CN110209046A - 一种基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，通过分析伺服滚压设备各子模块的输入输出特性，建立滚压设备的线性动力学模型G(s)；构建干扰观测器，由此得到输入电压‑输出力间的传递函数和外部干扰‑输出力间的传递函数；将滚压设备连续传递函数转化为离散形式G(z)；在干扰观测器外部增加比例积分反馈控制器，从而实现压力闭环控制，达到滚压设备的高精度压力控制的目的。本发明提供通过对外部干扰进行状态观测及补偿，针对非最小相位系统，提出了近似稳定逆模型以确保干扰观测器的稳定性。采用本发明提出的控制方法可以减小了由于工件厚度变化导致的外部扰动力对压力控制信赖的影响，从而确保了滚压过程中压力控制的精度。

Description

一种基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法

技术领域

本发明涉及滚压设备的压力控制，特别涉及一种基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法。

背景技术

滚动压合在诸如笔记本电池安装，偏光片贴合，板材压合等场合得到了广泛的应用，其主要机理是：通过伺服电驱动丝杆旋转，从而带动滚轮在垂直于工件的平面上施加一定的压力，另外一台伺服电机驱动滚轮向前或者往复滚动，从而实现较大面积工件的压合操作。在滚轮上端或者驱动机构中安装压力传感器实现压力反馈，并与指令压力进行比较得到压力误差，然后通过特定的压力控制算法生成控制信号对电动机进行控制，使得实际加载压力满足设定要求。

在滚动压合过程中，工件厚度的变化会导致实际加载压力发生波动，甚至会超出压力设定要求。然而，在某些滚压场合中，例如手机电池的滚动压合，较大幅度的压力波动会导致压合过程失败，甚至会导致工件损坏。为了满足滚压要求，常规做法是降低滚压装置的刚性或者减小滚压的速度。降低滚压装置的刚性可以减小压力波动的幅值，从而减小工件厚度变化对实际加载压力的影响，但是降低刚性会降低系统的响应能力；减小滚压速度可以减小压力波动的速率，然后而显著地降低压合效率。此外采用这两种方法，均不能抵消外部扰动对压力控制精度的不利影响。本领域的技术人员致力于开发出具有外部干扰抑制性能的高精度压力控制方法。

中国专利申请号为201810002177.3，名称为“一种偏光片贴合装置”中提到了一种滚动贴合装置，该装置能够解决贴合时存在贴合气泡的问题。中国专利申请号为201721028579.8，名称为“一种电池滚压设备”中提到运用电动滚动压合，可调压合力度，用软件控制，自动滚动压合电池。然而以上两种装置不能有效解决滚动压合过程中，工件厚度变化所带来的压力波动问题。

中国专利申请号为201310625834.7，名称为“干扰观测器在嵌入式运动控制中的实现方法”中提到了一种高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法。中国专利申请号为201810094286.2，名称为“一种基于干扰观测器的电机位置伺服系统自适应控制方法”中提到了一种基于干扰观测器的电机位置伺服系统自适应控制方法。然而以上方法仅适合于伺服电机的位置控制，不能用于滚动压合过程的压力控制。

滚动压合过程中，工件厚度变化导致实际加载压力产生波动，滚压速度越快，压力波动越大，从而影响最终的压合效果，甚至会工件损坏。中国专利“一种偏光片贴合装置”和“一种电池滚压设备”所提出的滚压设备及滚压工艺均不能有效解决这一难题，这两种方案在要求快速滚压的情况下，不能够提供高性能的压力控制。

发明内容

本发明目的是：本发明鉴于当前滚动压合过程中存在的问题，提出一种基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，其目的在于得到一种具有外部干扰抑制能力的高精度压力控制方法，该方法可以有效减小工件厚度变化所导致的压力波动，从而提高滚压过程中压力控制的精度。

本发明的技术方案是：

一种基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、通过分析伺服滚压设备各子模块的输入输出特性，建立滚压设备的线性动力学模型G(s)；

步骤S2、构建干扰观测器，由此得到输入电压-输出力间的传递函数和外部干扰-输出力间的传递函数；

步骤S3、将滚压设备连续传递函数转化为离散形式G(z)；

步骤S4、在干扰观测器外部增加比例积分反馈控制器，从而实现压力闭环控制，达到滚压设备的高精度压力控制的目的。

优选的，步骤S1中建立的线性动力学模型G(s)，其数学表达式为：

其中F是输出压力，u是加载电压，λ丝杆导程，J是系统惯量，m是压头质量，c是压头等效阻尼，k是轴向刚度，B是电机阻尼系数，η是丝杆模组机械效率，K_a是力矩系数。

优选的，步骤S2中得到的输入电压-输出力间的传递函数和外部干扰-输出力间的传递函数分别：

其中d是扰动力，Q是低通滤波器Q值。

优选的，步骤S3中连续传递函数的离散形式的系统G(z)，如果离散形式系统G(z)是非最小相位系统，即分子项B(z)包含非最小相位零点，标称逆模型会存在非最小相位极点，从而导致系统失稳，构建G_n(z)的稳定近似逆：

其中z_i,p_i,k₁分别是近似稳定逆的零点、极点和增益，m₁是分子项阶次，n₁是分母项阶次；

定义如下目标函数：

且满足，

|ρ|＜γ,γ＜1.

其中r和q是权重系数，权重系数r用于确保系统在其一阶固有频率附件不被激励起来，权重q用于确保系统精确跟踪期望压力。

优选的，步骤S4中比例积分控制器定义为：

e(k)＝F_d(k)-F(k)

其中K_p,K_i分别是比例增益和积分增益，k代表运行时刻。

优选的，步骤S2中，当Q≈1时，G_Fd≈0；定义滤波器Q定义为：

其中τ是时间常数,N是滤波器的阶次,滤波器的相对阶r必须大于或者等于滚压系统传递函数的相对阶。

优选的，步骤S3中连续传递函数的离散形式系统G(z)为

其中A(z)是离散传递函数分子项，B(z)是离散传递函数分母项，m是分子项阶次，n是分母项阶次。

优选的，所述权重系数r定义为：

其中(0,ω_r)表示所选定的工作频带，权重q定义为：

其中η用于调整输入幅度的大小，τ_q用于频率特性；采用matlab中的函数fmincon实现近似逆模型的参数的优化。

本发明的优点是：

本发明提供了一种基于干扰观测器的压力控制方法，该方法通过对外部干扰进行状态观测及补偿，针对非最小相位系统，提出了近似稳定逆模型以确保干扰观测器的稳定性。采用本发明提出的控制方法可以减小了由于工件厚度变化导致的外部扰动力对压力控制信赖的影响，从而确保了滚压过程中压力控制的精度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为伺服滚压设备压力系统原理图；

图2为伺服滚压设备压力控制框图；

图3为基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法实现流程图。

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，以下结合附图及实施例子，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例子仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是伺服滚压设备压力系统原理图，伺服电机带动丝杆转动、驱动滚压头沿垂直于工件平面的方向下压，从而在工件上施加压力，另一台伺服电机驱动滚压头滚动，从而实现滚动压合。工件受到的压力通过力传感器反馈到伺服驱动器中，经过集成在伺服驱动器内部的压力闭环控制器得到电机控制指令，从而实现压力控制。

伺服滚压设备压力控制框图如图2所示，采用干扰观测器的目的是为了提高系统对外部干扰的鲁棒性，减小外部干扰对压力控制性能的影响，从而提高压力控制精度。

如图3所示，本发明的基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，具体实施步骤包括：

(一)建立伺服压合系统的数学模型，为后续的控制器设计提供模型基础。滚压系统的输入电压与输出压力之间的传递函数可以表示为：

其中F是输出压力，u是加载电压，λ丝杆导程，J是系统惯量，m是压头质量，c是压头等效阻尼，k是轴向刚度，B是电机阻尼系数，η是丝杆模组机械效率，K_a是力矩系数。

(二)构建干扰观测器，由此可以得到输入电压-输出力间的传递函数和外部干扰-输出力间的传递函数：

其中d是扰动力，Q是低通滤波器，当Q≈1时，G_Fd≈0。滤波器Q定义为：

其中τ是时间常数,N是滤波器的阶次,滤波器的相对阶r必须大于或者等于滚压系统传递函数的相对阶。

(三)为了便于在控制器中实现所提出的压力控制方法，将系统连续传递函数转化为离散形式：

其中A(z)是离散传递函数分子项，B(z)是离散传递函数分母项，m是分子项阶次，n是分母项阶次。

如果离散系统G(z)是非最小相位系统，即分子项B(z)包含非最小相位零点，标称逆模型会存在非最小相位极点，从而导致系统失稳，因此构建G_n(z)的稳定近似逆：

其中z_i,p_i,k₁分别是近似稳定逆的零点、极点和增益，m₁是分子项阶次，n₁是分母项阶次。定义如下目标函数：

且满足，

|ρ|＜γ,γ＜1.

其中r和q是权重系数。权重r用于确保系统在其一阶固有频率附件不被激励起来，权重q用于确保系统精确跟踪期望压力。由于水床效应，不可能在所以频带内均使得因此仅需要关注工作频带内的性能，因此权重r定义为：

其中(0,ω_r)表示所选定的工作频带，权重q定义为：

其中η用于调整输入幅度的大小，τ_q用于频率特性。采用matlab中的函数fmincon实现近似逆模型的参数的优化。

(四)在干扰观测器外部增加比例积分反馈控制器，从而实现压力闭环控制，达到滚压系统的高精度压力控制的目的。，比例积分控制器定义为：

e(k)＝F_d(k)-F(k)

其中K_p，K_i分别是比例增益和积分增益。

本发明提供了一种基于干扰观测器的压力控制方法，该方法通过对外部干扰进行状态观测及补偿，针对非最小相位系统，提出了近似稳定逆模型以确保干扰观测器的稳定性。采用本发明提出的控制方法可以减小了由于工件厚度变化导致的外部扰动力对压力控制信赖的影响，从而确保了滚压过程中压力控制的精度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、通过分析伺服滚压设备各子模块的输入输出特性，建立滚压设备的线性动力学模型G(s)；

步骤S2、构建干扰观测器，由此得到输入电压-输出力间的传递函数和外部干扰-输出力间的传递函数；

步骤S3、将滚压设备连续传递函数转化为离散形式G(z)；

步骤S4、在干扰观测器外部增加比例积分反馈控制器，从而实现压力闭环控制，达到滚压设备的高精度压力控制的目的。

2.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，其特征在于，步骤S1中建立的线性动力学模型G(s)，其数学表达式为：

其中F是输出压力，u是加载电压，λ丝杆导程，J是系统惯量，m是压头质量，c是压头等效阻尼，k是轴向刚度，B是电机阻尼系数，η是丝杆模组机械效率，K_a是力矩系数。

3.根据权利要求2所述的基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，其特征在于，步骤S2中得到的输入电压-输出力间的传递函数和外部干扰-输出力间的传递函数分别：

其中d是扰动力，Q是低通滤波器Q值。

4.根据权利要求3所述的基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，其特征在于，步骤S3中连续传递函数的离散形式的系统G(z)，如果离散形式系统G(z)是非最小相位系统，即分子项B(z)包含非最小相位零点，标称逆模型G_n ^-1会存在非最小相位极点，从而导致系统失稳，构建G_n(z)的稳定近似逆：

其中z_i,p_i,k₁分别是近似稳定逆的零点、极点和增益，m₁是分子项阶次，n₁是分母项阶次；

定义如下目标函数：

且满足，

|ρ|＜γ,γ＜1.

其中r和q是权重系数，权重系数r用于确保系统在其一阶固有频率附件不被激励起来，权重q用于确保系统精确跟踪期望压力。

5.根据权利要求4所述的基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，其特征在于，步骤S4中比例积分控制器定义为：

e(k)＝F_d(k)-F(k)

其中K_p,K_i分别是比例增益和积分增益，k代表运行时刻。

6.根据权利要求3所述的基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，其特征在于，步骤S2中，当Q≈1时，G_Fd≈0；定义滤波器Q定义为：

其中τ是时间常数,N是滤波器的阶次,滤波器的相对阶r必须大于或者等于滚压系统传递函数的相对阶。

7.根据权利要求4所述的基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，其特征在于，步骤S3中连续传递函数的离散形式系统G(z)为

其中A(z)是离散传递函数分子项，B(z)是离散传递函数分母项，m是分子项阶次，n是分母项阶次。

8.根据权利要求7所述的基于干扰观测器的滚压设备压力控制方法，其特征在于，所述权重系数r定义为：

其中(0,ω_r)表示所选定的工作频带，权重q定义为：

其中η用于调整输入幅度的大小，τ_q用于频率特性；采用matlab中的函数fmincon实现近似逆模型的参数的优化。