CN104155875A - 一种主从轴控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于自动控制领域，特涉及一种主从轴控制方法。本发明通过在从轴模糊PID闭环控制跟随算法，并通过分段补偿、模糊控制器优化等方式实现了重型平台高精度平稳举升的要求，解决了双轴同步精度不高，系统复杂可靠性性较差的问题。

Description

一种主从轴控制方法
技术领域
 本发明属于自动控制领域，特涉及一种主从轴控制方法。
背景技术
 双轴同步在举升重物领域运用广泛，目前采用较多，技术成熟的方法有：1、开环控制，两根轴由同一油缸供油，供油的开度通过油缸内的比例阀调节，使得两根轴上的油压大致相同，达到两轴同步的目的。2、虚拟轴控制，通过给定一个标准轴信号作为虚拟轴，激励两根轴跟随虚拟轴运动，已达到两轴同步。3、主从控制，一根轴跟随另外一根轴运动，达到两轴同步。从轴进行多层闭环控制以达到跟随的目的。三重闭环控制器设计较复杂，易出现积分饱和情况，这对举升重量大的物体较为不利。但这几种主从轴的控制精度都高，难以满足重型平台高精度平稳举升的要求。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明通过在从轴模糊PID闭环控制跟随算法，并通过分段补偿、模糊控制器优化等方式实现了重型平台高精度平稳举升的要求，解决了双轴同步精度不高，系统复杂可靠性性较差的问题。
本发明的技术方案是：一种主从轴控制方法，包括主轴数字PID闭环控制调速，从轴模糊PID闭环控制跟随，其中主轴调速控制直接通过试凑法得到参数，其特征在于：所述的从轴模糊PID闭环控制跟随包含主轴信号延时滞后的补偿的步骤、模糊控制器设计的步骤、模糊控制器优化的步骤、模糊控制器参数调整的步骤。
如上所述的主从轴控制方法，其特征在于：所述的主轴信号延时滞后的补偿为：将主轴的微分量信号进行中值滤波，并采用分段补偿；具体的分段的方法为：将整个时间段分成若干段，从中间段向前的几段补偿系数逐渐减小，向后的几段补偿系数逐渐增大。
如上所述的主从轴控制方法，其特征在于：所述的模糊控制器设计的步骤为：先控制器左侧的PD组成了相位超前环节，模糊控制器的PI组成了相位滞后环节，分别对系统的整体、高频段和低频段进行补偿和调节。
如上所述的主从轴控制方法，其特征在于：所述的模糊控制器优化的步骤为：增加输出结果的平滑性；将正偏差小区域的中心值设置得比负偏差小区域的中心值设置得靠近零点，快速地消除超调。
如上所述的主从轴控制方法，其特征在于：所述的模糊控制器参数调整的步骤：得到设定GE值下的最大e值，以得到的最大e值进行模糊控制器参数的调整。
附图说明
图1为本发明流程框图；
图2：未分段补偿；
图3：分段补偿；
图4：模糊控制器模型；
图5：非线性模糊控制器模型图；
图6：改进后模糊控制器模型；
图7：模糊控制器参数调整图。
 
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明顺序包括主轴数字PID闭环控制调速，从轴模糊PID闭环控制跟随。其中主轴调速控制直接通过试凑法得到参数，从轴跟随控制包含模糊控制器的设计、模糊控制器的优化、模糊控制器参数的调整，主轴信号延时滞后的补偿。
以下结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
本发明的一个具体实施例：
本发明涉及举升重量大于1000kg的重物，举升高度大于5米。举升过程需平稳，且有一定的速度要求。
1.1 主轴调速控制；
根据举升初始阶举升中期油缸压力与行程角度较大且速度要求高，举升后期精度要求高的特点，对无PID的闭环系统进行频域分析，再通过PID补偿试凑（见陈伯时主编的电力拖动自动控制系统第二章），得到低频段增益大、中频段截止频率较高、高频段衰减较大的频谱特性。
1.2主轴信号延时滞后的补偿
从轴输入为主轴输出y1的滞后信号，且滞后较大。
传统的大滞后采用Simith预估器解决，但对模型误差估计要求较高，实现起来也较复杂。鉴于微分具有超前度的特性，采用以主轴输入微分为主，输出微分中值（以当前时刻为中心的微分区域）为辅的补偿，在补偿系数取一致的情况下，呈现了前半段补偿大，后半段补偿小，见图2。原因为微分易受干扰，且补偿时高速段仍有滞后。解决的方法将微分量进行中值滤波，至于变化的速度造成的滞后，可以尝试分段补偿。分段的方法为：将整个时间段分成若干段，从中间段向前的几段补偿系数逐渐减小，向后的几段补偿系数逐渐增大。本文分为6段，分段补偿的结果见图3。
1.3模糊控制器的设计；
模糊PID控制器模糊控制器是对经典的相位滞后-相位超前和顺馈PID进行级联得到的，示意图见图4：
其中GCE和GCU组成了顺馈回路，模糊控制器左侧的PD组成了相位超前环节，模糊控制器的PI组成了相位滞后环节，分别对系统的整体、高频段和低频段进行补偿和调节。
Kp = GCU * GCE + GU * GE                              （式1）
Ki = GCU * GE                                         （式2）
Kd = GU * GCE                                         （式3）
在输入误差E（图4中的e，下文中统称E）大的地方变化率大以致接近超调，在输入误差E小的地方变化率小使得误差不能及时消除，因此需要一种输入E大的地方变化率（图4中的-cy，下文统称变化率CE）偏小、E小的地方变化率偏大的曲线。
设置完条件rule，完整的非线性模糊控制器模型就设计完成了，可以通过模糊控制器的模型试图观看其变换趋势，见图5。
1.3模糊控制器的优化；
从上面的非线性模糊控制控制的效果来看，虽然效果优于经典PID控制，但是优化的效果较小。分析效果差异时发现，条件rule的条件在某些方面调整不够，要提高跟随性，在E大且为正的情况下，无论CE变换如何，都应该输出正的大输出。
输出不再输出单值，而是在一定范围内的值，可以增加输出结果的平滑性；将正偏差小区域的中心值设置得比负偏差小区域的中心值设置得靠近零点，是因为一旦超调，输出值在负偏差小区域情况下也能较大，快速地消除超调，出现超调是系统不愿意出现的情况，但一旦出现了，必须得尽快地消除超调。改进后模型见图6。
改进后控制器模型在E大的区域，CE接近水平线；在E小的区域，CE的曲线起伏最大。
1.4模糊控制器参数的调整；
E的范围在设计模糊控制器时已经设定，主轴与从轴误差e的大小是时变的，在仿真完毕后可以得到设定GE值下的最大e值，以得到的最大e值带入式子中得到新的GE，将上述的步骤反复运行直到GE和最大值e稳定下来，GE就是比较合适的值。得到的GE能够在运行仿真时使得E的运动轨迹分布在自身范围的大部分中，这点可以通过ruleview观察到，见图7。

Claims (5)

1.一种主从轴控制方法，包括主轴数字PID闭环控制调速，从轴模糊PID闭环控制跟随，其中主轴调速控制直接通过试凑法得到参数，其特征在于：所述的从轴模糊PID闭环控制跟随包含主轴信号延时滞后的补偿的步骤、模糊控制器设计的步骤、模糊控制器优化的步骤、模糊控制器参数调整的步骤。
2.如权利要求1所述的主从轴控制方法，其特征在于：所述的主轴信号延时滞后的补偿为：将主轴的微分量信号进行中值滤波，并采用分段补偿；具体的分段的方法为：将整个时间段分成若干段，从中间段向前的几段补偿系数逐渐减小，向后的几段补偿系数逐渐增大。
3.如权利要求1所述的主从轴控制方法，其特征在于：所述的模糊控制器设计的步骤为：先控制器左侧的PD组成了相位超前环节，模糊控制器的PI组成了相位滞后环节，分别对系统的整体、高频段和低频段进行补偿和调节。
4.如权利要求1所述的主从轴控制方法，其特征在于：所述的模糊控制器优化的步骤为：增加输出结果的平滑性；将正偏差小区域的中心值设置得比负偏差小区域的中心值设置得靠近零点，快速地消除超调。
5.如权利要求1、2、3或4所述的主从轴控制方法，其特征在于：所述的模糊控制器参数调整的步骤：得到设定GE值下的最大e值，以得到的最大e值进行模糊控制器参数的调整。
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