CN110149074A - 一种基于辨识模型的多电机同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于辨识模型的多电机同步控制方法，考虑到在高速及变负载情况下伺服控制系统的位置控制性能会受到影响,提出了基于辨识模型的速度给定修正算法，可以在高速变负载伺服控制系统中得到很好的应用。本发明能够有效提高系统的高速剪切精度，使系统具有快速响应性和克服带材与送料辊间打滑等干扰的能力。

Description

一种基于辨识模型的多电机同步控制方法

技术领域

本发明涉及金属软带材高速剪切机多电机同步控制系统，特别是一种基于辨识模型的多电机同步控制方法。

背景技术

剪切机是金属软带材连续生产线上不可缺少的重要设备,其用途是用来剪切定长带材，为后续工序提供高精度的金属片等。目前，对剪切机的功能需求在不断的提高，同时也对剪切机的生产效率和加工精度提出更高的要求。剪切速度的提高以及剪切质量的提高，会带来很大的社会效应和经济效益。所以，对高速高精度金属软带材剪切系统的研究具有重要的理论意义及实际价值。

剪切机系统需要多电机协同工作才能完成剪切任务。在多电机同步控制系统中，为提高电机的控制精度、减少系统同步误差，合适的多电机控制结构发挥着越来越重要的作用，如电子虚拟主轴结构。虚拟主轴输入信号经过虚拟主轴作用后，得出单元驱动器的参考信号，即参考输入线速度和参考位置，将参考输入线速度和参考位置发送给驱动器，驱动器将接收到一致的信号。驱动器以编码器作为当前自身速度和位置的采集装置，不断对自身的线速度和位置进行速度和位置上的调整，跟踪虚拟主轴的速度和位置。每个驱动器均采取此方式跟踪虚拟主轴，从而实现众多电机的同步运行，具有响应快、同步误差小的优点。

金属软带材剪切机控制系统工作中，带材会随时间不断地消耗，重量会变轻，造成电机负载随时间变化，并且在高速剪切时容易出现送料辊与带材间打滑等问题，会造成剪切精度降低，直接影响到后续工序中成品率、成品的质量和经济效益。现大多使用基于PID的位置闭环控制，不能在线调节控制器参数，在高速且电机负载变化时，位置控制效果会变差。好的位置控制算法可以提高系统抗扰性能、提高控制精度。因此，有必要针对金属软带材高速剪切机多电机同步控制系统，在高速、变负载情况下提出新的伺服同步控制方法，有效克服高速下常规伺服控制方式位置控制精度下降及带材打滑带来的影响，实现高速、高精度的自动化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于辨识模型的多电机同步控制方法，使高速剪切作业时，满足系统的剪切精度要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于辨识模型的多电机同步控制方法，包含以下步骤：

1)设定剪切长度、剪切数量和放卷速度；

2)根据剪切长度、剪切数量和放卷速度，计算出各个电机的速度与位置曲线以及同步点数据，采用虚拟主轴同步控制结构，将同步控制数据分别传送给放卷电机伺服驱动器、送料电机伺服驱动器和输送电机伺服驱动器，各伺服电机驱动器分别控制各伺服电机带动物料运动，在电机运行过程中，气动张力辊实时调节物料的张力，维持张力恒定，使物料平稳输送；

3)测量送料速度与长度，在长度达到设定的剪切长度的90％时，将送料电机的控制模式由同步控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式，使用基于参数辨识的给定速度修正算法计算出电机的修正给定速度，修正给定速度加上根据设定的剪切长度规划出的送料电机的规划速度，得到送料电机的设定速度，将该设定速度传送给送料电机伺服驱动器，驱动器控制送料电机完成物料输送；

4)物料被输送到设定的剪切长度后停止运动，反馈完成信号至剪切机，完成带材剪切；

5)输送电机控制传送带按同步控制模式运行，当剪切完成后，传送带将剪切好的物料向前输送；

6)重复步骤1)～步骤5)。

步骤2)中，所述同步控制数据包括参考输入线速度和参考位置，将所述参考输入线速度和参考位置同步信号发送给各电机的伺服驱动器，各电机的伺服驱动器以编码器作为当前带材速度和位置的采集装置，对带材的线速度和位置进行调整，以跟踪虚拟主轴的速度和位置，实现多电机的同步运行。

步骤3)中，计算电机的修正给定速度的具体实现过程包括：

1)当送料电机控制模式由同步模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式时，计算编码器反馈的速度v₀、加速度a₀和加加速度b₀，记录对应的位置反馈控制系数k₁,k₂,k₃和最终剪切误差e作为参数辨识的数据，一共采集n组数据，使用分段线性化的控制策略，位置反馈控制系数依据位置误差的不同分为三级，分别为k₁,k₂,k₃；设控制模式切换时的位置跟踪误差为Δs₀，则位置环反馈控制系数为：

其中，Δs为送料电机的实时位置跟踪误差；

2)用线性关系模型拟合剪切误差与位置反馈控制系数间的关系：

e_i＝α_j,i+β_j,ik_j,i+ξ_j,i，j＝1,2,3；

其中，i表示采样数据组的编号，j表示位置反馈控制系数的编号，k_j,i是第i组数据的第j个反馈系数，ξ_j,i是建模误差；

e_i,v_0,i,a_0,i,b_0,i分别表示第i组数据的剪切误差、速度、加速度和加加速度，α_j,i,β_j,i分别为对应的第j个位置反馈控制系数的参数，γ_j,1,γ_j,2,γ_j,3分别表示速度、加速度、加加速度与α_j,i的相关系数，δ_j,1,δ_j,2,δ_j,3分别为速度、加速度、加加速

θ_j＝(γ_j,1,γ_j,2,γ_j,3,δ_j,1,δ_j,2,δ_j,3)^T

Y＝(e₁,e₂,…,e_n)^T

度与β_j,i的相关系数令导出e_i＝(v_0,i,a_0,i,b_0,i,k_j,iv_0,i,k_j,ia_0,i,k_j,ib_0,i)θ_j+ξ_j,i，利用前述n组数据，通过极小化剪切误差与位置反馈控制系数间的线性关系模型中的模型误差ξ_j,i，即通过求解下面的参数优化问题：

得到线性关系模型的最优系数θ_j,j＝1,2,3；

3)在每次送料电机控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式时，计算编码器反馈的速度v₀、加速度a₀和加加速度b₀，根据线性关系模型，令剪切误差为零，求得预测的反馈控制系数为：

γ_j,1,γ_j,2,γ_j,3,δ_j,1,δ_j,2,δ_j,3的值由θ_j得出；

4)使用步骤3)中预测的位置反馈控制系数k_j，当送料电机控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式之后，送料电机位置闭环控制器计算送料电机的修正设定速度:v_revise＝k_jΔs。

本发明还提供了一种基于辨识模型的多电机同步控制系统，包含：

设定单元，用于设定剪切长度、剪切数量和放卷速度；

计算单元，用于根据剪切长度、剪切数量和放卷速度，计算出各个电机的速度与位置曲线以及同步点数据，采用虚拟主轴同步控制结构，将同步控制数据分别传送给放卷电机伺服驱动器、送料电机伺服驱动器和输送电机伺服驱动器，各伺服电机驱动器分别控制各伺服电机带动物料运动；

测量单元，用于测量送料速度与长度，在长度达到设定的剪切长度的90％时，将送料电机的控制模式由同步控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式，使用基于参数辨识的给定速度修正算法计算出电机的修正给定速度，修正给定速度加上根据设定的剪切长度规划出的送料电机的规划速度，得到送料电机的设定速度，将该设定速度传送给送料电机伺服驱动器，驱动器控制送料电机完成物料输送；

反馈单元，用于在物料被输送到设定的剪切长度后停止物料的运动，反馈完成信号至剪切机，完成带材剪切；

输送单元，用于利用输送电机控制传送带按同步控制模式运行，当剪切完成后，传送带将剪切好的物料向前输送。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明不仅具有较好的同步性能，而且对外部扰动和内部参数摄动表现出良好的鲁棒性。该方法能够在剪切系统高速变负载工作情况下，克服高速下带材打滑带来的影响，满足多电机同步要求的同时提高剪切精度。

附图说明

图1是本发明的金属软带材剪切机系统的组成图；

图2是本发明的多电机虚拟主轴控制结构原理图；

图3是本发明的基于参数辨识的位置闭环控制模式框图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例子，进一步阐述本发明。

构建金属软带材剪切系统多电机同步控制方案，如图1所示为系统的组成图，系统主要由放料系统、剪切系统、输送系统三部分组成。放料系统主要由放卷电机带动物料盘转动进行自动放料，过程中气动张力辊不断调节，维持张力恒定；带材驱动与剪切系统是整个设备的核心部分，主要由送料电机驱动的送料滚筒、剪切机构组成；输送系统由皮带、输送电机等构成。具体工作流程步骤如下：

(1)通过上位机设置剪切长度、数量、放卷速度等参数；

(2)剪切系统控制器根据上位机设定的参数，计算出各个电机的速度与位置曲线以及同步点数据，采用虚拟主轴同步控制结构，控制系统将同步控制数据分别传送给放卷电机伺服驱动器、送料电机伺服驱动器和输送电机伺服驱动器，各伺服电机驱动器分别控制各伺服电机带动物料运动；

(3)由编码器测量送料速度与长度，为了克服高速下带材打滑带来的影响，在将要达到剪切长度时，将送料电机的控制模式由同步控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式，使用基于参数辨识的给定速度修正算法计算出电机的修正给定速度，加上控制器根据上位机设定的剪切长度规划出的送料电机的规划速度，得到送料电机的设定速度，将该速度设定值传送给送料电机伺服驱动器，驱动器控制送料电机完成物料输送；

(4)物料被输送到上位机所设定的剪切长度后停止运动，控制系统反馈给剪切机一个信号，完成带材剪切；

(5)输送电机控制传送带按同步控制模式运行，当剪切完成后，传送带将剪切好的物料向前输送，以便下一道工序的开展。在整个工作流程中，气动张力辊实时调节物料的张力，维持张力恒定，使物料平稳输送；

(6)控制系统重复上述(1)—(5)的工作。

所述步骤(2)中，使用的多电机虚拟主轴控制结构原理图如图2所示，放卷电机、送料电机、输送电机使用基于虚拟主轴的多电机同步控制结构，根据虚拟主轴输入信号ω₀ ^*，S₀ ^*，分别得出各伺服电机驱动器的同步参考信号ω₀，S₀，即参考输入线速度和参考位置，将参考输入线速度和参考位置同步信号发送给各伺服驱动器。伺服驱动器以编码器作为当前带材速度和位置的采集装置，不断对带材的线速度和位置进行速度和位置上的调整，以跟踪虚拟主轴的速度和位置。每个从轴均采取此方式跟踪虚拟主轴，从而实现众多电机的同步运行。当单个电机遇到扰动时，驱动器会根据电机输出量的反馈值进行速度和位置的调整，保证电机从速度和位置上跟随虚拟主轴，从而消除电机运行扰动。

所述步骤(3)中基于参数辨识的送料电机位置闭环控制模式框图如图3所示，送料电机的实际位置信号s通过编码器实时反馈到控制器结点，在控制器结点中求取跟踪误差如下:

Δs＝s_set-s (1)

其中s_set为设定的剪切长度。

然后经过特定的算法计算出给定速度的速度修正量v_revise，加上控制器根据上位机设定的剪切长度规划出的送料电机的规划速度v_planning，得到电机的给定速度如下：

v＝v_revise+v_planning (2)

将电机的设定速度v传送给执行器，构成位置闭环控制。

使用的特定的算法是基于参数辨识的给定速度修正算法，算法的输入为送料电机的实时位置跟踪误差Δs，输出为送料电机的修正给定速度v_revise，具体实现步骤如下：

1)采集参数辨识数据。当送料电机控制模式由同步模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式时，计算编码器反馈的速度v₀、加速度a₀和加加速度b₀，记录对应的位置反馈控制系数k₁,k₂,k₃和最终剪切误差e作为参数辨识的数据，一共采集n组数据。因系统具有非线性的特点，使用分段线性化的控制策略，位置反馈控制系数依据位置误差的不同分为三级，分别为k₁,k₂,k₃。假设控制模式切换时的位置跟踪误差为Δs₀，则位置环反馈控制系数为：

2)构造反馈系数模型。用线性关系模型拟合剪切误差与位置反馈控制系数间的关系，如下所示：

e_i＝α_j,i+β_j,ik_j,i+ξ_j,i，j＝1,2,3 (4)

其中，i表示采样数据组的编号，j表示位置反馈控制系数的编号，ξ_j,i是建模误差，并且

公式(4)(5)中e_i,v_0,i,a_0,i,b_0,i分别表示第i组数据的相关变量，α_j,i,β_j,i分别为对应的第j个位置反馈控制系数的参数，γ_j,1,γ_j,2,γ_j,3,δ_j,1,δ_j,2,δ_j,3分别为速度、加速度、加加速度与α_j,i,β_j,i的相关系数。令

θ_j＝(γ_j,1,γ_j,2,γ_j,3,δ_j,1,δ_j,2,δ_j,3)^T

Y＝(e₁,e₂,…,e_n)^T

根据公式(4)-(6)，导出

e_i＝(v_0,i,a_0,i,b_0,i,k_j,iv_0,i,k_j,ia_0,i,k_j,ib_0,i)θ_j+ξ_j,i (7)

利用前述n组采样数据，通过极小化(7)中的模型误差ξ_j,i，即通过求解下面的参数优化问题：

得到模型(4)的最优系数θ_j,j＝1,2,3。

3)最优位置反馈控制系数计算。在每次送料电机控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式时，计算编码器反馈的速度v₀、加速度a₀和加加速度b₀，根据剪切误差与位置反馈控制系数间的关系，令误差e为零，求得预测的反馈控制系数为：

其中

4)使用步骤3)中预测的位置反馈控制系数k_j，当送料电机控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式之后，送料电机位置闭环控制器按下式计算送料电机的修正设定速度:

v_revise＝k_jΔs (11)

其中，Δs是当前送料电机的实时位置跟踪误差。

Claims (5)

1.一种基于辨识模型的多电机同步控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)设定剪切长度、剪切数量和放卷速度；

2)根据剪切长度、剪切数量和放卷速度，计算出各个电机的速度与位置曲线以及同步点数据，采用虚拟主轴同步控制结构，将同步控制数据分别传送给放卷电机伺服驱动器、送料电机伺服驱动器和输送电机伺服驱动器，各伺服电机驱动器分别控制各伺服电机带动物料运动，在电机运行过程中，气动张力辊实时调节物料的张力，维持张力恒定，使物料平稳输送；

3)测量送料速度与长度，在长度达到设定的剪切长度的90％时，将送料电机的控制模式由同步控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式，使用基于参数辨识的给定速度修正算法计算出电机的修正给定速度，修正给定速度加上根据设定的剪切长度规划出的送料电机的规划速度，得到送料电机的设定速度，将该设定速度传送给送料电机伺服驱动器，驱动器控制送料电机完成物料输送；

4)物料被输送到设定的剪切长度后停止运动，反馈完成信号至剪切机，完成带材剪切；

5)输送电机控制传送带按同步控制模式运行，当剪切完成后，传送带将剪切好的物料向前输送；

6)重复步骤1)～步骤5)。

2.根据权利要求1所述的基于辨识模型的多电机同步控制方法，其特征在于，步骤2)中，所述同步控制数据包括参考输入线速度和参考位置，将所述参考输入线速度和参考位置同步信号发送给各电机的伺服驱动器，各电机的伺服驱动器以编码器作为当前带材速度和位置的采集装置，对带材的线速度和位置进行调整，以跟踪虚拟主轴的速度和位置，实现多电机的同步运行。

3.根据权利要求1所述的基于辨识模型的多电机同步控制方法，其特征在于，步骤3)中，计算电机的修正给定速度的具体实现过程包括：

1)当送料电机控制模式由同步模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式时，计算编码器反馈的速度v₀、加速度a₀和加加速度b₀，记录对应的位置反馈控制系数k₁,k₂,k₃和最终剪切误差e作为参数辨识的数据，一共采集n组数据，使用分段线性化的控制策略，位置反馈控制系数依据位置误差的不同分为三级，分别为k₁,k₂,k₃；设控制模式切换时的位置跟踪误差为Δs₀，则位置环反馈控制系数为：

其中，Δs为送料电机的实时位置跟踪误差；

2)用线性关系模型拟合剪切误差与位置反馈控制系数间的关系：

e_i＝α_j,i+β_j,ik_j,i+ξ_j,i，j＝1,2,3；

其中，i表示采样数据组的编号，j表示位置反馈控制系数的编号，k_j,i是第i组数据的第j个反馈系数，ξ_j,i是建模误差；

e_i,v_0,i,a_0,i,b_0,i分别表示第i组数据的剪切误差、速度、加速度和加加速度，α_j,i,β_j,i分别为对应的第j个位置反馈控制系数的参数，γ_j,1,γ_j,2,γ_j,3分别表示速度、加速度、加加速度与α_j,i的相关系数，δ_j,1,δ_j,2,δ_j,3分别为速度、加速度、加加速度与β_j,i的相关系数令

导出e_i＝(v_0,i,a_0,i,b_0,i,k_j,iv_0,i,k_j,ia_0,i,k_j,ib_0,i)θ_j+ξ_j,i，利用前述n组数据，通过极小化剪切误差与位置反馈控制系数间的线性关系模型中的模型误差ξ_j,i，即通过求解下面的参数优化问题：

得到线性关系模型的最优系数θ_j,j＝1,2,3；

3)在每次送料电机控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式时，计算编码器反馈的速度v₀、加速度a₀和加加速度b₀，根据线性关系模型，令剪切误差为零，求得预测的反馈控制系数为：

γ_j,1,γ_j,2,γ_j,3,δ_j,1,δ_j,2,δ_j,3的值由θ_j得出；

4)使用步骤3)中预测的位置反馈控制系数k_j，当送料电机控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式之后，送料电机位置闭环控制器计算送料电机的修正设定速度:v_revise＝k_jΔs。

4.一种基于辨识模型的多电机同步控制系统，其特征在于，包含：

设定单元，用于设定剪切长度、剪切数量和放卷速度；

计算单元，用于根据剪切长度、剪切数量和放卷速度，计算出各个电机的速度与位置曲线以及同步点数据，采用虚拟主轴同步控制结构，将同步控制数据分别传送给放卷电机伺服驱动器、送料电机伺服驱动器和输送电机伺服驱动器，各伺服电机驱动器分别控制各伺服电机带动物料运动；

测量单元，用于测量送料速度与长度，在长度达到设定的剪切长度的90％时，将送料电机的控制模式由同步控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式，使用基于参数辨识的给定速度修正算法计算出电机的修正给定速度，修正给定速度加上根据设定的剪切长度规划出的送料电机的规划速度，得到送料电机的设定速度，将该设定速度传送给送料电机伺服驱动器，驱动器控制送料电机完成物料输送；

反馈单元，用于在物料被输送到设定的剪切长度后停止物料的运动，反馈完成信号至剪切机，完成带材剪切；

输送单元，用于利用输送电机控制传送带按同步控制模式运行，当剪切完成后，传送带将剪切好的物料向前输送。

5.根据权利要求4所述的基于辨识模型的多电机同步控制系统，其特征在于，计算电机的修正给定速度的具体实现过程包括：

1)当送料电机控制模式由同步模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式时，计算编码器反馈的速度v₀、加速度a₀和加加速度b₀，记录对应的位置反馈控制系数k₁,k₂,k₃和最终剪切误差e作为参数辨识的数据，一共采集n组数据，使用分段线性化的控制策略，位置反馈控制系数依据位置误差的不同分为三级，分别为k₁,k₂,k₃；设控制模式切换时的位置跟踪误差为Δs₀，则位置环反馈控制系数为：

其中，Δs为送料电机的实时位置跟踪误差；

2)用线性关系模型拟合剪切误差与位置反馈控制系数间的关系：

e_i＝α_j,i+β_j,ik_j,i+ξ_j,i，j＝1,2,3；

其中，i表示采样数据组的编号，j表示位置反馈控制系数的编号，k_j,i是第i组数据的第j个反馈系数，ξ_j,i是建模误差；

e_i,v_0,i,a_0,i,b_0,i分别表示第i组数据的剪切误差、速度、加速度和加加速度，α_j,i,β_j,i分别为对应的第j个位置反馈控制系数的参数，γ_j,1,γ_j,2,γ_j,3分别表示速度、加速度、加加速度与α_j,i的相关系数，δ_j,1,δ_j,2,δ_j,3分别为速度、加速度、加加速度与β_j,i的相关系数令

导出e_i＝(v_0,i,a_0,i,b_0,i,k_j,iv_0,i,k_j,ia_0,i,k_j,ib_0,i)θ_j+ξ_j,i，利用前述n组数据，通过极小化剪切误差与位置反馈控制系数间的线性关系模型中的模型误差ξ_j,i，即通过求解下面的参数优化问题：

得到线性关系模型的最优系数θ_j,j＝1,2,3；

3)在每次送料电机控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式时，计算编码器反馈的速度v₀、加速度a₀和加加速度b₀，根据线性关系模型，令剪切误差为零，求得预测的反馈控制系数为：

γ_j,1,γ_j,2,γ_j,3,δ_j,1,δ_j,2,δ_j,3的值由θ_j得出；

4)使用步骤3)中预测的位置反馈控制系数k_j，当送料电机控制模式切换到基于参数辨识的位置闭环控制模式之后，送料电机位置闭环控制器计算送料电机的修正设定速度:v_revise＝k_jΔs。