CN101311866A - 连续输出定位控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续输出定位控制的方法，开始设备以允许的最大加速度A_MAX升至最大允许速度V_MAX，当关闭至C点时，速度开始减小取V_CD，至D点时位置偏差距离值为DS₁时，速度继续减小取V_DE，至E点时切换成最小速度V_MIN，至F点时位置偏差距离值为DS_OFF，切断速度输出，设备在惯性作用下继续移动，至G点停止。本发明公开了一种新的速度曲线V_CD和V_DE的算法，它具有定位控制精度高且达到目标位置的动作时间最短；本发明公开了自动获取控制参数DS₁、V_MIN和DS_OFF的方法；本发明还公开了对参数DS_OFF进行自适应控制的方法和定位控制的跟随控制功能。

Description

连续输出定位控制的方法

技术领域

本发明涉及一种具有连续输出能力设备的定位控制方法，尤其适用于冶金工厂的应用。

背景技术

在冶金工厂中广泛存在设备的定位控制要求。如入口钢卷小车的钢卷高度升高至开卷机中心高度的控制，钢卷插入开卷机时的宽度定位控制等。这里用来进行定位控制的执行机构为连续可调的比例阀或调速电机，它们在二个移动方向上都可无级连续调节。连续输出定位控制过程如图1所示，开始时设备处于A点，要求设备定位至目标位置O点。一开始设备以最高允许的加速度A_MAX升至最高允许速度V_MAX，然后快速关闭，至C点时，速度开始减小并取V_CD，至D点时位置偏差距离值为DS₁，速度继续减小并取V_DE，至E点时切换成最小速度值V_MIN，至F点时，此时位置偏差距离值为DS_OFF，切断速度输出，设备在惯性作用下继续移动，至G点停止移动。其中DS_OK是由工艺确定的定位控制精度。从图中可知，为了使设备尽量定位在O点，在切断速度输出时的位置偏差距离值DS_OFF应与设备惯性的移动距离相一致。从图中也可知，在8个参数中，3个控制参数A_MAX、V_MAX和DS_OK是由设备和工艺控制要求所决定的固定值，其它5个参数V_MIN、V_CD、V_DE、DS₁和DS_OFF的选择决定了本定位控制的精度和定位控制完成所需的时间。

在冶金工厂中，对于这些具有无级连续调节输出的定位控制功能，其控制精度取决于这5个控制参数的正确选择，而控制参数却取决于设备的机械常数和控制特性，如磨擦阻力，总的惯量等，很难从理论上推导出来。由于在传统的定位控制中没有控制参数自动识别功能，所以在现场调试时为了获得设备机械相关的这些参数，要由有丰富工程经验的技术人员进行调试，通过使用控制参数尝试的办法，经大量试运转，花费大量的时间后，才能摸索到较正确的控制参数。其调试效果的好坏取决于调试人员的经验和对被控对象的熟悉程度。

另外，由于没有自适应控制功能，当设备参数变化时，如磨擦阻力或惯量变化时，不能随之调整控制参数，不能使系统一直处于最佳控制状态。

还有当机械存在泄漏等导致位置漂移时，则一旦其位置偏差超过允许值时，会导致最终定位功能的失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种连续输出定位控制的方法，能提高定位控制精度和减少总的定位所需时间，并具有控制参数自动识别的功能、定位控制的自适应功能及定位控制跟随功能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种连续输出定位控制的方法，包括如下步骤：一开始设备以允许的最大加速度A_MAX升至最高允许速度V_MAX，然后快速关闭，至C点时，提供一种新的速度算法，计算速度值： $V_{\mathrm{CD}}=\sqrt{2*A\max *(\mathrm{DS}-{\mathrm{DS}}_1/2)}.$ 设备以V_CD继续减速，至D点时，位置偏差距离值为DS₁时，计算速度值： $V_{\mathrm{DE}}=\mathrm{DS}/\sqrt{({\mathrm{DS}}_1/A\max )}.$ 设备以V_DE继续减速，至E点时切换成最小速度V_MIN，至F点时，此时位置偏差距离值为DS_OFF，切断速度输出，设备在惯性作用下继续移动，至G点停止移动。新的速度曲线的算法具有定位控制精度高且达到目标位置的动作时间最短。

本发明还提供了自动识别参数V_MIN、DS₁和DS_OFF的方法，包括如下步骤：在参数识别时的定位行运中，这3个参数的初始值选择为：V_MIN＝0.05*V_MAX、DS_OFF＝DS_OK、DS₁＝1.5*DS_OK。在定位行运中需要测量设备以最小速度V_MIN行运的累计时间T，即图1中曲线EF的行运时间。根据T值再最终确定DS₁的值，如果T＞1.5秒，则DS₁＝0.8*DS₁；如果T＜0.5秒，则DS₁＝1.2*DS₁；如果0.5秒≤T≤1.5秒，则可结束识别工作，否则继续前述识别DS₁工作。另外在参数识别时的定位行运中，当速度输出被切断时(离目标位置的剩余距离DS＜DS_OFF)，还要求同时开始测量设备在惯性作用下至停止时的移动距离S_OFF，即如图1中FG二点间设备移动的距离S_OFF。根据S_OFF值再最终确定V_MIN和DS_OFF的值，如果S_OFF＞DS_OK时，则V_MIN＝0.7*V_MIN；DS_OFF＝S_OFF；如果S_OFF≤DS_OK时，则可结束识别工作，否则继续前述识别V_MIN和DS_OFF的工作。

本发明还提供了进行参数DS_OFF自适应控制的方法，包括如下步骤：在定位控制时，当速度输出被切断时(离目标位置的剩余距离DS＜DS_OFF)，要求同时开始测量设备在惯性作用下至停止时的移动距离S_OFF，即如图1中FG二点间设备移动的距离S_OFF。然后计算前3次S_OFF值和本次S_OFF值在内的4次测量值的算术平均值AVE_S_OFF，最终的切断速度输出值的自适应结果为DS_OFF＝0.4*DS_OFF+0.6*AVE_S_OFF。

本发明还提供了定位控制跟随的方法，包括如下步骤：在定位控制成功完成后，设备最终停止的位置G点离开目标位置O点的偏差应该小于允许偏差值DS_OK，但由于液压缸的泄漏等会导致设备位置发生漂移，从而使定位偏差值会超过允许偏差值DS_OK。这时定位跟随控制功能会时刻监视设备的实际位置偏差，一旦发现超过允许偏差值DS_OK范围时，则会自动再次启动定位功能，将设备移动至要求的最终目标位置。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.在设备定位控制时，新的速度曲线的算法使定位控制精度高且要达到目标位置的动作时间最短。2.因为本发明的定位控制能具有自动识别控制参数功能，所以在现场调试时将不依赖技术人员的工程经验，都能快速达到理想的定位精度，大大提高了调试效率，其控制效果好坏不再取决于调试人员的经验和对被控对象的熟悉程度。3.由于有自适应控制功能，随着设备的运行，能根据实际设备工作状态，自动调整控制参数，从而达到最佳位置控制精度。如磨擦阻力或惯量变化时，能同时改变控制参数，使系统一直处于最佳控制状态。4.具有定位控制跟随功能，即在定位控制完成后，例如由于液压缸的泄漏，导致高度下降，定位偏差超过允许值范围。这时定位跟随控制功能会自动再次启动定位功能，将钢卷升高至目标要求的高度值。

附图说明

图1是本发明连续输出定位控制过程的示意图；

图2是本发明的输入和输出信号的极性定义示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种连续输出定位控制的方法，它要求定位控制的执行机构具有无级连续調节的输出，如调速电机或比例阀，同时还要求配有设备实际位置的检测装置。为了在控制时确定设备的“开、闭”移动方向，必须对实际位置的检测装置的极性进行定义，其要求如图2所示，即当设备在“开”方向移动时，检测到的位置实际值要求变大。在“闭”方向移动时，检测到的位置实际值要求变小。

1.一种新的速度曲线的算法

在图1中当设备从A点加速至B点后，对BO段上的速度来说，理论上控制时间最短和控制精度最高的应为抛物线速度曲线V，它能充分利用设备允许的加速度值，速度值将随着离开目标位置的偏差减少而相应减少，其值为：

$V=\sqrt{(2*A\max *\mathrm{DS})}$

其中：Amax为设备允许的最大加速度，DS为设备离开目标位置的偏差值。

当设备按此速度运转时，随着设备越来越靠近目标位置，其移动的速度取值越来越小，当设备到达目标位置时，即位置偏差DS等于零时，设备的移动速度也恰好等于零。这是理想的定位控制，由于它充分使用了设备的减速能力Amax，故定位所用的时间最短，且由于位置偏差DS等于零，故定位控制精度也是最高。

虽然理论上设备速度是能无级连续可调的，但实际设备达不到这样的要求。一方面设备的最高允许速度受机械的限制，故在高速时要设置最大值限幅。另一方面在速度非常接近零值时，设备也是不能正常调速的。因为在极低速时设备输出的力矩不够，不能克服设备的磨擦阻力等原因，设备会出现堵转现象，故也必须设定最小速度允许值。为了兼顾快速性、平稳性和精确性定位，如图1中所示，本发明的速度曲线BF段是由BC段、CD段、DE段和EF段组成。

(1.1)BC段为被最高速度限幅的恒速度曲线：当下述(1.2)中计算的速度V≥V_MAX时，V＝V_MAX

(1.2)CD段为抛物线速度曲线： $V_{\mathrm{CD}}=\sqrt{2*A\max *(\mathrm{DS}-{\mathrm{DS}}_1/2)}$

(1.3)DE段为线性速度曲线：当位置偏差剩余距离DS＜DS₁时， $V_{\mathrm{DE}}=\mathrm{DS}/\sqrt{({\mathrm{DS}}_1/A\max )}$

(1.4)EF段为被最小速度限幅的恒速度曲线：当上述(1.3)中计算的速度V＜V_MIN时，V＝V_MIN

在图1中，CD段速度曲线简称为开方速度V_CD，DE段速度曲线简称为线性速度V_DE。当位置偏差剩余距离DS＝DS₁时， $V_{\mathrm{CD}}=V_{\mathrm{DE}}=\sqrt{A\max *{\mathrm{DS}}_1}.$

至此，给出了图1中从A点至G点各阶段控制速度的计算方法。

2.自动识别控制参数功能

在定位控制时涉及的参数共有8个，其中A_MAX、V_MAX和DS_OK是由设备和工艺控制要求所决定的固定值，其它5个参数V_MIN、V_CD、V_DE、DS₁和DS_OFF的选择决定了本定位控制的精度和控制所需的时间。经仔细分析，在这5个参数中只有3个参数V_MIN、DS₁和DS_OFF是需要识别的，而V_CD和V_DE是可按上述(1.2)和(1.3)中公式进行计算的，即：

$V_{\mathrm{CD}}=\sqrt{2*A\max *(\mathrm{DS}-{\mathrm{DS}}_1/2)}$

$V_{\mathrm{DE}}=\mathrm{DS}/\sqrt{({\mathrm{DS}}_1/A\max )}$

在上式中：Amax是由设备确定的最大允许加速度，无需识别。DS是设备离开目标位置的偏差值，为计算值。DS₁是开方速度与线性速度之间切换时的位置偏差值，需识别。

为了识别这3个参数，必须进行实际的定位控制试行运。行运时这3个参数的初始值选择为：

最小速度：V_MIN＝0.05*V_MAX，其中V_MAX是由工艺设备确定的最大允许速度值。

速度输出切断值：DS_OFF＝DS_OK，其中DS_OK是允许偏差值，是工艺确定的定位精度要求。

开方速度与线性速度之间切换时的位置偏差值：DS₁＝1.5*DS_OK，，其中DS_OK是工艺确定的定位精度要求值。

在参数识别时的定位行运中，需要测量设备以最小速度V_MIN行运的累计时间T，即图1中曲线EF的行运时间。根据T值再最终确定DS₁的值：

●如果T＞1.5秒，则DS₁＝0.8*DS₁

●如果T＜0.5秒，则DS₁＝1.2*DS₁

●如果0.5秒≤T≤1.5秒，则可结束识别工作，否则继续前述识别DS₁的工作。

另外在参数识别时的定位行运中，当速度输出被切断时(离目标位置的剩余距离DS＜DS_OFF)，还要求同时开始测量设备在惯性作用下至停止时的移动距离S_OFF，即如图1中FG二点间设备移动的距离S_OFF。根据S_OFF值再最终确定V_MIN和DS_OFF的值：

●如果S_OFF＞DS_OK时，则V_MIN＝0.7*V_MIN

●DS_OFF＝S_OFF

●如果S_OFF≤DS_OK时，则可结束识别工作，否则继续前述识别V_MIN和DS_OFF的工作。

至此，图1中3个控制用的参数值V_MIN、DS₁和DS_OFF全部识别完毕。

3.自适应控制功能

仅对图1中的参数DS_OFF进行自适应控制，步骤如下：

在定位控制时，当速度输出被切断时(离目标位置的剩余距离DS＜DS_OFF)，要求同时开始测量设备在惯性作用下至停止时的移动距离S_OFF，即如图1中FG二点间设备移动的距离S_OFF。然后计算前3次S_OFF值和本次S_OFF值在内的4次测量值的算术平均值AVE_S_OFF，最终的切断速度输出值的自适应结果为DS_OFF＝0.4*DS_OFF+0.6*AVE_S_OFF；至此，图1中参数DS_OFF的自适应工作完毕。

4.具有定位控制跟随功能

在定位控制成功完成后，设备最终停止的位置G点离开目标位置O点的偏差应该小于允许偏差值DS_OK，但由于液压缸的泄漏等会导致设备位置发生漂移，从而使定位偏差值会超过允许偏差值DS_OK。这时定位跟随控制功能会时刻监视设备的实际位置偏差，一旦发现超过允许偏差值DS_OK范围时，则会自动再次启动定位功能，将设备移动至要求的最终目标位置。

Claims (6)

1、一种连续输出定位控制的方法，包括如下步骤：一开始设备以允许的最大加速度A_MAX升至最大允许速度V_MAX，然后快速关闭，至C点时，速度开始减小并取V_CD，至D点时位置偏差距离值为DS₁，速度继续减小并取V_DE，至E点时切换成最小速度V_MIN，至F点时，此时位置偏差距离值为DS_OFF，切断速度输出，设备在惯性作用下继续移动，至G点停止移动，其特征在于：采用一种速度曲线V_CD、V_DE的算法，按如下公式计算参数：

$V_{\mathrm{CD}}=\sqrt{2*A\max *(\mathrm{DS}-{\mathrm{DS}}_1/2)}$

$V_{\mathrm{DE}}=\mathrm{DS}/\sqrt{({\mathrm{DS}}_1/A\max )}$

在上式中，Amax是由设备确定的最大允许加速度；DS是设备离开目标位置的偏差值；DS₁是开方速度V_CD与线性速度V_DE之间切换时的位置偏差值。

2、如权利要求1所述的连续输出定位控制的方法，其特征在于：该方法还包括对参数V_MIN、DS₁和DS_OFF进行自动识别，其步骤如下：首先，将参数V_MIN、DS₁和DS_OFF的初始值选择为：V_MIN＝0.05*V_MAX；DS_OFF＝DS_OK；DS₁＝1.5*DS_OK；其中DS_OK是由工艺确定的定位精度要求值，V_MAX为工艺确定的最大允许速度值；然后，通过测量设备以V_MIN行运的累计时间T来识别DS₁值，通过测量设备在惯性作用下至停止时的移动距离S_OFF来确定V_MIN和DS_OFF值。

3、如权利要求2所述的连续输出定位控制的方法，其特征在于：所述的通过测量设备以V_MIN行运的累计时间T来识别DS₁值，具体为：在参数识别时的定位行运中，需要测量设备以最小速度V_MIN行运的累计时间T，根据T值再最终确定DS₁的值：如果T＞1.5秒，则DS₁＝0.8*DS₁；如果T＜0.5秒，则DS₁＝1.2*DS₁；如果0.5秒≤T≤1.5秒，则可结束识别工作，否则继续上述识别DS₁的工作。

4、如权利要求2所述的连续输出定位控制的方法，其特征在于：所述的通过测量设备在惯性作用下至停止时的移动距离S_OFF来确定V_MIN和DS_OFF值，具体为：当DS＜DS_OFF，还要求同时开始测量设备在惯性作用下至停止时的移动距离S_OFF，即FG二点间设备移动的距离S_OFF，根据S_OFF值再最终确定V_MIN和DS_OFF的值：如果S_OFF＞DS_OK时，则V_MIN＝0.7*V_MIN；DS_OFF＝S_OFF；如果S_OFF≤DS_OK时，则可结束识别工作，否则继续前述识别V_MIN和DS_OFF的工作。

5、如权利要求1所述的连续输出定位控制的方法，其特征在于：该方法还包括对参数DS_OFF进行自适应控制，其步骤如下：在定位控制时，当离目标位置的剩余距离DS＜DS_OFF时，速度输出被切断，这时要求同时开始测量设备在惯性作用下至停止时的移动距离S_OFF，然后计算前3次S_OFF值和本次S_OFF值在内的4次测量值的算术平均值AVE_S_OFF，最终的切断速度输出值的自适应结果为DS_OFF＝0.4*DS_OFF+0.6*AVE_S_OFF。

6、如权利要求1所述的连续输出定位控制的方法，其特征在于：该方法还包括定位控制跟随控制，其步骤为：在定位控制成功完成后，如果设备最终停止的位置G点离开目标位置的偏差超过允许偏差值DS_OK值时，则会自动再次启动定位控制步骤，将设备移动至要求的最终目标位置。

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