CN107807880B - 多自由度运动控制系统调试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在多自由度运动控制应用背景下的控制系统调试方法，它解决现有运动控制系统调试复杂、被控对象模型辨识不准等问题。本发明中控制系统调试软件利用Matlab/Gui实现，控制系统调试软件安装在主机上，主机与运动控制板卡通过串口进行数据传输。主机可以发送时域响应命令、发送频域响应命令、发送运动参数、根据运动控制板卡反馈的运动控制系统的时域数据和频域数据利用Matlab函数得到被控对象的数学模型和频域特性、设定被控对象运动时的轨迹规划；运动控制板卡可以根据主机发送的时域响应和频域响应命令让被控对象执行相应动作、向主机反馈被控对象运动数据、接收主机发送的运动参数、接收主机发送的轨迹规划命令。

Description

多自由度运动控制系统调试方法
技术领域
本发明适用于多自由度运动控制领域，尤其是涉及了一种自动化程度高、操作难度低、准确率高的基于Matlab/Gui的多自由度运动控制系统调试方法。
背景技术
现有运动控制系统的调试方法都是更改运动控制板卡中的程序，来控制被控对象运动从而获得被控对象的运动特性，进而根据被控对象的运动特性设计运动参数。在这个过程中运动控制板卡中的程序会被多次修改，不利于运动控制板卡的标准化，而且获得的被控对象的运动数据只能进行人工处理，操作复杂，准确性低。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种自动化程度高、操作难度低、准确率高的基于Matlab/Gui的多自由度运动控制系统调试方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：提供一种多自由度运动控制系统调试方法，基于Matlab/Gui实现，包括如下步骤：
连接通信步骤，主机连续向运动控制板卡发送连接标志指令，如果运动控制板卡正常收到主机发送的连接标志指令则给主机回复连接成功标志指令，控制系统调试软件会提示连接成功；
自由度选择步骤：连接通信步骤成功后，在控制系统调试软件的轴系选择模块设置当前要设置的自由度；
时域响应步骤：主机发送时域响应指令给运动控制板卡，当运动控制板卡查询到有时域响应指令输入时，则控制被控对象进行阶跃响应，并记录被控对象的运动数据，记录完成后将被控对象的运动数据发送给主机，主机接收完成后，利用Matlab时域拟合函数lsqcurvefit()对运动数据进行处理，被控对象的数学模型描述如下：
Figure BDA0001422022270000021
其中X(S)为被控对象位移的传递函数、V(s)为被控对象驱动电压的传递函数，K为被控对象的增益、Tm为被控对象的机械时间常数、Te为被控对象的电气时间常数，s为拉氏算子；
时域拟合函数lsqcurvefit()对被控对象的运动数据处理后可以得到被控对象数学模型的模型参数：k、Tm和Te，并将被控对象的模型参数进行显示；
频域响应步骤：主机发送频域响应指令给运动控制板卡，当运动控制板卡查询到有频域响应指令输入时，则控制被控对象从低频到高频进行摇摆运动，并记录被控对象的运动数据，记录完成后将运动数据发送给主机，主机接收完成后，利用Matlab频域拟合函数FqScan2Bode()对运动数据进行处理，得到被控对象的频域特性并将被控对象的频域响应曲线进行显示；
断开步骤，当对运动控制系统的每个自由度调试完成后，点击控制系统调试软件的断开按钮，主机会连续向运动控制板卡发送断开连接指令，如果运动控制板卡正常接收到断开连接指令，则会向主机发送断开成功标志指令，主机接收到断开成功标志指令后控制系统调试软件会提示断开成功。
连接通信步骤中，主机与运动控制板卡是通过串口进行通信，如果通信发生错误，一段时间内运动控制板卡不能正常收到主机发送的连接标志指令并且不能给主机回复连接成功标志指令，则控制系统调试软件会提示连接失败，需重新配置串口通信模块或检查硬件连接。
在控制系统调试软件的轨迹规划模块设计贴近实际应用的轨迹规划指令，主机将轨迹规划指令通过串口发送给运动控制板卡，运动控制板卡控制被控对象执行该轨迹规划指令，并将该轨迹规划指令下的运动数据发送给主机，操作者可以通过运动数据的稳定性、误差大小等指标判断前面设计的运动参数是否符合要求。
时域响应步骤，还包括在主机的控制系统调试软件的时域响应设置模块设置时域响应指令，并由主机通过串口发送时域响应指令给运动控制板卡。
时域响应步骤中，控制系统调试软件将被控对象数学模型的模型参数：k、Tm和Te显示在模型结果模块，同时将被控对象的时域响应曲线显示在控制系统调试软件的时域响应示波器模块上。
频域响应步骤还包括，在控制系统调试软件的频域响应设置模块设置频域响应指令，并由主机通过串口发送给运动控制板卡。
被控对象的频域响应曲线在控制系统调试软件的频域响应示波器模块上。
断开步骤中，如果运动控制板卡和主机之间仍有其它数据传输，则运动控制板卡会向主机通过串口发送断开失败标志指令同时控制系统调试软件会提示断开失败，当其它数据传输完成后则会向主机通过串口发送断开成功标志指令。
控制系统调试软件还包括数据保存模块，数据保存模块用于将主机接收的时域响应下的运动数据和/或频域响应下的运动数据另存为excel文件。
还包括运动参数设置步骤：根据被控对象数学模型和频域特性设计运动控制系统的运动参数，将运动参数输入到控制系统调试软件的运动参数设置模块并由主机通过串口发送给运动控制板卡，运动控制板卡收到运动参数后将其写入到Flash中。
本发明的有益效果在于：它解决现有运动控制系统调试复杂、被控对象模型辨识不准等问题，而且对获得的被控对象的运动数据能够自动保存，自动化程度高、准确性高而且操作简便。
附图说明
图1为多自由度运动控制系统调试软件的结构视图。
图2为运动控制板卡处理事件流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参考图1和图2，本发明一种在多自由度运动控制系统调试方法，该方法由以下步骤实现：
连接通信步骤：运动控制板卡查询收否收到指令，主机的控制系统调试软件上配置串口通信模块，点击连接按钮，主机连续向运动控制板卡发送连接标志指令，运动控制模板则判断是否收到连接指令，如果运动控制板卡正常收到主机发送的连接标志指令则给主机回复连接成功标志指令，更具体地，该连接成功标志指令是连接成功标志字节，控制系统调试软件会提示连接成功；如果通信发生错误，一段时间内运动控制板卡不能正常收到主机发送的连接标志指令并且不能给主机回复连接成功标志指令，则控制系统调试软件会提示连接失败，需重新配置串口通信模块或检查硬件连接。
自由度选择步骤：待主机和运动控制板卡连接成功后，在控制系统调试软件的轴系选择模块设置当前要设置的自由度。
时域响应步骤：在控制系统调试软件的时域响应设置模块设置时域响应指令，并由主机通过串口发送给运动控制板卡。运动控制板卡是否有频域响应指令，当运动控制板卡查询到有时域响应指令输入时，则控制被控对象进行阶跃响应，并记录被控对象的运动数据。记录完成后将运动数据通过串口发送给主机，主机接收完成后，利用Matlab时域拟合函数lsqcurvefit()对运动数据进行处理。被控对象的数学模型描述如下：
Figure BDA0001422022270000051
其中X(S)为被控对象位移的传递函数、V(s)为被控对象驱动电压的传递函数，K为被控对象的增益、Tm为被控对象的机械时间常数、Te为被控对象的电气时间常数，s为拉氏算子；
时域拟合函数lsqcurvefit()对运动数据处理后可以得到被控对象数学模型的模型参数：k、Tm和Te，并将被控对象的模型参数显示在控制系统调试软件的模型结果模块同时将被控对象的时域响应曲线显示在控制系统调试软件的时域响应示波器模块上。
频域响应步骤：在控制系统调试软件的频域响应设置模块设置频域响应指令，并由主机通过串口发送给运动控制板卡。当运动控制板卡查询到有频域响应指令输入时，则控制被控对象从低频到高频进行摇摆运动，并记录被控对象的运动数据。记录完成后将运动数据通过串口发送给主机，主机接收完成后，利用Matlab频域拟合函数FqScan2Bode()对运动数据进行处理，得到被控对象的频域特性并将被控对象的频域响应曲线显示在控制系统调试软件的频域响应示波器模块上。
一个实施例中，操作者还可以通过控制系统调试软件的数据保存模块将主机接收的时域响应下的运动数据另存为excel文件。
一个实施例中，操作者还可以通过控制系统调试软件的数据保存模块将主机接收的频域响应下的运动数据另存为excel文件。
一个实施例中，还包括运动参数设置步骤：根据时域响应步骤及频域响应步骤获得的被控对象数学模型和频域特性可以设计运动控制系统的运动参数，将运动参数输入到控制系统调试软件的运动参数设置模块并由主机通过串口发送给运动控制板卡，运动控制板卡收到运动参数后将其写入到Flash中。
一个实施例中，运动参数设置完成后的运动控制系统：在控制系统调试软件的轨迹规划模块设计贴近实际应用的轨迹规划指令，主机将轨迹规划指令通过串口发送给运动控制板卡，此时运动控制板卡查询是否接收到轨迹规划指令，若是，运动控制板卡控制被控对象执行该轨迹规划指令，并将该轨迹规划指令下的运动数据发送给主机，操作者可以通过运动数据的稳定性、误差大小等指标判断前面设计的运动参数是否符合要求。
一个实施例中，还包括断开连接步骤：当对运动控制系统的每个自由度调试完成后，点击控制系统调试软件的断开按钮，主机会连续向运动控制板卡发送断开连接指令。如果运动控制板卡正常接收到断开连接指令，则会向主机通过串口发送断开成功标志指令，主机接收到断开成功标志指令后控制系统调试软件会提示断开成功；如果运动控制板卡和主机之间仍有其它数据传输，则运动控制板卡会向主机通过串口发送断开失败标志指令同时控制系统调试软件会提示断开失败，当其它数据传输完成后则会向主机通过串口发送断开成功标志指令。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多自由度运动控制系统调试方法，基于Matlab/Gui实现，其特征在于，包括如下步骤：
连接通信步骤：主机连续向运动控制板卡发送连接标志指令，如果运动控制板卡正常收到主机发送的连接标志指令则给主机回复连接成功标志指令，该连接成功标志指令是连接成功标志字节，控制系统调试软件会提示连接成功；
自由度选择步骤：连接通信步骤成功后，在控制系统调试软件的轴系选择模块设置当前要设置的自由度；
时域响应步骤：主机发送时域响应指令给运动控制板卡，当运动控制板卡查询到有时域响应指令输入时，则控制被控对象进行阶跃响应，并记录被控对象的运动数据，记录完成后将被控对象的运动数据发送给主机，主机接收完成后，利用Matlab时域拟合函数lsqcurvefit()对运动数据进行处理，被控对象的数学模型描述如下：
Figure FDA0002872452990000011
其中X(s)为被控对象位移的传递函数、V(s)为被控对象驱动电压的传递函数，K为被控对象的增益、Tm为被控对象的机械时间常数、Te为被控对象的电气时间常数，s为拉氏算子；
时域拟合函数lsqcurvefit()对被控对象的运动数据处理后可以得到被控对象数学模型的模型参数：k、Tm和Te，并将被控对象的模型参数进行显示；
频域响应步骤：主机发送频域响应指令给运动控制板卡，当运动控制板卡查询到有频域响应指令输入时，则控制被控对象从低频到高频进行摇摆运动，并记录被控对象的运动数据，记录完成后将运动数据发送给主机，主机接收完成后，利用Matlab频域拟合函数FqScan2Bode()对运动数据进行处理，得到被控对象的频域特性并将被控对象的频域响应曲线进行显示；
断开步骤：当对运动控制系统的每个自由度调试完成后，点击控制系统调试软件的断开按钮，主机会连续向运动控制板卡发送断开连接指令，如果运动控制板卡正常接收到断开连接指令，则会向主机发送断开成功标志指令，主机接收到断开成功标志指令后控制系统调试软件会提示断开成功。
2.如权利要求1所述的多自由度运动控制系统调试方法，其特征在于，连接通信步骤中，主机与运动控制板卡是通过串口进行通信，如果通信发生错误，一段时间内运动控制板卡不能正常收到主机发送的连接标志指令并且不能给主机回复连接成功标志指令，则控制系统调试软件会提示连接失败，需重新配置串口通信模块或检查硬件连接。
3.如权利要求1所述的多自由度运动控制系统调试方法，其特征在于，在控制系统调试软件的轨迹规划模块设计贴近实际应用的轨迹规划指令，主机将轨迹规划指令通过串口发送给运动控制板卡，运动控制板卡控制被控对象执行该轨迹规划指令，并将该轨迹规划指令下的运动数据发送给主机，操作者可以通过运动数据的稳定性、误差大小等指标判断前面设计的运动参数是否符合要求。
4.如权利要求1所述的多自由度运动控制系统调试方法，其特征在于，时域响应步骤，还包括在主机的控制系统调试软件的时域响应设置模块设置时域响应指令，并由主机通过串口发送时域响应指令给运动控制板卡。
5.如权利要求1所述的多自由度运动控制系统调试方法，其特征在于，时域响应步骤中，控制系统调试软件将被控对象数学模型的模型参数：k、Tm和Te显示在模型结果模块，同时将被控对象的时域响应曲线显示在控制系统调试软件的时域响应示波器模块上。
6.如权利要求1所述的多自由度运动控制系统调试方法，其特征在于，频域响应步骤还包括，在控制系统调试软件的频域响应设置模块设置频域响应指令，并由主机通过串口发送给运动控制板卡。
7.如权利要求1所述的多自由度运动控制系统调试方法，其特征在于，被控对象的频域响应曲线在控制系统调试软件的频域响应示波器模块上。
8.如权利要求1所述的多自由度运动控制系统调试方法，其特征在于，断开步骤中，如果运动控制板卡和主机之间仍有其它数据传输，则运动控制板卡会向主机通过串口发送断开失败标志指令同时控制系统调试软件会提示断开失败，当其它数据传输完成后则会向主机通过串口发送断开成功标志指令。
9.如权利要求1所述的多自由度运动控制系统调试方法，其特征在于，控制系统调试软件还包括数据保存模块，数据保存模块用于将主机接收的时域响应下的运动数据和/或频域响应下的运动数据另存为excel文件。
10.如权利要求9所述的多自由度运动控制系统调试方法，其特征在于，还包括运动参数设置步骤：根据被控对象数学模型和频域特性设计运动控制系统的运动参数，将运动参数输入到控制系统调试软件的运动参数设置模块并由主机通过串口发送给运动控制板卡，运动控制板卡收到运动参数后将其写入到Flash中。
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