CN108873820A - 一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法 - Google Patents

一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法，属于运动控制技术领域。所述方法基于串、并联混合同步控制的结构，利用系统的同步误差设计从动轴指令实时修正系数，进而构造实时修正的从动轴指令实现多轴速率伺服系统的高精度同步控制。本发明所述方法克服了串联同步控制方法和并联同步控制方法各自的局限性，具有同步误差波动小，动态性能好等特点。

Description

一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制 方法
技术领域
本发明涉及一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法，属于运动控制技术领域。
背景技术
在现代工业生产中，多轴数控机床和多轴工业机器人等多轴伺服系统的应用十分广泛，在精密加工和高精度生产过程中具有显著优势。多轴系同步控制是一种常用的工控技术，对于各轴系对象特性差别不大的多轴系统而言，并联同步控制是简单且实用的控制方法，通过对各轴系输入相同的指令完成同步控制需求。但是，对于各轴系对象特性差别较大的多轴系统，并联同步控制显然不能达到同步控制精度要求。串联同步控制利用多轴系统各轴对象特性的差异，区分主动轴和从动轴，将主动轴输出作为从动轴的指令输入。然而，串联同步控制对从动轴跟踪精度要求较高，对于各轴系对象特性差别不大的情况，其优势并不明显，也无法达到同步控制精度要求。
发明内容
本发明为了解决现有同步控制方法无法达到同步控制精度的问题，提出了一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法，所采取的技术方案如下：
一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法，所述多轴速率伺服系统同步控制方法包括：
步骤一：根据多轴速率伺服系统各轴对象特性的差异，筛选出多轴中响应速度最慢的轴为主动轴，其余各轴为从动轴；
步骤二：将各个从动轴与主动轴之间的同步误差引入从动轴指令修正算法中，所述从动轴指令修正算法根据同步误差的值实时确定从动轴指令实时修正系数；
步骤三：利用步骤二获得的从动轴指令实时修正系数调节从动轴输入指令，从而实现多轴速率伺服系统的高精度同步控制；
步骤四：在多轴速率伺服系统上验证步骤一至步骤三的有效性。
进一步地，步骤二所述从动轴指令修正算法为：
第一步：确定多轴速率伺服系统中的各从动轴参考指令实时修正系数γi(0≤γi≤1)随主动轴与各从动轴的同步误差Δθi(t)的变化而变化，其中，其中i＝1,2,...,n为从动轴编号；
第二步：根据所述多轴速率伺服系统同步控制方法对应的控制结构确定所述从动轴指令实时修正系数的修正规则，获得参考指令实时修正系数γi的变化规则模型；
第三步：根据第二步所述变化规则模型确定修正系数导数与同步误差Δθi(t)的关系模型；通过所述修正系数导数与同步误差Δθi(t)的关系模型实现多轴速率伺服系统的高精度同步控制；
第四步：对第三步所述关系模型进行验证，通过实验效果验证所确定关系模型中参数的固定值，获得具体固定值的关系模型。
进一步地，第二步所述从动轴指令实时修正系数的修改正规则为：
当同步误差Δθi(t)>0时，γi增大，使得整个多轴速率伺服系统向着并联同步控制结构靠近，以此来减小同步误差Δθi(t)；当同步误差Δθi(t)<0时，γi减小，使得整个多轴速率伺服系统向着串联同步控制结构靠近，从而减小同步误差Δθi(t)；当同步误差Δθi(t)＝0时，γi保持当前值不变。
进一步地，第二步所述参考指令实时修正系数γi的变化规则模型为：
其中，表示参考指令实时修正系数γi的导数；Δθi(t)表示同步误差。
进一步地，第三步所述修正系数导数与同步误差Δθi(t)的关系模型为：
其中，Ai＞0是常数，其大小影响系统收敛速度。依据所述关系模型实现|Δθi(t)|越大，越大，多轴速率伺服系统收敛速度越快；|Δθi(t)|越小，越小，多轴速率伺服系统收敛速度越慢。其中，γi趋于一个使同步误差Δθi(t)为0的定值，直至Δθi(t)＝0时，γi保持当前值不变。
进一步地，所述具体固定值为：Ai＝50，其中，i＝1。
本发明有益效果：
本发明提出的一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法，其基于串、并联混合同步控制的结构，利用系统的同步误差设计从动轴指令实时修正系数，进而构造实时修正的从动轴指令，其优点是克服了串联同步控制方法和并联同步控制方法各自的局限性。具体表现在采用本发明方法的同步误差均值远远小于串联同步控制方法和并联同步控制方法，误差均值提高了两个数量级；同时，采用本发明方法与采用基于动态误差系数的多轴系伺服系统同步控制方法相比，克服了变速和匀速切换过程中同步误差存在较大波动的缺点，同时，采用本发明方法在均值上提高了两个数量级的精度，在标准差方面提高了一个数量级。本发明兼具串、并联混合同步控制的优点，同步误差小于串联同步控制和并联同步控制；其次，本发明所述从动轴指令修正算法本身只依赖于同步误差数值，不会影响系统的稳定性；最后，同步误差和从动轴指令实时修正系数的函数关系求取简单。本发明不受限于系统各轴系的对象特性，同时，本发明在输入信号实时变化的情况下同样适用，且同步误差波动小，动态性能好。
附图说明
图1为本发明所述控制方法对应的控制结构框图。
图2为某型双轴速率伺服系统两个轴的实测幅频特性曲线。
图3为输入的角速度指令曲线。
图4为本发明方法在某型双轴速率伺服系统上跟踪相同输入信号时的同步误差曲线。
图5为基于动态误差系数的多轴系伺服系统同步控制方法和本发明方法在某型双轴速率伺服系统上跟踪相同输入信号时的同步误差曲线对比图。
图6为本发明方在某型双轴速率伺服系统上求得的从动轴参考指令实时修正系数曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法，所述多轴速率伺服系统同步控制方法包括：
步骤一：根据多轴速率伺服系统各轴对象特性的差异，筛选出多轴中响应速度最慢的轴为主动轴，其余各轴为从动轴；
步骤二：将各个从动轴与主动轴之间的同步误差引入从动轴指令修正算法中，所述从动轴指令修正算法根据同步误差的值实时确定从动轴指令实时修正系数；
步骤三：利用步骤二获得的从动轴指令实时修正系数调节从动轴输入指令，从而实现多轴速率伺服系统的高精度同步控制；
步骤四：在多轴速率伺服系统上验证步骤一至步骤三的有效性。
在本实施例所述一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法中，步骤二所述从动轴指令修正算法为：
第一步：确定多轴速率伺服系统中的各从动轴参考指令实时修正系数γi(0≤γi≤1)随主动轴与各从动轴的同步误差Δθi(t)的变化而变化，其中，其中i＝1,2,...,n为从动轴编号；
第二步：根据所述多轴速率伺服系统同步控制方法对应的控制结构确定所述从动轴指令实时修正系数的修改正规则，获得参考指令实时修正系数γi的变化规则模型；其中，所述控制结构如图1所示；
第三步：根据第二步所述变化规则模型确定修正系数导数与同步误差Δθi(t)的关系模型；通过所述修正系数导数与同步误差Δθi(t)的关系模型实现多轴速率伺服系统的高精度同步控制；
第四步：对第三步所述关系模型进行验证，通过实验效果验证确定关系模型中参数的固定值，获得具体固定值的关系模型。
其中，第二步所述从动轴指令实时修正系数的修改正规则为：
当同步误差Δθi(t)>0时，γi增大，使得整个多轴速率伺服系统向着并联同步控制结构靠近，以此来减小同步误差Δθi(t)；当同步误差Δθi(t)<0时，γi减小，使得整个多轴速率伺服系统向着串联同步控制结构靠近，从而减小同步误差Δθi(t)；当同步误差Δθi(t)＝0时，γi保持当前值不变。
第二步所述参考指令实时修正系数γi的变化规则模型为：
其中，表示参考指令实时修正系数γi的导数；Δθi(t)表示同步误差。
第三步所述修正系数导数与同步误差Δθi(t)的关系模型为：
其中，Ai＞0是常数，其大小影响系统收敛速度。依据所述关系模型实现|Δθi(t)|越大，越大，多轴速率伺服系统收敛速度越快；|Δθi(t)|越小，越小，多轴速率伺服系统收敛速度越慢。其中，γi趋于一个使同步误差Δθi(t)为0的定值，直至Δθi(t)＝0时，γi保持当前值不变。
令A1的值从小到大变化，测出每个A1对应的同步误差大小，获取同步误差最小时对应的A1值。本例中，选取A1＝50。由于多轴速率伺服系统各从动轴对象特性不同，则Ai的取值不是固定的，可通过实验获得。
图2为某型双轴速率伺服系统两个轴的实测幅频特性曲线，其中，正方形标注表示轴一实测数据，三角形标注表示轴二实测数据。根据实测数据可以比较两轴的带宽，轴一带宽为19.6Hz，轴二带宽为9.79Hz，故轴二带宽小，响应速度慢。选择轴二为主动轴，轴一为从动轴。
图3为输入的角速度指令曲线，横坐标为时间，纵坐标是角速度，单位：度每秒。
图4分别为采用串联同步控制、并联同步控制以及本发明方法在某型双轴速率伺服系统上跟踪相同输入信号时的同步误差曲线，横坐标为时间，纵坐标为两轴系的同步误差，单位：度。图中点划线为并联同步控制误差曲线；虚线为串联同步控制误差曲线；实线为本发明方法的同步控制误差曲线。其中，输入信号的速度变化形式如图2所示。根据同步误差数据计算出三种方法的均值和标准差并进行比较，采用串联同步控制方法得到的同步误差的均值为-0.0037rad，标准差为0.0012rad；采用并联同步控制方法得到的同步误差的均值为0.0016rad，标准差为0.0078rad；采用本发明方法得到的同步误差的均值为0.00002rad，标准差为0.0011rad；通过对比可以发现采用本发明方法的控制精度较串联同步控制方法和并联同步控制方法而言有较大提升。
图5是采用基于动态误差系数的多轴系伺服系统同步控制方法和采用本发明方法在某型双轴速率伺服系统上跟踪相同输入信号时的同步误差曲线，横坐标为时间，纵坐标为两轴系的同步误差，单位：度。图中点划线为采用基于动态误差系数的串、并联同步控制误差曲线；实线为采用本发明方法的同步控制误差曲线。其中，输入信号的速度变化形式如图2所示。根据同步误差数据计算出两种方法的均值和标准差并进行比较，采用动态误差系数方法得到的同步误差的均值为-0.0019rad，标准差为0.0159rad；采用本发明方法得到的同步误差的均值为0.00002rad，标准差为0.0011rad；对比实验结果，采用本发明方法的均值和标准差都小于动态误差系数法。
图6是在某型双轴速率伺服系统上利用本发明方法求得的从动轴参考指令实时修正系数的变化曲线，横坐标为时间，纵坐标为从动轴参考指令实时修正系数。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种从动轴参考指令实时修正的多轴速率伺服系统同步控制方法，其特征在于，所述多轴速率伺服系统同步控制方法包括：
步骤一：根据多轴速率伺服系统各轴对象特性的差异，筛选出多轴中响应速度最慢的轴为主动轴，其余各轴为从动轴；
步骤二：将各个从动轴与主动轴之间的同步误差引入从动轴指令修正算法中，所述从动轴指令修正算法根据同步误差的值实时确定从动轴指令实时修正系数；
步骤三：利用步骤二获得的从动轴指令实时修正系数调节从动轴输入指令，从而实现多轴速率伺服系统的高精度同步控制；
步骤四：在多轴速率伺服系统上验证步骤一至步骤三的有效性。
2.根据权利要求1所述多轴速率伺服系统同步控制方法，其特征在于，步骤二所述从动轴指令修正算法为：
第一步：确定多轴速率伺服系统中的各从动轴参考指令实时修正系数γi(0≤γi≤1)随主动轴与各从动轴的同步误差Δθi(t)的变化而变化，其中，其中i＝1,2,...,n为从动轴编号；
第二步：根据所述多轴速率伺服系统同步控制方法对应的控制结构确定所述从动轴指令实时修正系数的修改正规则，获得参考指令实时修正系数γi的变化规则模型；
第三步：根据第二步所述变化规则模型确定修正系数导数与同步误差Δθi(t)的关系模型；通过所述修正系数导数与同步误差Δθi(t)的关系模型实现多轴速率伺服系统的高精度同步控制；
第四步：对第三步所述关系模型进行验证，通过实验效果验证确定关系模型中参数的固定值，获得具体固定值的关系模型。
3.根据权利要求2所述多轴速率伺服系统同步控制方法，其特征在于，第二步所述从动轴指令实时修正系数的修改正规则为：
当同步误差Δθi(t)>0时，γi增大，使得整个多轴速率伺服系统向着并联同步控制结构靠近，以此来减小同步误差Δθi(t)；当同步误差Δθi(t)<0时，γi减小，使得整个多轴速率伺服系统向着串联同步控制结构靠近，从而减小同步误差Δθi(t)；当同步误差Δθi(t)＝0时，γi保持当前值不变。
4.根据权利要求2所述多轴速率伺服系统同步控制方法，其特征在于，第二步所述参考指令实时修正系数γi的变化规则模型为：
其中，表示参考指令实时修正系数γi的导数；Δθi(t)表示同步误差。
5.根据权利要求2所述多轴速率伺服系统同步控制方法，其特征在于，第三步所述修正系数导数与同步误差Δθi(t)的关系模型为：
其中，Ai＞0是常数，其大小影响系统收敛速度；依据所述关系模型实现|Δθi(t)|越大，越大，多轴速率伺服系统收敛速度越快；|Δθi(t)|越小，越小，多轴速率伺服系统收敛速度越慢；其中，γi趋于一个使同步误差Δθi(t)为0的定值，直至Δθi(t)＝0时，γi保持当前值不变。
6.根据权利要求2或5所述多轴速率伺服系统同步控制方法，其特征在于，所述具体固定值为：Ai＝50，其中，i＝1。
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