CN107544247A - 一种抑制机械运动结构振动的方法及系统 - Google Patents
一种抑制机械运动结构振动的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
公开了一种抑制机械运动结构振动的方法及系统。该方法包括：1)计算机械运动结构S型控制曲线的最优加加速度时间；2)基于控制系统的固有频率及阻尼比设置连续输入整形器，并按照伺服周期将其离散化；3)考虑所述连续输入整形器的时滞来计算S型控制曲线的实际加加速度时间；4)基于伺服周期对所述S型控制曲线进行离散并生成当前周期控制指令；5)应用步骤2)中离散化的连续输入整形器对所述当前周期控制指令进行离散卷积，将结果作为伺服电机的控制指令。本发明避免了一般输入整形产生的高速运行振动加剧现象，并且在原有控制基础上，无需增加硬件设备，节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及机械控制技术领域，更具体地，涉及一种抑制机械运动结构振动的方法及系统。
背景技术
包括工业机器人、数控机床、数控机械结构等电机驱动的机械运动结构具有高速度、高精度和高平稳性的要求。由于减速器或皮带轮等传动部件的存在，机械运动结构通常具有一定程度的柔性。在低速运行及启动、停止阶段，机械运动结构末端会产生振动现象。机械结构的振动不光会降低系统对指令的响应速度，还会增加工序间的等待时间，降低生产效率与精度。因此，必须要采取有效的措施对机械运动结构的振动进行抑制。
目前的研究主要采用增大系统阻尼、增大结构刚度、PID控制、输入整形等方式控制机械运动结构的振动问题。但是这些控制方法均存在不足。采用增大系统阻尼、增大结构刚度等方法会增加系统整体重量、使系统能耗增大，也容易影响系统的响应速度。利用PID控制方法需要改变系统的控制结构及增加传感器设备，使控制系统复杂程度提高并增加控制成本。普通输入整形通常会增加系统的时滞，降低指令的响应速度。因此，有必要开发一种能够有效抑制机械运动结构振动的方法及系统。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为了实现机械运动结构全工况下的平稳、快速、精确位置控制，本发明提出了一种结合连续输入整形技术与最优S型控制曲线的振动抑制方法。
根据本发明的一方面，提出一种抑制机械运动结构振动的方法。该方法包括：
1)计算机械运动结构S型控制曲线的最优加加速度时间；
2)基于控制系统的固有频率及阻尼比设置连续输入整形器，并按照伺服周期将其离散化；
3)考虑所述连续输入整形器的时滞来计算S型控制曲线的实际加加速度时间；
4)基于伺服周期对所述S型控制曲线进行离散并生成当前周期控制指令；
5)应用步骤2)中离散化的连续输入整形器对所述当前周期控制指令进行离散卷积，将结果作为伺服电机的控制指令。
优选地，在步骤3)中通过将S型控制曲线的最优加加速度时间减去连续输入整形器的时滞作为S型控制曲线的实际加加速度时间。
优选地，所述S型控制曲线为五段S型控制曲线，其公式为：
其中，je为S型控制曲线的加加速度值，tr为S型控制曲线的加加速度时间，ts为S型控制曲线的总时长。
5、优选地，在步骤1)中，S型控制曲线的最优加加速度时间通过求解以下公式并结合k的最小允许值来确定：
其中，k＝1,2,3...，ωn为控制系统的固有频率。
优选地，公式(2)通过使机械运动结构末端位置响应模型中Ax和Ay为零而获得，Ax和Ay的公式分别为：
其中，ωn为系统的固有频率，kx(t)、ky(t)为振幅系数函数，
优选地，连续输入整形器的公式为：
其中，ξ为系统阻尼比，
优选地，连续输入整形器的时滞通过以下公式计算：
优选地，包括5)包括以下子步骤：
5.1)初始化包含m位的指令缓存器队列P(m)；
5.2)队列以先进先出的原则，进行左移位，接收当前周期控制指令并将新指令填入空位中，生成当前时刻队列；
5.3)当前时刻队列与离散化的连续输入整形器进行卷积；
5.4)将等于缓存器队列长度的对应位置上的结果值作为伺服电机的控制指令进行输出。
根据本发明的另一方面提出一种抑制机械运动结构振动的系统。所述系统包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
1)计算机械运动结构S型控制曲线的最优加加速度时间；
2)基于控制系统的固有频率及阻尼比设置连续输入整形器，并按照伺服周期将其离散化；
3)考虑所述连续输入整形器的时滞来计算S型控制曲线的实际加加速度时间；
4)基于伺服周期对所述S型控制曲线进行离散并生成当前周期控制指令；
5)应用步骤2)中离散化的连续输入整形器对所述当前周期控制指令进行离散卷积，将结果作为伺服电机的控制指令。
优选地，在步骤3)中通过将S型控制曲线的最优加加速度时间减去连续输入整形器的时滞作为S型控制曲线的实际加加速度时间。
相较于普通的最优S型控制曲线控制策略，根据本发明的抑制机械运动结构振动的方法及系统生成的控制曲线具有光滑的加速度曲线与连续的加加速度曲线，避免了应用一般输入整形器时产生的响应时滞，避免了一般输入整形产生的高速运行振动加剧现象，并且在原有控制基础上，无需增加硬件设备，节省成本。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为根据本发明的示例性实施方案的抑制机械运动结构振动的方法的流程图；
图2为根据本发明生成的控制曲线与一般S型控制曲线的对比图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
以下参考图1详细描述根据本发明的抑制机械运动结构振动的方法。该方法主要包括：
步骤1：计算机械运动结构S型控制曲线的最优加加速度时间。
在一个示例中，所述S型控制曲线为五段S型控制曲线，其公式为：
其中，je为S型控制曲线的加加速度值，tr为S型控制曲线的加加速度时间，ts为S型控制曲线的总时长。
基于上述S型控制曲线公式，其加速度、速度、位移的公式分别为：
S型控制曲线的最优加加速度时间通过求解以下公式并结合k的最小允许值来确定：
其中，k＝1,2,3...，ωn为控制系统的固有频率。
公式(2)根据k的不同可以得到多个解，但由于机械结构与电机的诸多限制，使得je有限制，不能过大，因此tr不能过小，因此k需要根据允许的最小值来确定，即可以在je、tr允许的条件下尽可能的小。也就最说，公式(2)的tr是准最优解，即是多个理论上具有相同效果的解，但越大的k会引入越多的建模误差，因此只有所允许的最小值具有最优效果。
公式(2)通过使机械运动结构末端位置响应模型中Ax和Ay为零而获得，Ax和Ay的公式分别为：
其中，ωn为系统的固有频率，kx(t)、ky(t)为振幅系数函数，
步骤2：基于控制系统的固有频率及阻尼比设置连续输入整形器，并按照伺服周期将其离散化；
在一个示例中，连续输入整形器的公式为：
其中，ξ为系统阻尼比，
连续输入整形器的时滞通过以下公式计算：
步骤3：考虑所述连续输入整形器的时滞来计算S型控制曲线的实际加加速度时间。
在一个示例中，通过将S型控制曲线的最优加加速度时间减去连续输入整形器的时滞作为S型控制曲线的实际加速度时间。
则S型控制曲线的实际加加速度时间为：
其中，k＝2,3…。
步骤4：基于控制器内按照步骤3确定的实际加加速度时间确定最终S型控制曲线，并基于伺服周期对其离散以生成当前周期控制指令。
步骤5：应用步骤2中离散化的连续输入整形器对所述当前周期控制指令进行离散卷积，将结果作为伺服电机的控制指令。
在一个示例中，通过以下子步骤实现离散化的连续输入整形器对所述当前周期控制指令的离散卷积：
5.1)初始化包含m位的指令缓存器队列P(m)；
5.2)队列以先进先出的原则，进行左移位，接收当前周期控制指令并将新指令填入空位中，生成当前时刻队列；
5.3)当前时刻队列与离散化的连续输入整形器进行卷积；
5.4)将等于缓存器队列长度的对应位置上的结果值作为伺服电机的控制指令进行输出。
本发明还提出了一种抑制机械运动结构振动的系统，该系统包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
1)计算机械运动结构S型控制曲线的最优加加速度时间；
2)基于控制系统的固有频率及阻尼比设置连续输入整形器，并按照伺服周期将其离散化；
3)考虑所述连续输入整形器的时滞来计算S型控制曲线的实际加加速度时间；
4)基于伺服周期对所述S型控制曲线进行离散并生成当前周期控制指令；
5)应用步骤2)中离散化的连续输入整形器对所述当前周期控制指令进行离散卷积，将结果作为伺服电机的控制指令。
在一个示例中，在步骤3)中通过将S型控制曲线的最优加加速度时间减去连续输入整形器的时滞作为S型控制曲线的实际加加速度时间。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种抑制机械运动结构振动的方法，其特征在于，包括：
1)计算机械运动结构S型控制曲线的最优加加速度时间；
2)基于控制系统的固有频率及阻尼比设置连续输入整形器，并按照伺服周期将其离散化；
3)考虑所述连续输入整形器的时滞来计算S型控制曲线的实际加加速度时间；
4)基于伺服周期对所述S型控制曲线进行离散并生成当前周期控制指令；
5)应用步骤2)中离散化的连续输入整形器对所述当前周期控制指令进行离散卷积，将结果作为伺服电机的控制指令。
2.根据权利要求1所述的抑制机械运动结构振动的方法，其中，在步骤3)中通过将S型控制曲线的最优加加速度时间减去连续输入整形器的时滞作为S型控制曲线的实际加加速度时间。
3.根据权利要求1或2所述的抑制机械运动结构振动的方法，其中，所述S型控制曲线为五段S型控制曲线，其公式为：
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其中，je为S型控制曲线的加加速度值，tr为S型控制曲线的加加速度时间，ts为S型控制曲线的总时长。
4.根据权利要求3所述的抑制机械运动结构振动的方法，其中，在步骤1)中，S型控制曲线的最优加加速度时间通过求解以下公式并结合k的最小允许值来确定：
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其中，k＝1,2,3...，ωn为控制系统的固有频率。
5.根据权利要求4所述的抑制机械运动结构振动的方法，其中，公式(2)通过使机械运动结构末端位置响应模型中Ax和Ay为零而获得，Ax和Ay的公式分别为：
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6.根据权利要求1或2所述的抑制机械运动结构振动的方法，其中，连续输入整形器的公式为：
<mrow>
<mi>u</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
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</mrow>
</mrow>
其中，ξ为系统阻尼比，
7.根据权利要求6所述的抑制机械运动结构振动的方法，其中，连续输入整形器的时滞通过以下公式计算：
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
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</mrow>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
8.根据权利要求1或2所述的抑制机械运动结构振动的方法，其中，包括5)包括以下子步骤：
5.1)初始化包含m位的指令缓存器队列P(m)；
5.2)队列以先进先出的原则，进行左移位，接收当前周期控制指令并将新指令填入空位中，生成当前时刻队列；
5.3)当前时刻队列与离散化的连续输入整形器进行卷积；
5.4)将等于缓存器队列长度的对应位置上的结果值作为伺服电机的控制指令进行输出。
9.一种抑制机械运动结构振动的系统，其特征在于，所述系统包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
1)计算机械运动结构S型控制曲线的最优加加速度时间；
2)基于控制系统的固有频率及阻尼比设置连续输入整形器，并按照伺服周期将其离散化；
3)考虑所述连续输入整形器的时滞来计算S型控制曲线的实际加加速度时间；
4)基于伺服周期对所述S型控制曲线进行离散并生成当前周期控制指令；
5)应用步骤2)中离散化的连续输入整形器对所述当前周期控制指令进行离散卷积，将结果作为伺服电机的控制指令。
10.根据权利要求9所述的抑制机械运动结构振动的系统，其中，在步骤3)中通过将S型控制曲线的最优加加速度时间减去连续输入整形器的时滞作为S型控制曲线的实际加加速度时间。
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