CN101650563A - 一种关联数据流的自适应控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关联数据流的自适应控制方法与系统。本发明将轴的位置误差与轴的时滞误差解耦分离，每个轴的进给伺服系统处理该轴的位置误差，采用时滞补偿校正轴的时滞误差，使关联数据流的状态流同步到达终点，实现多轴同步的自适应控制。本发明不关注强扰动、强耦合、多变量等复杂非线性因素所产生的机理与过程，而是关注这些复杂非线性因素所产生的综合效应即动态时滞，所提出的自适应控制方法是开放的。

Description

一种关联数据流的自适应控制方法及系统

技术领域

本发明属先进控制领域。计算机数字控制技术以高精度伺服运动控制和多轴同步控制为主要特征，是数控设备、火炮、雷达以及陀螺导航等技术领域的基础性控制技术。本发明涉及多轴同步的自适应控制，针对被控对象的不确定性及其动态特性的变化，提出一种关联数据流的自适应控制方法与系统。

背景技术

所谓数字化就是将模拟量离散为“0”与“1”的数据流。所谓数字设备就是对输入数据流进行数字处理以产生所需要的结果。因而，从数据流的观点来看，任何数字设备都是数据流的合成装置。数字电视将视频与音频的多维数据流合成为图像与声音协调一致的画面，数控机床将X、Y、Z轴的多维数据流合成为运动轨迹，等等。对于多维数据流，在每个时序点上，如果数据流之间的“0”“1”信息是相互依存的，这种耦合关系称之为时序关联性，其“0”“1”分布则称之为该多维数据流在该时序点的状态。相互之间具有时序关联性的多维数据流称之为关联数据流。上述视频与音频的多维数据流和X、Y、Z轴的多维数据流都是关联数据流。

从关联数据流的观点来看，所谓关联数据流的实时控制，例如X、Y、…、Z轴的多轴联动就是X、Y、…、Z多维关联数据流同时到达终点，即X、Y、…、Z多维关联数据流的终点同步问题；高品质电视也涉及视频与音频的关联数据流的终点同步问题。

计算机数字控制技术以高精度伺服运动控制和多轴同步控制为主要特征，是数控设备、火炮、雷达以及陀螺导航等技术领域的基础性控制技术。文献《高性能运动控制在数控系统中的应用综述》(载《信息与控制》，2003年第3期，中国自动化学会和中国科学院沈阳自动化研究所联合主办，作者：王军平，王安，敬忠良，陈全世)、《多轴协调运动中的交叉耦合控制》(载《机械设计与制造》，2006年第10期，辽宁省机械研究院主办，机械设计与制造杂志社出版，作者：丛爽，刘宜)综述了多轴同步技术的现状。

在扰动、非线性、系统模型和参数不确定性的情况下设计高性能的伺服控制系统是高速高精度运动控制面临的主要技术挑战。时滞是工业过程中固有的特性，是物理系统中的最难控制的动态环节。现有进给伺服系统作为一个PID控制系统，其结构本身及其算法设计均依赖控制对象。机械系统的非线性外部扰动、摩擦力、轴的负载变化、轴的增益与时间常数不匹配等环境不确定性，系统模型的参数与结构的模型不确定性、进给速度与轮廓曲率变化的时变特性都影响时滞，从而改变轴的动态性能，产生轮廓误差。而现有数字控制技术采用交叉耦合控制处理多轴同步问题，其技术手段都是采用建立系统模型与控制算法对轮廓运动的位置误差进行实时补偿，使多轴同时到达终点。交叉耦合指的是两轴之间的交叉耦合，一旦轴数增加，交叉耦合的组合数以指数递增。因而，交叉耦合控制在处理两轴以上的多轴同步问题时，必然面临“组合爆炸”。现有数字控制技术的另一个技术难点在于，进给速度与轮廓曲率变化的时变特性难于和传递函数结合在一起进行分析，由此产生了速度规划问题。许多研究工作试图采用自适应控制(Adaptive control)来处理多轴同步问题。然而，由于PID控制系统完全依赖于精确的数学模型，对不确定模型无能为力，传统的自适应控制在实际应用中遇到了很大的困难。因此，突破传统控制思想的约束，面向实际工业过程的特点研究发展各种对模型要求低、在线计算简单方便、实时性好、控制效果佳的自适应控制技术，成为新的技术方向。

摩擦力、轴的负载变化(在数控机床中主要是切削力的变化所导致的轴的负载变化)是影响多轴同步的主要因素。在现有数字控制系统中，要求每个轴的数据流以给定的速度在同一时刻开始运动，即起始时刻必须同步，同时将速度的变化视为影响轮廓精度的间接原因。从关联数据流的观点来看，多轴不同步产生位置误差的直接原因是，每个轴的动态时滞不同导致多维关联数据流的终点不同步，从而产生位置误差。数据流关联控制抓住时滞是导致多轴不同步的直接原因，不关注影响多轴同步的那些非线性因素的内部机理与实际过程，而只关注这些非线性因素最终所产生的综合效应即动态时滞的大小。因而，从关联数据流的观点来看，关联数据流的终点同步问题实质上是一个关联数据流的自适应控制问题，或者说，数据流关联控制采用时滞补偿，将多轴同步的自适应控制转化为关联数据流的终点同步控制。

对于数字控制而言，时间控制本来是最简单的。在现有数字控制系统中，时滞补偿却不能使用最简单的时间控制，导致这一悖论的原因是，在现有数字控制系统中时间被锁定为系统时钟。现有数字控制系统采用时间分割法(又称数字增量法)进行插补迭代控制，插补是其最重要的实时任务。公式

e_r＝(TF)²/(8r)

描述了逼近误差e_r与进给速度F和插补周期T、圆弧半径r之间的关系。该公式指出，逼近误差e_r与进给速度F和插补周期T的平方成正比。插补速度和插补精度成为现有数字控制系统最重要的技术指标，因而，提高插补速度是现有数字控制系统的首要目标。该公式说明，实时操作系统的插补周期作为系统时钟，“大权独揽，小权不放”，一竿子插到底，设计、施工全包，而且是“边设计，边施工”。这样一来，时间被插补周期锁定，不是一个可控的外部变量，而是一个系统参数，现有数字控制系统因而成为一个强实时的高度刚性的非开放式系统，不能使用最简单的时间控制，不可能提出关联数据流的终点同步问题，不可能进行时滞补偿，并产生了速度规划问题。这是现有数字控制技术在实现自适应控制方面遇到很大困难的根本原因。

发明内容

本发明针对轴的负载变化、摩擦力变化产生的强扰动、强耦合、不确定性等非线性特性提出一种对关联数据流实时进行终点同步的自适应控制方法与系统。本发明的思路是，关联数据流通过闭环进给伺服系统或半闭环进给伺服系统(为叙述简便，统而言之简称进给伺服系统)的加工后传输给轴。将轴与控制轴的进给伺服系统看作一个整体并视为信道，称之为轴的控制信道。控制信息在控制信道中进行加工与传输必然要产生延迟，控制信道的时滞是引起位置误差的主要原因，随着高速加工时进给速度的提高而更加严重。数据流关联控制将控制信道视为一个真正的“黑箱”，所需要的全部信息都包含在控制信道的输入数据流与输出数据流之中，不需要进给伺服系统内部任何有关加工过程的提示信息。数据流关联控制还将控制信道的时滞视为控制信道所固有的特征值，进而归结为轴的一个精细结构常数，称之为轴的静态时滞，并存储在轴的结构常数数据库中。显然，轴的负载变化、摩擦力变化、进给伺服系统内加工过程的变化以及非线性外部扰动等因素都影响控制信道的时滞。换言之，在轴的运动过程中，控制信道的时滞是可变的，成为动态时滞。数据流关联控制不关注上述强扰动、强耦合、多变量等复杂非线性因素所产生的机理与过程，而是关注这些复杂非线性因素所产生的综合效应即动态时滞，通过对动态时滞的检测与处理解决关联数据流在复杂非线性环境中的终点同步问题，实现在复杂非线性环境中的自适应控制。

本发明将轴的位置误差与轴的时滞误差解耦分离，也就是将多轴轮廓运动的位置误差解耦为每个轴的位置误差与每个轴的控制信道的时滞误差。每个轴的进给伺服系统处理该轴的位置误差。每个轴的进给伺服系统接收该轴的输入数据流，通过反馈又接收该轴的输出数据流到达终点时的位置信息与时间信息，从而获得轴的控制信道的静态时滞。当轴的负载发生变化、摩擦力发生变化、进给伺服系统内加工过程发生变化时、以及出现其他非线性外部扰动，轴的控制信道的时滞也随之而变。进给伺服系统在每个采样周期的后期计算动态时滞并传送给可编程数据流控制器。根据每个轴的控制信道的动态时滞，可编程数据流控制器进行时滞补偿，即校正发送每个数据流的起始时刻。因而，在每个轴的控制信道中，每个数据流开始运动的起始时刻是不同的。本发明根据每个轴的控制信道的动态时滞，调整每个数据流在其控制信道中开始运动的起始时刻以适应动态时滞的变化，从而使多维关联数据流的状态流同步到达终点，校正了多轴不同步所产生的位置误差，故称之为终点同步。

在可编程数据流控制器中设置一个动态时滞数据库，用于存储每个控制信道的动态时滞。因而，根据每个轴的控制信道的当前动态时滞的前N个(N＞1)动态时滞，对时滞补偿进行校正，可以对每个轴的控制信道的动态时滞进行前馈控制(Feed forward Control)。

本发明以时间作为基本变量，称之为增量步进法。增量步进可视为脉冲步进之推广，只是在每次操作中，发送的进给量可能不是一个进给当量，而是若干个进给当量。显然，数据流的发送速度决定了进给速度。增量步进法调整数据流的发送速度以控制进给速度，调整发送数据流的起始时刻以控制动态时滞。

因此，本发明提出一种关联数据流的自适应控制方法及其系统，并通过以下技术方案予以实现。

这种关联数据流的自适应控制方法包括以下步骤：1)控制信息制造系统接收用户程序，构建多轴关联数据流和静态时滞数据流，并传输给可编程数据流控制器；2)可编程数据流控制器按照静态时滞数据流设定的起始时刻将多轴关联数据流发送给每个进给伺服系统；3)进给伺服系统接收并执行多轴关联数据流，将每个轴的动态时滞反馈给可编程数据流控制器；4)可编程数据流控制器接收每个轴的动态时滞，构建动态时滞数据流，并按照动态时滞数据流设定的新的起始时刻将多轴数据流发送给每个进给伺服系统；并重复步骤3)直至多轴关联数据流发送完毕。

作为一种优化方案，上述关联数据流的自适应控制方法中的步骤1)包括以下步骤：1-1)所述控制信息制造系统接收用户程序，构建多轴关联数据流；1-2)所述控制信息制造系统进行速度规划，根据用户程序中的速度方程和多轴关联数据流计算出时间参数数据流，并加入到所述多轴关联数据流中，形成多轴多参数关联数据流分布矩阵；1-3)所述控制信息制造系统从结构常数数据库中取出每个轴的静态时滞，计算出静态时滞数据流，并加入到所述多轴多参数关联数据流分布矩阵；1-4)所述控制信息制造系统对所述多轴多参数关联数据流分布矩阵进行格式化，生成DCFS文件，并将所述DCFS文件传输给所述可编程数据流控制器。

所述步骤2)包括以下步骤：2-1)所述可编程数据流控制器接收所述DCFS文件后，将其中的所述时间参数数据流写入速度定时器，将其中的所述静态时滞数据流写入启动定时器，将所述多轴关联数据流写入数据流驱动器；2-2)所述可编程数据流控制器打开启动定时器，以启动定时器写入的起始时刻，以速度定时器写入的操作速度，通过接口电路，将所述多轴关联数据流发送给每个进给伺服系统。

所述步骤3)中，执行机构接收并执行多轴关联数据流后，在每个采样周期的后期，每个进给伺服系统计算该控制信道的动态时滞值并反馈给所述可编程数据流控制器。

所述步骤4)包括以下步骤：4-1)所述可编程数据流控制器接收每个控制信道的动态时滞，并计算出动态时滞数据流，将所述动态时滞数据流写入启动定时器；4-2)所述可编程数据流控制器打开启动定时器，以启动定时器写入的起始时刻，以速度定时器写入的操作速度，通过接口电路，将所述多轴关联数据流发送给每个轴的进给伺服系统；4-3)重复步骤3)直至所述多轴关联数据流发送完毕。

所述步骤1-3)中，所述控制信息制造系统计算静态时滞数据流通过以下步骤实现：以静态时滞最大的轴为基准，计算基准轴的静态时滞与其他轴的静态时滞之差，将基准轴的静态时滞置0，其他轴的静态时滞设为相应的差值。

步骤4-1)中，所述可编程数据流控制器计算动态时滞数据流通过以下步骤实现：所述可编程数据流控制器接收每个控制信道的动态时滞信息，以动态时滞最大的控制信道为基准，计算其他控制信道的动态时滞与基准控制信道的动态时滞之差，差值小于Δ_t时无须时滞补偿，差值大于或等于Δ_t时，则将相应轴的动态时滞记为该差值，同时将基准轴的动态时滞记为0。

所述可编程数据流控制器将每个控制信道的动态时滞存储在动态时滞数据库中；所述步骤4-1)中，所述可编程数据流控制器在计算基准控制信道的动态时滞与其他控制信道的动态时滞之差时，从所述动态时滞数据库中取出其他控制信道的当前动态时滞的前N个(N＞1)动态时滞，并根据前N个动态时滞的变化对差值进行校正，并将校正后的动态时滞差值写入启动定时器。

或者，一种关联数据流的自适应控制方法，包括以下步骤：1)所述控制信息制造系统接收用户程序，构建多轴关联数据流和静态时滞数据流，并传输给所述可编程数据流控制器；2)所述可编程数据流控制器将所述多轴关联数据流和所述静态时滞数据流发送给每个进给伺服系统；3)每个进给伺服系统将所述静态时滞数据流写入其内部的启动定时器，按照启动定时器设定的起始时刻执行相应的数据流，并在每个采样周期的后期实时检测每个控制信道的动态时滞并反馈给所述可编程数据流控制器；4)所述可编程数据流控制器将每个控制信道的动态时滞写入动态时滞数据库，在计算基准控制信道的动态时滞与其他控制信道的动态时滞之差时，从所述动态时滞数据库中取出其他控制信道的当前动态时滞的前N个(N＞1)动态时滞，并根据前N个动态时滞的变化对所述差值进行校正，计算出动态时滞数据流，将所述动态时滞数据流发送给每个进给伺服系统，每个进给伺服系统将新的动态时滞写入其内部启动定时器，按照启动定时器设定的新的起始时刻执行数据流直至所述多轴关联数据流执行完毕。

一种关联数据流的自适应控制系统，包括控制信息制造系统、与控制信息制造系统连接的可编程数据流控制器、与可编程数据流控制器连接的进给伺服系统，所述控制信息制造系统用于接收用户程序，并离线生成DCFS文件，所述可编程数据流控制器用于接收所述DCFS文件，并将所述DCFS文件中的多轴关联数据流发送给进给伺服系统执行，其特征在于：所述控制信息制造系统设有存储静态时滞的结构常数数据库；所述可编程数据流控制器设有动态时滞数据库，所述可编程数据流控制器还设有写入静态时滞或动态时滞的启动定时器；所述可编程数据流控制器通过启动定时器的写入值控制发送多轴关联数据流的起始时刻。

本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：

1、对于数字控制而言，时间控制本来是最简单的。在现有数字控制系统中，时滞补偿却不能使用最简单的时间控制，导致这一悖论的原因是，在现有数字控制系统中，时间被锁定为系统时钟。本发明采用时滞补偿，将多轴同步的自适应控制转化为关联数据流的终点同步控制。本发明将强耦合的多轴运动的位置误差解耦为轴的位置误差与轴的控制信道的时滞误差。每个轴的进给伺服系统处理轴的位置误差。根据每个轴的控制信道的时滞，可编程数据流控制器可实时修正启动定时器的时间常数，进行所谓时滞补偿。可编程数据流控制器实时检测每个轴的控制信道的时滞，实时校正发送每个数据流的起始时刻，解决多维关联数据流的状态流的终点同步问题，实现了多轴同步的自适应控制。特别是，本发明在处理两轴以上的多轴同步问题时，避免了“组合爆炸”，显著简化了速度规划，是一种在线计算简单、强实时的、与系统模型无关的自适应控制方法。

2、本发明在可编程数据流控制器中设置一个动态时滞数据库，用于存储每个轴的控制信道的动态时滞。根据每个轴的控制信道的当前动态时滞的前N个(N＞1)动态时滞的变化状况，可以预先估计当前动态时滞的变化并对时滞补偿进行校正，从而实现了时滞补偿的前馈控制。

3、本发明不关注强扰动、强耦合、多变量等复杂非线性因素所产生的机理与过程，而是关注这些复杂非线性因素所产生的综合效应即动态时滞。本发明不必建立复杂的高度专业化的系统模型与控制算法，从而是一种开放的自适应控制方法。

附图说明

图1是本发明的体系结构示意图；

图2是本发明的可编程数据流控制器的功能模块图；

图3是本发明的自适应控制方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示的一种关联数据流的自适应控制方法的体系结构，包括控制信息制造系统01、通过现场总线02与控制信息制造系统01连接的可编程数据流控制器03、由开关系统07和送给进给伺服系统08构成的执行机构06。进给伺服系统08包括多组智能驱动器及其驱动的伺服电机。可编程数据流控制器03通过通常的I/O接口05与开关系统07连接，通过可编程I/O接口04与智能驱动器连接。

所述控制信息制造系统01的硬件平台为通常的PC机，软件平台为图形界面操作系统；所述控制信息制造系统还包括一个结构常数数据库；所述结构常数数据库中存储每个轴的静态时滞。

所述编程数据流控制器03采用本申请人的在先专利申请《一种可重构I/O芯片》(中国专利申请号：200920129919.5，申请日：2009年2月18日)中提出的可重构I/O芯片，将本申请人的在先专利申请《计算机数字控制系统数据流关联控制方法与体系结构》，(申请号：200710124304.9)中的数据流控制器改进为可编程数据流控制器；并在可编程数据流控制器中构建了一个动态时滞数据库，存储每个控制信道在N个采样周期中的动态时滞，其中，N＞1。

图2是本具体实施方式中采用可重构I/O芯片构建的可编程数据流控制器03的功能模块图。

可重构I/O芯片通过DMA控制器9与随机存储器8连接，在微处理器7的控制下与随机存储器8交换数据。

可编程数据流控制器包括微程序控制器1、与微程序控制器1连接的数据流缓存器3、与数据流缓存器3连接的数据流驱动器4、与微程序控制器1和数据流驱动器4连接的功能寄存器2、与微程序控制器1和数据流驱动器4连接的交叉开关5、与交叉开关5连接的I/O端口6。

数据流驱动器4有4个，每个包括16个独立的16位移位寄存器和一个16位输入/输出锁存器。数据流缓存器3为FIFO缓存器，相应地划分为4个区，每个区设置专用移位指令，构成4个软移位寄存器矩阵。在微控制器的1的控制下数据流驱动器4从FIFO缓存器3中读取数据流并通过交叉开关5发送给I/O端口6，或在微控制器的1的控制下数据流驱动器4从I/O端口6通过交叉开关接收数据。

功能寄存器2用于设定接口参数，包括以下寄存器：由比特率寄存器、比特数寄存器、启动定时器和速度定时器构成的移位操作控制器，循环寄存器，收发寄存器，状态寄存器，连接寄存器，编址寄存器。

各个功能寄存器2的功能如下：

16个比特率寄存器，设定相应的移位寄存器在每次数据传输操作中的比特率；

16个比特数寄存器，设定相应的移位寄存器在每次数据传输操作中数据传输的比特数，即数据流驱动器发送/接收的信息量，在脉冲方式下每次操作发送/接收1比特信息，在增量方式下每次操作发送或接收若干字节的信息；

16个启动定时器，设定相应的移位寄存器的数据传输操作的启动；

16个速度定时器，设定相应的移位寄存器的数据传输操作的速度；

16个循环寄存器，设定相应的移位寄存器的数据流的循环发送的次数；

1个收发寄存器，设定相应的移位寄存器的左移/右移，对应数据流的发送/接收；

1个状态寄存器，设定相应的移位寄存器的激活/休眠状态；

1个连接寄存器，设定FIFO缓存器与数据流驱动器的连接；

1个编址寄存器，设定数据流驱动器的编址模式。

上述功能寄存器2、FIFO缓存器3和数据流驱动器统一编址，所述数据流驱动器还可按列编址。

1个采用FPGA构建的交叉开关，设定数据流驱动器的输入和输出与I/O端口的连接。

微程序控制器1采用FPGA技术且固化了相关的微控制程序，包括软移位寄存器矩阵的8条专用移位指令和功能寄存器的I/O接口参数设置指令；所述微程序控制器运行微控制程序。

如图3所示，一种关联数据流的自适应控制方法包括下述步骤。

(1)用户程序形成之后，控制信息制造系统根据用户程序，离线完成多轴多参数联动规划，生成多轴多参数关联数据流分布矩阵。

这里以数控系统中常见的空间曲线为例说明。进给速度曲线为F＝h(x，y，z)，包括常量与加减速曲线。控制信息制造系统通过多轴多参数联动规划，将曲线离散为逼近折线∑Li，每条折线Li的终点坐标记为(Xi，Yi，Zi)；将进给速度F离散为(Fxi，Fyi，Fzi)。对于数字增量型的数据流，Xi、Yi、Zi为坐标值增量，对于脉冲增量型的数据流，Xi、Yi、Zi为脉冲当量。

(2)控制信息制造系统进行速度规划，将进给速度曲线F＝h(x，y，z)离散为：Txi＝Xi/Fxi，Tyi＝Yi/Fyi，Tzi＝Zi/Fzi，生成3轴3参数联动的6维关联数据流分布矩阵∑(Xi，Yi，Zi，Txi，Tyi，Tzi)。

(3)控制信息制造系统从结构常数数据库中取出每个轴的静态时滞(假设X轴的静态时滞最大，称之为基准轴)，计算Y轴的静态时滞与X轴的静态时滞之差Δ_y，Z轴的静态时滞与X轴的静态时滞之差Δ_z，将X轴的静态时滞置0，将Y轴、Z轴的静态时滞设为Δ_y、Δ_z，构造静态时滞数据流，生成3轴6参数的9维关联数据流分布矩阵∑(Xi，Yi，Zi，Txi，Tyi，Tzi，0，Δ_y，Δ_z)并将其格式化；

(4)控制信息制造系统生成I/O分配程序，将I/O分配程序编译成DCFS文件(数据控制流文件，Data Control Flow Interface Specification，简称DCFS文件)，并通过现场总线传输给可编程数据流控制器。DCFS文件中包括由伺服型运动指令构成的关联数据流、由开关型运动指令构成的控制流、系统参数与I/O接口参数。

控制信息制造系统生成I/O分配程序，将I/O分配程序编译成DCFS文件，包括以下步骤：

(4·1)生成系统参数表，将系统参数编辑为相应的状态指令；

(4·2)生成I/O接口参数，将I/O接口参数编辑为相应的状态指令；

(4·3)依照控制流，生成开关型运动指令；

(3·4)链接格式化9维关联数据流分布矩阵∑(Xi，Yi，Zi，Txi，Tyi，Tzi，0，Δ_y，Δ_z)，生成伺服型运动指令；

(4·5)生成DCFS文件。

(5)可编程数据流控制器运行DCFS文件中的I/O分配程序，执行状态指令，设定系统参数和I/O接口参数，将Txi，Tyi，Tzi写入X、Y、Z轴的速度定时器，将0，Δ_y，Δ_z写入X、Y、Z轴的启动定时器，将3维关联数据流∑(Xi，Yi，Zi)写入数据流驱动器。

(6)可编程数据流控制器将开关型运动指令实时分配发送给开关系统，将伺服型运动指令实时分配发送给进给伺服系统。可编程数据流控制器打开启动定时器，以启动定时器设定的起始时刻、以速度定时器设定的操作速度，通过接口电路，将3维关联数据流∑(Xi，Yi，Zi，)发送给进给伺服系统。

(7)执行机构执行运动指令。其中开关系统实现开关装置的逻辑控制并接收、执行控制流控制，进给伺服系统接收、执行3维关联数据流∑(Xi，Yi，Zi)，从而按方程F＝h(x，y，z)进行包括加减速在内的速度控制，实现X、Y、Z联动。

其中静态时滞补偿体现在步骤(5)、步骤(6)中，可编程数据流控制器在步骤(5)中将0、Δ_y、Δ_z写入X、Y、Z轴的启动定时器。这样在步骤(6)中，可编程数据流控制器开启启动定时器，以启动定时器设定的起始时刻、以速度定时器设定的操作速度发送3维关联数据流∑(Xi，Yi，Zi)，Yi和Zi的起始时刻将滞后Δ_y和Δ_z，从而实现X、Y、Z关联数据流的静态终点同步。

动态时滞补偿由可编程数据流控制器完成，采用下述步骤：

(8)在每个采样周期的后期，进给伺服系统计算动态时滞并传送给可编程数据流控制器。可编程数据流控制器实时接收来自进给伺服系统的动态时滞。设Δt为时滞的允许偏差，如果每个轴的时滞的变化均小于Δt，则视为正常无须时滞补偿。如果时滞的变化异常，大于或等于Δt，假设X轴控制信道的动态时滞最大，则计算Y轴控制信道与X轴控制信道的动态时滞之差Δy、Z轴控制信道的动态时滞与X轴控制信道的动态时滞之差Δz，并在步骤(5)中将0写入X轴的启动定时器，将Δy、Δz写入Y轴和Z轴的启动定时器。这样在步骤(6)中，可编程数据流控制器开启启动定时器，以启动定时器设定的起始时刻、以速度定时器设定的操作速度发送3维关联数据流∑(Xi，Yi，Zi)，Yi和Zi的起始时刻将滞后Δy、Δz，从而实现X、Y、Z关联数据流的动态终点同步。

为了实现前馈控制，可编程数据流控制器将接受到的每个控制信道的动态时滞存储在动态时滞数据库中；可编程数据流控制器在计算基准控制信道的动态时滞与其他控制信道的动态时滞之差时，从动态时滞数据库中取出其他控制信道的当前动态时滞的前N个动态时滞，根据当前动态时滞的前N个动态时滞的变化状况，预先估计当前动态时滞的变化并对差值进行校正，并将校正后的动态时滞差值写入启动定时器。

具体实施方式二

如具体实施方式一不同之处在于：启动定时器设置在进给伺服系统中，从而具体实施方式一中的步骤(5)到步骤(8)也有相应调整：可编程数据流控制器直接将多轴数据流和静态时滞数据流发送给相应的各个进给伺服系统；而通过每个进给伺服系统将各自的静态时滞数据写入其内部的启动定时器，并按照启动定时器设定的起始时刻执行相应的数据流，并在每个采样周期的后期实时检测每个控制信道的动态时滞并反馈给可编程数据流控制器；可编程数据流控制器将每个控制信道的动态时滞写入动态时滞数据库，在计算每个控制信道的动态时滞与基准控制信道的动态时滞之差时，从动态时滞数据库中取出每个控制信道的当前动态时滞的前N个(N＞1)动态时滞，并根据前N个动态时滞的变化对差值进行校正，计算出动态时滞数据流，将动态时滞数据流发送给每个进给伺服系统，每个进给伺服系统将新的动态时滞写入其内部启动定时器，按照启动定时器设定的新的起始时刻执行数据流直至多轴数据流执行完毕。

在上述具体实施方式中，以数控设备为例，详细说明了对关联数据流实时进行终点同步的自适应控制方法与系统。本发明完全适用于一般的装有嵌入式系统的数字处理设备。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种关联数据流的自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)控制信息制造系统接收用户程序，构建多轴关联数据流和静态时滞数据流，并传输给可编程数据流控制器；

2)可编程数据流控制器按照静态时滞数据流设定的起始时刻将多轴数据流发送给每个进给伺服系统；

3)进给伺服系统接收并执行多轴关联数据流，将每个轴的动态时滞反馈给可编程数据流控制器；

4)可编程数据流控制器接收每个轴的动态时滞，构建动态时滞数据流，并按照动态时滞数据流设定的新的起始时刻将多轴数据流发送给每个进给伺服系统；并重复步骤3)直至多轴关联数据流发送完毕。

2.如权利要求1所述的关联数据流的自适应控制方法，其特征在于，其中的步骤1)包括以下步骤：

1-1)所述控制信息制造系统接收用户程序，构建多轴关联数据流；

1-2)所述控制信息制造系统进行速度规划，根据用户程序中的速度方程和所述多轴关联数据流计算出时间参数数据流，并加入到所述多轴关联数据流中，形成多轴多参数关联数据流分布矩阵；

1-3)所述控制信息制造系统从结构常数数据库中取出每个轴的静态时滞，计算出静态时滞数据流，并加入到所述多轴多参数关联数据流分布矩阵；

1-4)所述控制信息制造系统对所述多轴多参数关联数据流分布矩阵进行格式化，生成DCFS文件，并将所述DCFS文件传输给所述可编程数据流控制器。

3.如权利要求2所述的关联数据流的自适应控制方法，其特征在于，其中的步骤2)包括以下步骤：

2-1)所述可编程数据流控制器接收所述DCFS文件后，将其中的所述时间参数数据流写入速度定时器，将其中的所述静态时滞数据流写入启动定时器，将所述多轴关联数据流写入数据流驱动器；

2-2)所述可编程数据流控制器打开启动定时器，以启动定时器写入的起始时刻，以速度定时器写入的操作速度，通过接口电路，将所述多轴关联数据流发送给每个进给伺服系统。

4.如权利要求3所述的关联数据流的自适应控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，执行机构接收并执行所述多轴数据流后，在每个采样周期的后期，每个进给伺服系统计算该控制信道的动态时滞值并反馈给所述可编程数据流控制器。

5.如权利要求4所述的关联数据流的自适应控制方法，其特征在于所述步骤4)包括以下步骤：

4-1)所述可编程数据流控制器接收每个控制信道的动态时滞，并计算出动态时滞数据流，将所述动态时滞数据流写入启动定时器；

4-2)所述可编程数据流控制器打开启动定时器，以启动定时器写入的起始时刻，以速度定时器写入的操作速度，通过接口电路，将所述多轴关联数据流发送给每个轴的进给伺服系统；

4-3)重复步骤3)直至所述多轴关联数据流发送完毕。

6.如权利要求5所述的关联数据流的自适应控制方法，其特征在于：所述步骤1-3)中，所述控制信息制造系统计算所述静态时滞数据流通过以下步骤实现：以静态时滞最大的轴为基准，计算基准轴的静态时滞与其他轴的静态时滞之差，将基准轴的静态时滞置0，其他轴的静态时滞设为相应的差值。

7.如权利要求5所述的关联数据流的自适应控制方法，其特征在于：步骤4-1)中，所述可编程数据流控制器计算所述动态时滞数据流通过以下步骤实现：所述可编程数据流控制器接收每个控制信道的动态时滞信息，以动态时滞最大的控制信道为基准，计算其他控制信道的动态时滞与基准控制信道的动态时滞之差，差值小于Δ_t时无须时滞补偿，差值大于或等于Δ_t时，则将相应轴的动态时滞记为该差值，同时将基准轴的动态时滞记为0。

8.如权利要求7所述的关联数据流的自适应控制方法，其特征还在于，所述可编程数据流控制器将每个控制信道的动态时滞存储在动态时滞数据库中；所述步骤4-1)中，所述可编程数据流控制器在计算基准控制信道的动态时滞与其他控制信道的动态时滞之差时，从所述动态时滞数据库中取出其他控制信道的当前动态时滞的前N个(N＞1)动态时滞，并根据前N个动态时滞的变化对差值进行校正，并将校正后的动态时滞差值写入启动定时器。

9.一种关联数据流的自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)所述控制信息制造系统接收用户程序，构建多轴关联数据流和静态时滞数据流，并传输给所述可编程数据流控制器；

2)所述可编程数据流控制器将所述多轴关联数据流和所述静态时滞数据流发送给每个进给伺服系统；

3)每个进给伺服系统将所述静态时滞数据流写入其内部的启动定时器，按照启动定时器设定的起始时刻执行相应的数据流，并在每个采样周期的后期实时检测每个控制信道的动态时滞并反馈给所述可编程数据流控制器；

4)所述可编程数据流控制器将每个控制信道的动态时滞写入动态时滞数据库，在计算基准控制信道的动态时滞与其他控制信道的动态时滞之差时，从所述动态时滞数据库中取出其他控制信道的当前动态时滞的前N个(N＞1)动态时滞，并根据前N个动态时滞的变化对所述差值进行校正，计算出动态时滞数据流，将所述动态时滞数据流发送给每个进给伺服系统，每个进给伺服系统将新的动态时滞写入其内部启动定时器，按照启动定时器设定的新的起始时刻执行数据流直至所述多轴关联数据流执行完毕。

10.一种关联数据流的自适应控制系统，包括控制信息制造系统、与控制信息制造系统连接的可编程数据流控制器、与可编程数据流控制器连接的进给伺服系统，所述控制信息制造系统用于接收用户程序，并离线生成DCFS文件，所述可编程数据流控制器用于接收所述DCFS文件，并将所述DCFS文件中的多轴关联数据流发送给进给伺服系统执行，其特征在于：所述控制信息制造系统设有存储静态时滞的结构常数数据库；所述可编程数据流控制器设有动态时滞数据库，所述可编程数据流控制器还设有写入静态时滞或动态时滞的启动定时器；所述可编程数据流控制器通过启动定时器的写入值控制发送多轴关联数据流的起始时刻。

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