETC 的设计是为了提高 运动控制的跟踪精度, 其基本思想是基于零极点对消。 而且, 针对那些具有不稳定零点的系 统抵消掉不稳定零点之后, VGZPETC 还可以补偿这些零点产生的相位移, 以便获得零相位误 差。
     在说明 VGZPETC 时, 先介绍 ZPETC 的设计, 它是为了提高运动控制的跟踪精度。由 于系统在跟踪控制时, 系统的输入指令和输出响应之间存在滞后现象, 其控制器设计的基 本思想是基于零极点对消。 而且, 针对那些具有不稳定零点的系统, 在抵消掉不稳定零点之 后, ZPETC 还可以补偿这些零点产生的相位移, 以便获得零相位误差。
     首先考虑离散化后的闭环系统的传递函数
     (6) 式中 : , , ; ;——闭环系统的传递函数 ; ——闭环系统所造成的 d 步延迟 ; ——闭环传递函数的分母多项式, 且首项为 1 ; ——闭环传递函数的分子多项式。
     若上述闭环系统不包含不可对消的零点 (单位圆外的零点) , 即前馈控制器为理想 ) , 如图 5 所示。根据图 5, 可以得出输出与输入之间的表达式 :的 ZPETC((7) 式中 : ——零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ;——系统的参考输入 ; ——超前 d 步 ; ——闭环传递函数的分母多项式, 且首项为 1 ; ——闭环传递函数的分子多项式 ; ——系统的实际输出。
     若系统的初始条件为零, 由式 (7) 可知前馈控制器使系统的输出 , 达到理想的跟踪控制效果。完全跟随期望轨迹
     若式 (6) 所描述的系统包含不可对消的零点, 则不可以设计前馈控制器直接对消 系统的零点, 否则将导致前馈控制器不稳定。下面将针对包含不可对消零点的系统来设计 ZPETC。将 因式分解为 (8) 式中 : —— 闭环传递函数分子多项式中可接受的部分, 即可对消的零点多项式; ——闭环传递函数分子多项式中不可接受的部分, 即不可对消的零点多项式。
     则闭环传递函数可表示为 : (9)式中 :
     ——零相位误差跟踪控制器的输出。根据系统的逆思想设计 ZPETC 如图 6 所示, 控制器的表达式为 (10)式中 :——零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ;——用 z 替换 z -1 换时, 不可对消的零点多项式 ; ——当 z=1 时不可接受部分的多项式 ; 所以由 到 的传递函数为 : (11) 当 时, 输入指令与输出响应之间不存在相位差, 可达到零相位跟踪控制。当0 时, z1。所以系统在甚低频时, 使得 ,。式 (11) 的相位差在整个频域内趋近于零, 在一幅值接近 1。证明如下式中 :; ,于是得到在频域内的表达式由上式可见, 式 (11) 所表示的输入输出间传递函数无虚部, 即在所有频率处均无相位 差, 且在
     时, 即静态时其增益为 1, 而在低频段, 其增益接近于 1。由于零相位跟踪控制是基于零极点对消的办法来进行相位和幅值补偿的, 因而零 极点的位置对参数变化和扰动非常敏感, 而且还存在着一定的建模误差。 所以, 按上述方法 设计的 ZPETC 在实际中有时并不能实现零极点完全对消, 很好地改善跟踪性能, 从综合设 计方面看又由于性能优良的鲁棒控制器也不易获得。 为此, 本发明设计了变增益 ZPETC。 实 际上可以认为, 对于建模误差, 经过相位补偿后, 即使没有将相位差完全补偿到零, 也已经 很小了, 并不是造成跟踪误差的主要原因, 前向通道上的增益损失才是造成跟踪误差的主 要原因, 因而需要及时调整前向通道上的增益。因为系统输入和输出一般是连续的, 所以, 可以根据前一时刻的输入和输出值来调整前向通道上的增益。 由于理想伺服系统的幅频特 性应是在全频域内为 1, 因此变增益控制器应为 , 其控制结构如图 7 所示。这样可以在一定程度上克服 ZPETC 由于建模误差和参数变化招致增益损失而产生的 影响, 虽然这样做不能使输入输出的相位差完全为 0, 但是其补偿器是根据零相位误差跟踪 控制的原理来设计的, 因此称其为变增益 ZPETC。 需要说明的是, 在实际应用中, 为了避免增 益 K 改变过于剧烈, 应采用数字加权滤波的方法进行平滑。 实现本发明方法的控制电路如图 8 所示, 控制电路的核心为 TMS320LF2407 处理 器 , 采用 LF2407 评估版 (LF2407EVM 板) , EVM 板主要的接口包括目标只读存储器、 模拟接 口、 CAN 接口、 串行引导 ROM、 用户指示灯和开关、 RS232 接口、 SPI 数据接口和扩展接口。 本控制电路还包括电源、 晶振、 JTAG 接口、 128K 字长无延迟静态存储器、 模拟外扩接口、 脉 宽调制 (PWM) 外扩接口。
     LF2407 评估板及外围电路的连接关系如图 9 所示 : TMS320LF2407 的地址总线分 别接静态存储器 U3、 U4 的地址总线以及地址外扩口 P3。TMS320LF2407 的数据总线分别接 U3、 U4 的数据总线以及地址外扩口 P3。TMS320LF2407 的读写使能管脚分别接 U3、 U4 的 17、
     41 管脚。TMS320LF2407 的程序空间选通管脚接 U3 的 6 管脚, TMS320LF2407 的数据空间选 通管脚接 U4 的 6 管脚。TMS320LF2407 的 JTAG 管脚接 P5, P5 与仿真器的一端相连, 另一端 通过打印口与 PC 机相连。TMS320LF2407 的模数转换管脚分别接模拟外扩口 P2 的 23、 24、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 19、 20 管脚。TMS320LF2407 事件管理器的 PWM 接口外 扩到 P1 的 3、 4、 5、 6、 7、 8、 12、 13、 14、 9、 10、 11、 21、 22、 24 管脚、 P4 的 20、 25、 26、 27、 29 管脚。 TMS320LF2407 的 123 管脚外接 15M 晶振 U22 的 1 管脚。TMS320LF2407 的模拟参考电源管 脚 116、 117 分别接 U19 的 4 和 11 管脚。 TMS320LF2407 的数字参考电源管脚 29、 50、 86、 129、 4、 42、 67、 77、 95、 141 接 3.3V 电压源模块 U12 的 17、 18 和 19 管脚。TMS320LF2407 的 28、 49、 85、 128、 3、 41、 66、 76、 94、 125、 140 管脚接数字地即 U12 的 9 和 10 管脚。
     本发明方法最终由嵌入控制电路 DSP 处理器中的控制程序实现, 如图 24 所示, 其 控制过程按以下步骤执行 : 步骤一、 系统初始化 ; 步骤二、 电机动子初始定位 ; 步骤三、 允许 INT1, INT2 中断 ; 步骤四、 启动 T1 下溢中断 ; 步骤五、 中断等待 ; 步骤六、 T1 中断处理 ; 步骤七、 保护中断处理 ; 步骤八、 结束。
     其中步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行 (如图 25 所示) : 步骤 1 禁止所有中断 ; 步骤 2 封锁 IPM ; 步骤 3 中断返回。
     步骤六中 T1 中断处理过程按以下步骤执行 (如图 26 所示) : 步骤 1 保护现场 ; 步骤 2 判断是否调进行扰动补偿, 是进入步骤 3, 否则进入步骤 4 ; 步骤 3 调用扰动观测器子程序进行扰动抑制 ; 步骤 4 判断是否位置调节, 是进入步骤 5, 否则进入步骤 9 ; 步骤 5 位置采样, 并与给定值比较后获得位置偏差 ; 步骤 6 位置 PD 调节 ; 步骤 7 速度采样, 位置 PD 调节器输出信号比较后获得速度偏差 ; 步骤 8 速度 PI 调节 ; 步骤 9 调用 VGZPETC 子程序进行前馈补偿 ; 步骤 10 电流采样 ; 步骤 11 对电流值进行 3S/2R 变换 ; 步骤 2 利用 q 轴电流计算推力 ; 步骤 13 求出推力偏差作为电流调节器的输入信号 ; 步骤 14 电流调节器进行电流调节 ; 步骤 15 对控制器输出电流值进行 2R/3S 变换 ;步骤 16 用变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得 PWM 信号 ; 步骤 17 恢复现场 ; 步骤 18 中断返回。
     电流采样周期设为 0.01ms, DOB 的采样周期为 0.05ms, 位置, 速度采样周期为 0.1ms。每次电流采样时间到都转去处理 ; 至于 DOB 的处理则是通过定时计数单元 1 的计数 值是否为 5 来确定, 如果没到 5, 则说明 DOB 的采样周期未到, 否则说明 DOB 的采样周期到, 这时将定时计数单元清零, 为下一次的位置、 速度采样作准备 ; 位置、 速度采样也是同理, 只 是通过定时计数单元 2 的计数值是否为 10 来确定。
     结合数控机床轮廓运动控制的特点, 本发明提出 VGZPETC 和 DOB 相结合的控制方 案。VGZPETC 作为前馈跟踪控制器, 提高了快速性, 使系统实现准确跟踪 ; 基于 DOB 的鲁棒 反馈控制器补偿了外部扰动、 未建模动态、 系统参数变化和机械非线性不确定因素, 并根据 预测到的扰动信息对各轴进行补偿以消除扰动对系统的影响, 从而保证了系统的强鲁棒性 能, 提高了轮廓加工精度。
     实施例 : 本发明以加工图 2 所示的轮廓, 选取正弦波 (20mm, 0.5Hz) 作为位置输入信号为例, 设 定系统标称对象
     。一、 DOB 的设计 根据设定的系统标称对象, 即速度回路传递函数, 不断改变三阶低通滤波器的频宽, 如 下式 :合理选择 值, 这里, 选择 开环传递函数为 :, 采样周期为 0.1ms, 若, , 则从 到 的这样在低频时具有高增益, 在高频时则增益衰减很快, 此系统具有良好的回路整型。 当 速度回路传递函数为我们设定的标称对象时, 再设计位置回路 PD 控制器就比较简单。
     二、 位置回路 PD 控制器设计 根据经验, PD 控制器参数最佳选择为 , , 位置回路采样周期为 1ms, 位置回路 PD 增益值选定后, 跟踪响应存在着相位滞后, 这样就要设计 VGZPETC 来消除滞后现 象。
     三、 VGZPETC 的设计 离散化闭合回路系统传递函数为 :其中与的根都在单位圆内, 因此前馈控制器可设计为只要事先规划出
     , 即可得到输入命令。理论分析和实践证明, 前向通道上的增益损失, 才是造成跟踪误差的主要原因, 因而需要及时调整前向通道上的增益。这样就可以在一定程度上克服由于建模误差和参 数变化对增益所产生的不利影响, 同时增加了前馈控制器对参数变化和扰动的不敏感性, 提高了系统的跟踪性能的鲁棒性。这样根据前一时刻的输入和输出值来调整前向通道 上的增益。由于理想伺服系统的幅频特性应是在全频域内为 1, 因此变增益控制器应为 。 根据以上所设计的控制方案, 分别对只有 PD 控制器、 PD 控制器 +VGZPETC 和 PD 控 制器 +VGZPETC+DOB 三种不同控制方式下进行理论分析验证, 位置跟踪误差曲线分别如图 27、 28 和 9 所示。通过对三种控制策略的位置跟踪误差曲线对比, 可以看出在相同的频带 下, 采用 PD 控制器 +VGZPETC+DOB 的控制策略的位置跟踪定位精度高, 跟踪性能好, 抗扰动 能力强, 从而能够在较好地抑制系统所受扰动的同时, 有效地减小轮廓误差。
     实现本发明方法的控制电路如图 8 所示, 控制电路的核心为 TMS320LF2407 处理 器 , 采用 LF2407 评估版 (LF2407EVM 板) , EVM 板主要的接口包括目标只读存储器、 模拟接 口、 CAN 接口、 串行引导 ROM、 用户指示灯和开关、 RS232 接口、 SPI 数据接口和扩展接口。 本 控制电路还包括电源、 晶振、 JTAG 接口、 128K 字长无延迟静态存储器、 模拟外扩接口、 PWM 外扩接口。
     其中 EVM 板可对 LF2407 代码进行全速检验, 包括 544 个字长的片上数据存储器、 128K 字长的板上存储器、 片上只读闪烁存储器、 片上 UART 和一个 MP7680D/A 转换器。板 上安装的器件可使评估板解决各类问题。4 个扩展接口, 可提供给任何评估电路。
     LF2407 评 估 板 及 外 围 电 路 的 连 接 关 系 如 图 9 所 示 : TMS320LF2407 如 图 10 的 127、 130、 132、 134、 136、 138、 143、 5、 9、 13、 15、 17、 20、 22、 24、 27 管 脚 分 别 接 静 态 存 储 器 U3 如 图 11、 U4 如 图 12(IS61LV6416)的 7、 8、 9、 10、 13、 14、 15、 16、 29、 30、 31、 32、 35、 36、 37、 38 管脚以及地址外扩口 P3 如图 13 的 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16 管脚。 TMS320LF2407 的 80、 78、 74、 71、 68、 64、 61、 57、 53、 51、 48、 45、 43、 39、 34、 31 管脚分别接 U3、 U4 的 5、 4、 3、 2、 1、 44、 43、 42、 27、 26、 25、 24、 21、 20、 19、 18 管脚以及地址外扩口 P3 的 19、 20、 21、 22、 23、 24、 25、 26、 27、 28、 29、 30、 31、 32、 33、 34 管脚。TMS320LF2407 的 93、 89 管脚接 U3、 U4 的 17、 41 管脚。TMS320LF2407 的 87 管脚接 U3 的 6 管脚, TMS320LF2407 的 84 管脚接 U4 的 6 管脚。TMS320LF2407 的 19、 89、 96、 92、 82、 84、 87 管脚分别连接 U17 如图 14(GAL16V8) 的 4、 5、 6、 7、 8、 9、 11 管脚。TMS320LF2407 的 90、 91、 135、 139、 142、 144 管脚分别接 P5 如图 15 (JTAG)的 13、 14、 9 管脚和 11、 3、 7、 1 管脚。TMS320LF2407 的 112、 110、 107、 105、 103、 102、 100、 99、 113、 111、 109、 108、 106、 104、 101、 98 管脚分别接模拟外扩口 P2 如图 16 的 23、 24、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 19、 20 管 脚。TMS320LF2407 的 56、 54、 52、 47、 44、 40、 16、 18、 8、 65、 62、 59、 55、 46、 38、 6 管脚分别接外扩 I\O 与 PWM 复用接口 P1 如图 17 的 3、 4、 5、 6、 7、 8、 12、 13、 14、 9、 10、 11 管脚、 P4 如图 18 的 25、 26、 27、 29 管脚。TMS320LF2407 的 83、 79、 88、 81 管脚接外扩 I\O 与 PWM 复用接口 P1 的 21、 22、 24 管脚和 P4 的 20 管脚。TMS320LF2407 的
     123 管脚外接 15M 晶振 U22 如图 19 的 1 管脚。 TMS320LF2407 的模拟参考电源管脚 116、 117 分别接 U19 如图 20 (TLC2274) 的 4 和 11 管脚。TMS320LF2407 的数字参考电源管脚 29、 50、 86、 129、 4、 42、 67、 77、 95、 141 接 3.3V 电压源模块 U12 如图 21(TPS73HD318) 的 17、 18 和 19 管脚。TMS320LF2407 的 28、 49、 85、 128、 3、 41、 66、 76、 94、 125、 140 管脚接数字地即 U12 的 9 和 10 管脚。TMS320LF2407 的 25、 19、 26 管脚分别接 RS232 接口 U21 的 11、 10 和 JP12 的 2 管脚, 如图 22 所示。TMS320LF2407 的 72、 70 管脚分别接 U7 的 1 管脚和 JP2 的 2 管脚 , 如 图 23 所示。
     本发明方法最终由嵌入控制电路 DSP 处理器中的控制程序实现, 如图 24 所示, 其 控制过程按以下步骤执行 : 步骤一、 系统初始化 ; 步骤二、 电机动子初始定位 ; 步骤三、 允许 INT1, INT2 中断 ; 步骤四、 启动 T1 下溢中断 ; 步骤五、 中断等待 ; 步骤六、 T1 中断处理 ; 步骤七、 保护中断处理 ; 步骤八、 结束。 其中步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行 (如图 25 所示) : 步骤 1 禁止所有中断 ; 步骤 2 封锁 IPM ; 步骤 3 中断返回。
     步骤六中 T1 中断处理过程按以下步骤执行 (如图 26 所示) : 步骤 1 保护现场 ; 步骤 2 判断是否调进行扰动补偿, 是进入步骤 3, 否则进入步骤 4 ; 步骤 3 调用扰动观测器子程序进行扰动抑制 ; 步骤 4 判断是否位置调节, 是进入步骤 5, 否则进入步骤 9 ; 步骤 5 位置采样, 并与给定值比较后获得位置偏差 ; 步骤 6 位置 PD 调节 ; 步骤 7 速度采样, 位置 PD 调节器输出信号比较后获得速度偏差 ; 步骤 8 速度 PI 调节 ; 步骤 9 调用 VGZPETC 子程序进行前馈补偿 ; 步骤 10 电流采样 ; 步骤 11 对电流值进行 3S/2R 变换 ; 步骤 2 利用 q 轴电流计算推力 ; 步骤 13 求出推力偏差作为电流调节器的输入信号 ; 步骤 14 电流调节器进行电流调节 ; 步骤 15 对控制器输出电流值进行 2R/3S 变换 ; 步骤 16 用变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得 PWM 信号 ; 步骤 17 恢复现场 ;
     16CN 101989080 A说中断返回。明书14/14 页步骤 18

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1、(10)申请公布号 CN 101989080 A (43)申请公布日 2011.03.23 CN 101989080 A *CN101989080A* (21)申请号 201010571352.4 (22)申请日 2010.12.03 G05B 19/19(2006.01) (71)申请人 沈阳工业大学 地址 110870 辽宁省沈阳市经济技术开发区 沈辽西路111 号 (72)发明人 赵希梅 王丽梅 孙宜标 孙显峰 刘春芳 (74)专利代理机构 沈阳智龙专利事务所( 普通 合伙) 21115 代理人 宋铁军 (54)发明名称 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实。

2、 现 轮 廓加工的方法 (57)摘要 一 种 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实 现 轮 廓 加 工 的 方 法, 包 括 VGZPETC、PD 位 置 控 制 器、DOB、 和 被 控 对 象 四 部 分 ; 结 合 数 控 机 床 轮 廓 运动控制的特点, 本发明提出VGZPETC 和DOB 相结 合的控制方案。VGZPETC 作为前馈跟踪控制器, 消 除 闭 合 回 路 系 统 相 位 滞 后 所 产 生 的 误 差 以 及 建 模 误 差 并 补 偿 了 增 益 损 失, 提 高 了 快 速 性, 使 系 统 实 现 准 确 跟 踪 ; 基 于 DOB 。

3、的 鲁 棒 反 馈 控 制 器 补 偿 了 外 部 扰 动、 未 建 模 动 态、 系 统 参 数 变 化 和 机 械 非 线 性 不 确 定 因 素, 并 根 据 预 测 到 的 扰 动 信 息 对 各 轴 进 行 补 偿 以 消 除 扰 动 对 系 统 的 影 响, 从 而 保 证 了 系统的强鲁棒性能, 提高了轮廓加工精度。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 14 页 附图 19 页CN 101989080 A 1/2 页 2 1. 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实 现 轮 廓。

4、 加 工 的 方 法, 其 特 征 在 于 : 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 与 扰 动 观 测 器 相 结 合 来 提 高 轮 廓 加 工 精 度 的 方 法, 该 方 法 包 括 : 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 VGZPETC、PD 位 置 控 制 器、DOB、 和 被 控 对 象 四 部 分, 其 中 : VGZPETC, 用 以 消 除 闭 合 回 路 系 统 相 位 滞 后 所 产 生 的 误 差 以 及 建 模 误 差 并 补 偿 了 增 益 损 失 ; PD 位 置 控 制 器, 用 以 改 善 位 置 回 路 响 应 特 性 ;。

5、 DOB, 用 以 消 除 系 统 的 扰 动, 并 使 速 度 回 路 的 传 递 函 数 成 为 参 考 模 型 ; 被 控 对 象, 是 由 电 机、 速 度 环 和 电 流 环 三 部 分 组 成 ; 所 述 VGZPETC 的 输 入 信 号 为 位 置 参 考 指 令, 根 据 前 一 时 刻 的 输 入 和 输 出 值 来 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益 ; 经 过VGZPETC 后的输出位置信号与反馈位置信号比较后, 送入PD 位置反馈控制器, PD 控制器 的 输 入 信 号 为 速 度 给 定 信 号, 速 度 给 定 信 号 与 DOB 的 输 出 信 号 比 较。

6、 后, 所 得 的 偏 差 送 入 被 控 对 象, 被 控 对 象 的 输 出 为 实 际 输 出 的 速 度 信 号, 经 过 积 分 器 后, 所 得 信 号 即 为 实 际 的 位 置 信号。 2. 根 据 权 利 要 求 1 所 述 的 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实 现 轮 廓 加 工 的 方 法, 其 特 征 在 于 : 所 述 的 VGZPETC 的 设 计 方 法 是 根 据 系 统 的 逆 思 想 设 计 的, 能 够 根 据 前 一 时 刻 的 输 入 和 输 出 值 来 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益 ; 由 于 理 想 伺 。

7、服 系 统 的 幅 频 特 性 应 是 在 全 频 域 内 为 1, 因 此 变 增 益 控 制 器 应 为 ; 当 闭 环 系 统 不 包 含 不 可 对 消 的 零 点 时, 理 想 的 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制器ZPETC 的表达式为 : 式中 : 零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ; 零相位误差跟踪控制器的输出 ; 系统的参考输入 ; 超前d 步 ; 闭环传递函数的分母多项式, 且首项为1 ; 闭环传递函数的分子多项式 ; 当闭环系统包含不可对消的零点时, ZPETC 的表达式为 : 式 中 : 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 可 接 受 的 部 分, 即 。

8、可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 不 可 接 受 的 部 分, 即 不 可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 用z 替换z -1 换时, 不可对消的零点多项式 ; 当z=1 时不可接受部分的多项式 ; 权 利 要 求 书CN 101989080 A 2/2 页 3 变增益控制器为: 。 3. 根据权利要求1 所述的用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 该方法采用嵌入控制电路DSP 处理器中的控制程序, 该程序按以下步骤执行 : 步骤一 系统初始化 ; 步骤二 电机动子初始定位 ; 步骤三 允许INT1, I。

9、NT2 中断 ; 步骤四 启动T1 下溢中断 ; 步骤五 中断等待 ; 步骤六 T1 中断处理 ; 步骤七 保护中断处理 ; 步骤八 结束。 4. 根据权利要求1 所述的用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 上述步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤1 禁止所有中断 ; 步骤2 封锁IPM ; 步骤3 中断返回。 5. 根据权利要求1 所述的用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 所述步骤六中T1 中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤1 保护现场 ; 步骤2 判断是否调进行扰动补偿, 是进入步骤3, 否则进入步骤4 ; 步。

10、骤3 调用扰动观测器子程序进行干扰抑制 ; 步骤4 判断是否位置调节, 是进入步骤5, 否则进入步骤9 ; 步骤5 位置采样, 并与给定值比较后获得位置偏差 ; 步骤6 位置PD 调节 ; 步骤7 速度采样, 位置PD 调节器输出信号比较后获得速度偏差 ; 步骤8 速度PI 调节 ; 步骤9 调用VGZPETC 子程序进行前馈补偿 ; 步骤10 电流采样 ; 步骤11 对电流值进行3S/2R 变换 ; 步骤12 利用q 轴电流计算推力 ; 步骤13 求出推力偏差作为电流调节器的输入信号 ; 步骤14 电流调节器进行电流调节 ; 步骤15 对控制器输出电流值进行2R/3S 变换 ; 步骤16 用。

11、变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得PWM 信号 ; 步骤17 恢复现场 ; 步骤18 中断返回。 权 利 要 求 书CN 101989080 A 1/14 页 4 用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法 0001 技术领域 : 本 发 明 属 于 数 控 轮 廓 加 工 技 术 和 电 机 控 制 领 域, 特 别 涉 及 一 种 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪控制器和扰动观测器相结合来实现高精度轮廓加工的控制方法。 0002 背景技术 : 先 进 制 造 技 术 是 当 前 国 家 重 点 发 展 领 域, 其 核 心 是 先 进 制 造 设 备。 直 线 交。

12、 流 伺 服 进 给 技 术 是 各 类 数 控 机 床 中 最 具 代 表 性 的 先 进 水 平 标 志 之 一, 是 实 现 亚 微 米 乃 至 纳 米 加 工 的 主 要 技 术 手 段, 是 加 工 中 心、 柔 性 制 造 单 元、 柔 性 制 造 系 统 的 基 础 技 术。 提 高 我 国 交 流 伺 服 系 统 理 论, 将 能 够 有 助 于 开 发 出 精 度 更 高、 伺 服 性 能 更 好 的 直 线 交 流 伺 服 系 统, 有 助 于 提 高 我 国 高 精 度 数 控 机 床 的 制 造 水 平, 推 动 数 控 技 术 的 发 展, 其 社 会 效 益 和 经。

13、 济 效 益 都 将 是 显 著 的。 0003 尽 管 当 前 的 交 流 伺 服 ( 旋 转 电 动 机 ) 系 统 性 能 已 很 先 进, 但 由 于 受 到 传 统 机 械 结 构 ( 即 旋 转 电 动 机 + 滚 珠 丝 杠 ) 进 给 传 动 方 式 的 限 制, 可 能 达 到 的 最 大 进 给 速 度 只 有 4060m/ min, 加 速 度 为 0.6g, 重 复 精 度 达 0.002mm, 与 高 速 切 削 要 求 相 差 甚 远。 在 高 速 进 给 时, 存 在 转 动 惯 量 大、 扭 矩 刚 度 低、 摩 擦 磨 损 和 发 热 严 重、 自 身 的 弹。

14、 性 变 形 和 热 变 形、 反 向 间 隙 等 会 造 成 运 动 的 滞 后 和 其 它 非 线 性 误 差 等 一 系 列 问 题。 目 前, 现 代 高 速 精 密 数 控 机 床 要 求 高 速 电主轴高达60 000100 000r/min, 功率1580kW, 进给速度为60200m/min, 进给加 ( 减 ) 速 度达15g, 甚至更高。 不改变进给传动方式, 很难有突破性的提高。 革除中间传动链及变换 环节已是势在必行。 这就使得一种崭新的直接驱动的进给传动方式直线伺服电动机控 制 系 统 应 运 而 生。 随 着 永 磁 体 材 料 性 能 的 提 高 和 应 用 技 。

15、术 的 发 展, 采 用 高 能 永 磁 体 的 永 磁 直 线 同 步 电 动 机 (PMLSM) , 因 其 具 有 推 力 强 度 高、 损 耗 低、 电 气 时 间 常 数 小、 响 应 快、 控 制 比 较 容 易 等 一 系 列 特 点, 因 而 成 为 当 前 直 线 伺 服 驱 动 的 代 表 性 机 型。 随 着 在 高 档 数 控 机 床 进 给驱动中的应用, 将会成为新一代数控机床直线进给的主流。 0004 直线电机驱动在获得了诸多优点的同时, 也给控制上带来了困难。 这就是说, 机械 上 的 简 化 增 加 了 电 气 方 面 控 制 的 难 度。 因 为 直 线 电 。

16、机 存 在 着 特 有 的 端 部 效 应、 系 统 参 数 摄 动、 负 载 扰 动 等 诸 多 不 确 定 性 因 素 的 影 响 也 将 直 接 反 应 到 直 线 电 动 机 的 运 动 控 制 器 中, 而 没 有 任 何 中 间 的 缓 冲 环 节, 对 系 统 性 能 造 成 更 敏 感 的 影 响, 这 给 控 制 器 的 设 计 带 来 了 困 难。 为 此, 要 求 所 设 计 的 系 统 具 有 十 分 优 良 的 鲁 棒 性 能 和 跟 踪 性 能, 以 保 证 使 PMLSM 实 现 高 精 度与高速度的伺服进给, 满足数控机床的加工要求, 这正是本发明所要解决的核心。

17、问题。 0005 随 着 复 杂 型 面 零 件 加 工 精 度 不 断 提 高 的 需 要, 机 床 进 给 系 统 的 轮 廓 跟 踪 精 度 已 成 为 其 重 要 的 精 度 指 标 之 一。 就 数 控 机 床 系 统 来 讲, 其 轮 廓 加 工 轨 迹 是 多 轴 协 调 运 动 的 合 成 结 果, 轮 廓 精 度 的 提 高 涉 及 到 机 床 每 个 进 给 轴 动 态 特 性 和 参 数 匹 配, 并 对 各 单 轴 进 给 驱 动 系 统 要 求 反 应 快、 运 动 控 制 精 度 高、 响 应 频 带 宽、 扰 动 抑 制 能 力 强 和 对 对 象 参 数 变 化。

18、 的 强 鲁 棒 性, 以 取 得 尽 可 能 小 的 跟 随 误 差, 进 而 提 高 轮 廓 加 工 精 度。 在 数 控 机 床 的 轮 廓 加 工 中, 一 般 采 用 常 规 比 例 (P) 型 或 比 例 微 分 (PD) 型 控 制 器, 它 对 各 坐 标 轴 的 参 数 匹 配 有 严 格 的 限 制。 同 时 由 于 切 削 力、 导 轨 非 线 性 摩 擦 力、 系 统 模 型 振 动 的 影 响, 都 可 能 严 重 地 降 低 了 整 个 闭环系统的控制性能。 一些研究指出, 只要跟随控制算法能保证系统有足够的带宽、 扰动抑 说 明 书CN 101989080 A 2。

19、/14 页 5 制 能 力 及 鲁 棒 性, 就 可 以 满 足 轮 廓 运 动 的 精 度 要 求。 通 过 减 小 单 轴 的 跟 踪 误 差 来 提 高 轮 廓 加工精度, 正是基于这种认识, 来研究减小轮廓误差的。 常规的跟随控制算法靠提高增益来 拓 宽 频 响 带 宽, 但 其 可 能 导 致 受 激 系 统 产 生 非 建 模 特 性, 甚 至 系 统 振 荡, 因 而 提 高 增 益 受 到 限 制, 本 发 明 采 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 来 提 高 系 统 的 快 速 跟 踪 性 能, 采 用 扰 动 观 测器其来抑制扰动等不确定因素的影响。 。

20、0006 发明内容 : 发明目的 : 针 对 现 有 技 术 中 存 在 的 问 题, 本 发 明 提 供 一 种 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 和 扰 动 观测器来实现高精度轮廓加工的方法。 0007 技术方案 : 本发明的技术方案为 : 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实 现 轮 廓 加 工 的 方 法, 其 特 征 在 于 : 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 与 扰 动 观 测 器 相 结 合 来 提 高 轮 廓 加 工 精 度 的 方 法, 该 方 法 包 括 : VGZPETC、 PD 位置控制器、 D。

21、OB、 和被控对象四部分, 其中 : VGZPETC, 用 以 消 除 闭 合 回 路 系 统 相 位 滞 后 所 产 生 的 误 差 以 及 建 模 误 差 并 补 偿 了 增 益 损失 ; PD 位置控制器, 用以改善位置回路响应特性 ; DOB, 用以消除系统的扰动, 并使速度回路的传递函数成为参考模型 ; 被控对象, 是由电机、 速度环和电流环三部分组成 ; 所 述 VGZPETC 的 输 入 信 号 为 位 置 参 考 指 令, 根 据 前 一 时 刻 的 输 入 和 输 出 值 来 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益 ; 经 过 VGZPETC 后 的 输 出 位 置 信 号 。

22、与 反 馈 位 置 信 号 比 较 后, 送 入 PD 位 置 反 馈 控制器, PD 控制器的输入信号为速度给定信号, 速度给定信号与DOB 的输出信号比较后, 所 得 的 偏 差 送 入 被 控 对 象, 被 控 对 象 的 输 出 为 实 际 输 出 的 速 度 信 号, 经 过 积 分 器 后, 所 得 信 号 即为实际的位置信号。 0008 所 述 的 VGZPETC 的 设 计 方 法 是 根 据 系 统 的 逆 思 想 设 计 的, 可 以 根 据 前 一 时 刻 的 输 入 和 输 出 值 来 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益 ; 由 于 理 想 伺 服 系 统 的 幅 。

23、频 特 性 应 是 在 全 频 域 内 为 1, 因 此 变 增 益 控 制 器 应 为 ; 这 样 可 以 在 一 定 程 度 上 克 服 ZPETC 由 于 建 模 误 差 和 参 数 变 化 招 致 增益损失而产生的影响, 虽然这样做不能使输入输出的相位差完全为0, 但是其补偿器是根 据零相位误差跟踪控制的原理来设计的, 因此称其为变增益ZPETC。 当闭环系统不包含不可 对消的零点时, 理想的ZPETC 的表达式为 : 式中 : 零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ; 零相位误差跟踪控制器的输出 ; 系统的参考输入 ; 超前d 步 ; 说 明 书CN 101989080 A 3/14 。

24、页 6 闭环传递函数的分母多项式, 且首项为1 ; 闭环传递函数的分子多项式 ; 当闭环系统包含不可对消的零点时, ZPETC 的表达式为 : 式 中 : 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 可 接 受 的 部 分, 即 可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 不 可 接 受 的 部 分, 即 不 可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 用z 替换z -1 换时, 不可对消的零点多项式 ; 当z=1 时不可接受部分的多项式 ; 变增益控制器为: 。 0009 该方法采用嵌入控制电路DSP 处理器中的控制程序, 该程序按以下步骤执行 :。

25、 步骤一 系统初始化 ; 步骤二 电机动子初始定位 ; 步骤三 允许INT1, INT2 中断 ; 步骤四 启动T1 下溢中断 ; 步骤五 中断等待 ; 步骤六 T1 中断处理 ; 步骤七 保护中断处理 ; 步骤八 结束。 0010 上述步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤1 禁止所有中断 ; 步骤2 封锁IPM ; 步骤3 中断返回。 0011 所述步骤六中T1 中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤1 保护现场 ; 步骤2 判断是否调进行扰动补偿, 是进入步骤3, 否则进入步骤4 ; 步骤3 调用扰动观测器子程序进行干扰抑制 ; 步骤4 判断是否位置调节, 是进入步骤5, 否则进。

26、入步骤9 ; 步骤5 位置采样, 并与给定值比较后获得位置偏差 ; 步骤6 位置PD 调节 ; 步骤7 速度采样, 位置PD 调节器输出信号比 较后获得速度偏差 ; 步骤8 速度PI 调节 ; 步骤9 调用VGZPETC 子程序进行前馈补偿 ; 步骤10 电流采样 ; 说 明 书CN 101989080 A 4/14 页 7 步骤11 对电流值进行3S/2R 变换 ; 步骤12 利用q 轴电流计算推力 ; 步骤13 求出推力偏差作为电流调节器的输入信号 ; 步骤14 电流调节器进行电流调节 ; 步骤15 对控制器输出电流值进行2R/3S 变换 ; 步骤16 用变换得到的电流值作为载波与三角载波。

27、调制获得PWM 信号 ; 步骤17 恢复现场 ; 步骤18 中断返回。 0012 优点及效果 : 结 合 数 控 机 床 轮 廓 运 动 控 制 的 特 点, 本 发 明 提 出 VGZPETC 和 DOB 相 结 合 的 控 制 方 案。 VGZPETC 作 为 前 馈 跟 踪 控 制 器, 提 高 了 快 速 性, 使 系 统 实 现 准 确 跟 踪 ; 基 于 DOB 的 鲁 棒 反 馈 控 制 器 补 偿 了 外 部 扰 动、 未 建 模 动 态、 系 统 参 数 变 化 和 机 械 非 线 性 不 确 定 因 素, 并 根 据 预 测 到 的 扰 动 信 息 对 各 轴 进 行 补 。

28、偿 以 消 除 扰 动 对 系 统 的 影 响, 从 而 保 证 了 系 统 的 强 鲁 棒 性 能, 提高了轮廓加工精度。 0013 附图说明 : 图1 为本发明方法的控制原理框图 ; 图2 为本发明方法采用的轮 廓误差模型曲线图 ; 图3 为本发明方法中扰动观测器控制原理框图 ; 图4 为本发明方法中PD 控制器控制原理框图 ; 图5 为理想零相位误差跟踪控制器控制原理框图 ; 图6 为本发明方法中零相位误差跟踪控制器控制原理框图 ; 图7 为本发明方法中变增益零相位误差跟踪控制器控制系统原理框图 ; 图8 为本发明方法中控制电路框图 ; 图9 为采用本发明方法获得的位置跟踪误差曲线图, 。

29、图10 为DSP 处理器及其部分外围电路原理图, 图11 为静态存储器U3 的连接关系图, 图12 为静态存储器U4 的连接关系图, 图13 为地址外扩口P3 的连接关系图, 图14 为U17 的连接关系图, 图15 为P5 的电路原理图, 图16 为模拟外扩口P2 的连接关系图, 图17 为外扩I/O 口P1 的连接关系图, 图18 为控制口P4 的连接关系图, 图19 为DSP 外围晶振电路原理图, 图20 为U19、 U16、 U10、 U14、 U8、 U1 及其外围电路原理图, 图21 为电压模块TPS73HD318 及其外围电路原理图, 图22 为RS232 及其外围电路原理图, 。

30、图23 为U7 及其外围电路原理图 ; 图24 为本发明方法中控制程序流程图 ; 说 明 书CN 101989080 A 5/14 页 8 图25 为本发明方法中保护中断处理子程序流程图 ; 图26 为本发明方法中T1 中断处理子程序流程图 ; 图27 为仅采用PD 控制器时位置跟踪误差曲线图 ; 图28 为仅采用PD 控制器和ZPETC 时位置跟踪误差曲线图。 0014 具体实施方式 : 下面结合附图对本发明进行具体说明 : 本 发 明 以 XY 平 台 伺 服 机 构 为 实 验 设 备, 电 机 驱 动 器 设 定 在 扭 力 模 式, 先 利 用 系 统 识 别 获 得 一 个 输 入。

31、 命 令 与 输 出 速 度 之 间 的 系 统 传 递 函 数。 以 此 传 递 函 数 为 依 据, 将 摩 擦 力 的 影 响视为系统的扰动, 并使用扰动观测器 (DOB) 作为速度回路的控制器, 使输入命令与输出速 度 为 一 线 性 关 系。 位 置 回 路 控 制 器 则 使 用 PD 控 制 器, 调 整 位 置 响 应 到 最 佳 的 情 况, 再 加 入 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 (VGZPETC) 作 为 前 馈 控 制 器, 来 消 除 客 观 上 普 遍 存 在 的 对 象 由于电磁作用和机械作用产生的滞后现象。 0015 本发明方法的控制原理。

32、框图如图1 所示, 包括VGZPETC、 PD 位置控制器、 DOB、 和被 控对象四部分。 其中VGZPETC 用以消除闭合回路系统相位滞后所产生的误差 ; PD 控制器用 以 改 善 位 置 回 路 响 应 特 性 ; DOB 用 以 消 除 系 统 的 扰 动, 并 使 速 度 回 路 的 传 递 函 数 成 为 参 考 模型 ; 被控对象是由电机、 速度环和电流环三部分组成。VGZPETC 的输入信号为位置参考指 令, 经过VGZPETC 后的输出位置信号与反馈位置信号比较后, 送入PD 位置反馈控制器, PD 控 制 器 的 输 入 信 号 为 速 度 给 定 信 号, 速 度 给 。

33、定 信 号 与 DOB 的 输 出 信 号 比 较 后, 所 得 的 偏 差 送 入 被 控 对 象, 被 控 对 象 的 输 出 为 实 际 输 出 的 速 度 信 号, 经 过 积 分 器 后, 所 得 的 信 号 即 为 实 际 的位置信号。 0016 目 前 在 数 控 机 床 加 工 过 程 中, 轮 廓 误 差 是 在 多 轴 联 动 时, 由 各 个 单 轴 的 位 置 误 差 耦合产生的。 因此, 系统运行时, 各个单轴受到任何的负载扰动或参数不匹配都可能影响轮 廓 误 差。 这 里, 以 两 轴 联 动 系 统 为 研 究 对 象, 根 据 实 际 情 况, 其 轮 廓 误 。

34、差 模 型 曲 线 如 图 2 所 示, 其 中, 为 轮 廓 曲 线 ; 为 实 际 位 置 ; 为 参 考 位 置 ; 为 跟 踪 误 差, 即 刀 具 的 实 际 位 置 与 参 考 位 置 之 间 的 差 距, 跟 踪 误 差 沿 机 床 各 坐 标 轴 上 的 分 量 用 、 表 示 ; 为 轮 廓 误 差, 即刀具的实际位置到轮廓曲线的最短距离。 在数控机床高性能轮廓控制系统中通常存在机 械非线性、 摩擦及惯量变化, 这些变化都可能引起模型参数的变化。 此时采用传统的PID 调 节器已经不能满足数控机床轮廓加工精度的要求。 0017 本 发 明 方 法 用 于 永 磁 直 线 同 。

35、步 电 动 机 伺 服 系 统, 通 过 减 小 跟 踪 误 差 的 方 法 间 接 减 小 轮 廓 误 差, 同 时 采 用 基 于 扰 动 观 测 器 的 变 增 益 零 相 位 鲁 棒 控 制。 为 了 使 系 统 具 有 强 鲁 棒 性, DOB 用 来 补 偿 外 部 扰 动 和 对 象 的 不 确 定 性, 并 让 系 统 的 传 递 函 数 成 为 预 设 定 的 标 称 对 象 ; 在 利 用 DOB 使 速 度 模 式 确 保 为 预 设 定 的 标 称 传 递 函 数 后, 接 着 设 计 位 置 反 馈 回 路, 本 发 明 采 用 了 PD 控 制 器。 由 于 系 统。

36、 存 在 滞 后 现 象, 为 了 补 偿 系 统 相 位 滞 后 所 产 生 的 误 差, 并 使 得系统有良好的快速动态跟踪性能, 引入VGZPETC 来作为前馈控制器。 0018 本发明方法包括以下具体步骤 : 一、 DOB 的设计 由 于 扰 动 形 式 具 有 多 变 化, 不 确 定 及 随 机 性, 因 此 无 法 预 见 和 直 接 测 量, 最 终 影 响 到 对 象模型。 在本发明方法设计中, DOB 将系统不确定性视为系统扰动, 并对扰动进行有效地估 测 和 补 偿, 在 误 差 允 许 范 围 内 可 以 将 实 际 模 型 用 其 参 考 模 型 来 等 价。 扰 动。

37、 观 测 器 的 控 制 结 说 明 书CN 101989080 A 6/14 页 9 构 如 图 3 所 示。 其 中, 为 速 度 环 的 给 定 输 入 信 号 ; 为 系 统 的 外 部 扰 动 ; 为 扰 动 的 估 计 量 ; 为 测 量 噪 声 ; 为 实 际 对 象 的 传 递 函 数 ; 为 标 称 对 象 的 传 递 函 数 ; 为 低 通滤波器。 0019 当 , 由图3 得 :(1) 速度 可表示为(2) 从 式 (2) 可 知, 若 能 够 消 除 测 量 噪 声 的 影 响, 则 输 出 速 度 与 输 入 指 令 之 间 的 关 系 将 成 为 标 称 对 象。 。

38、式 (2) 表 明 如 果 , 扰 动 观 测 器 不 能 实 现, 表 明 不 可 独 立 实 现, 因 此 必 须 适 当 设 计 , 并 使 得 可 以 实 现, 也 就 是 的 相 对 阶 数 等 于 或 大 于 的相对阶数, 其次, 必须能消除测量误差的影响。根据图3, 速度 可表示为(3) 式中, , , 。 0020 如 果 , 上 面 三 个 传 递 函 数 为 , , , 可 见 式 (2) 近 似 成 立。 这 表 明 扰 动 观 测 器 可 以 使 实 际 对 象 表 现 为 标 称 对 象, 这 为 控 制 系 统 提 供 了 较 强 的 鲁 棒性。 如果 , 那么 ,。

39、 , , 这样观测了速度环的开环动态。 因此, 对于扰动抑制和模型不确定性, 要合理选择 , 的低频动态要接近于1, 高频动态必 须接近于0。 因此 的相对阶等于或大于 的相对阶, 这里将采用三阶低通滤波器来 满足上述特性。 0021 (4) 选择不同的 值, 对应 不同的截止频率。 0022 由 此 可 见,DOB 的 性 能 很 大 程 度 上 取 决 于 滤 波 器 的 设 计,DOB 主 要 设 计 的 是 的 阶 次、 相 对 阶 和 带 宽。 的 相 对 阶 应 不 小 于 标 称 对 象 的 传 递 函 数 的 相 对 阶, 其 带 宽 要 考 虑 鲁 棒 性 和 扰 动 抑 制。

40、 能 力 的 折 衷, 的 频 带 越 宽 系 统 扰 动 抑 制 能 力 越 强, 但 系 统 的鲁棒性会变差。 0023 二、 位置回路PD 控制器设计 在利用DOB 使速度模式确保为预设的 传递函数后, 接着设计位置反馈控制器。 因 为位置回路有一个极点在原点, 所以控制器必须稳定此系统, 本发明利用PD 控制器。PD 控 制 器 若 在 离 散 化 的 过 程 中 将 采 样 时 间 分 离 出 来 的 话, 将 可 以 直 接 在 连 续 模 式 下 设 计 PD 增 说 明 书CN 101989080 A 7/14 页 10 益值, 再将所求得的增益值直接代入离散化的方程式中, 即。

41、可得到相应的响应。 0024 PD 控 制 器 原 理 图 如 图 4 所 示, 其 输 出 信 号 与 偏 差 输 入 信 号 的 关 系 如 下 式 所示 :(5) 式中 : 可调微分时间常数 ; 比例系数。 0025 在 PD 控 制 器 中, 微 分 控 制 规 律 能 够 反 应 出 输 入 信 号 的 变 化 趋 势, 产 生 有 效 的 早 期 修正信号, 以增加系统的阻尼程度, 从而改善系统的稳定性。 0026 三、 VGZPETC 的设计方法 数 控 机 床 进 给 伺 服 系 统 的 设 计 中, 采 用 前 馈 控 制 可 以 大 大 拓 宽 系 统 的 频 带, 提 高。

42、 其 跟 随性能。 反馈控制器有改善系统稳定性, 暂态响应及增加系统鲁棒性的优点。 然而, 反馈控 制 器 主 要 是 靠 误 差 信 号 控 制 系 统, 所 以 反 馈 控 制 系 统 输 入 指 令 和 输 出 响 应 之 间 必 然 有 相 位 滞 后 的 现 象, 在 跟 踪 控 制 时 就 会 产 生 跟 踪 误 差。 要 改 善 此 相 位 滞 后 现 象 可 考 虑 在 闭 环 系 统 前使用一前馈控制器, 本发明中前馈控制器采用的是VGZPETC。VGZPETC 的设计是为了提高 运动控制的跟踪精度, 其基本思想是基于零极点对消。 而且, 针对那些具有不稳定零点的系 统抵消掉。

43、不稳定零点之后, VGZPETC 还可以补偿这些零点产生的相位移, 以便获得零相位误 差。 0027 在说明VGZPETC 时, 先介绍ZPETC 的设计, 它是为了提高运动控制的跟踪精度。 由 于 系 统 在 跟 踪 控 制 时, 系 统 的 输 入 指 令 和 输 出 响 应 之 间 存 在 滞 后 现 象, 其 控 制 器 设 计 的 基 本思想是基于零极点对消。 而且, 针对那些具有不稳定零点的系统, 在抵消掉不稳定零点之 后, ZPETC 还可以补偿这些零点产生的相位移, 以便获得零相位误差。 0028 首先考虑离散化后的闭环系统的传递函数(6) 式中 : , ; , ; 闭环系统的。

44、传递函数 ; 闭环系统所造成的d 步延迟 ; 闭环传递函数的分母多项式, 且首项为1 ; 闭环传递函数的分子多项式。 0029 若 上 述 闭 环 系 统 不 包 含 不 可 对 消 的 零 点 ( 单 位 圆 外 的 零 点 ) , 即 前 馈 控 制 器 为 理 想 的ZPETC( ) , 如图5 所示。根据图5, 可以得出输出与输入之间的表达式 : 说 明 书CN 101989080 A 8/14 页 11(7) 式中 : 零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ; 系统的参考输入 ; 超前d 步 ; 闭环传递函数的分母多项式, 且首项为1 ; 闭环传递函数的分子多项式 ; 系统的实际输出。。

45、 0030 若 系 统 的 初 始 条 件 为 零, 由 式 (7) 可 知 前 馈 控 制 器 使 系 统 的 输 出 完 全 跟 随 期 望轨迹 , 达到理想的跟踪控制效果。 0031 若 式 (6) 所 描 述 的 系 统 包 含 不 可 对 消 的 零 点, 则 不 可 以 设 计 前 馈 控 制 器 直 接 对 消 系 统 的 零 点, 否 则 将 导 致 前 馈 控 制 器 不 稳 定。 下 面 将 针 对 包 含 不 可 对 消 零 点 的 系 统 来 设 计 ZPETC。将 因式分解为(8) 式 中 : 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 可 接 受 的 部 分, 。

46、即 可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 闭环传递函数分子多项式中不可接受的部分, 即不可对消的零点多项式。 0032 则闭环传递函数可表示为 :(9) 式中 : 零相位误差跟踪控制器的输出。 0033 根据系统的逆思想设计ZPETC 如图6 所示, 控制器的表达式为(10) 式中 : 零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ; 用z 替换z -1 换时, 不可对消的零点多项式 ; 当z=1 时不可接受部分的多项式 ; 所以由 到 的传递函数为 :(11) 当 时, 输 入 指 令 与 输 出 响 应 之 间 不 存 在 相 位 差, 可 达 到 零 相 位 跟 踪 控 制。 说 明 书CN 1。

47、01989080 A 9/14 页 12 当 0 时, z 1。 所以系统在甚低频时, 使得 。 式(11) 的相位差在整个频 域内趋近于零, 在一幅值接近1。证明如下 , 式中 : ; , 于是得到在频域内的表达式 由 上 式 可 见, 式 (11) 所 表 示 的 输 入 输 出 间 传 递 函 数 无 虚 部, 即 在 所 有 频 率 处 均 无 相 位 差, 且在 时, 即静态时其增益为 1, 而在低频段, 其增益接近于1。 0034 由 于 零 相 位 跟 踪 控 制 是 基 于 零 极 点 对 消 的 办 法 来 进 行 相 位 和 幅 值 补 偿 的, 因 而 零 极点的位置对参。

48、数变化和扰动非常敏感, 而且还存在着一定的建模误差。 所以, 按上述方法 设 计 的 ZPETC 在 实 际 中 有 时 并 不 能 实 现 零 极 点 完 全 对 消, 很 好 地 改 善 跟 踪 性 能, 从 综 合 设 计方面看又由于性能优良的鲁棒控制器也不易获得。 为此, 本发明设计了变增益ZPETC。 实 际 上 可 以 认 为, 对 于 建 模 误 差, 经 过 相 位 补 偿 后, 即 使 没 有 将 相 位 差 完 全 补 偿 到 零, 也 已 经 很 小 了, 并 不 是 造 成 跟 踪 误 差 的 主 要 原 因, 前 向 通 道 上 的 增 益 损 失 才 是 造 成 跟 踪 误 差 的 主 要 原 因, 因 而 需 要 及 时 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益。 因 为 系 统 输 入 和 输 出 一 般 是 连 续 的, 所 以, 可以根据前一时刻的输入和输出值来调整前向通道上的增益。 由于理想伺服系统的幅频特 性 应 是 在 全 频 域 内 为 1, 因 此 变 增 益 控 制 器 应 为 , 其 控 制 结 构 如 图 7 所示。 这样。

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