CN110365257A - 一种多电机协同控制方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多电机协同控制方法、系统及装置，采用非线性PID控制结构，其不仅保存了传统PID控制器的简单结构，而且具有不依赖于对象具体模型、对外部扰动和系统参数变化有较强抗干扰能力的特点，从而提高了系统的稳定性，使得多电机协同控制效果较好，可适用于较为复杂的工作环境中；而且，当某一轴的电机受到外界干扰时，其它电机能够及时地进行调整，从而克服了多电机跟随的滞后性问题。此外，本申请基于系统各电机之间的同步速度误差为系统中每台电机均提供了速度补偿值，从而提高了系统的响应速度和控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种多电机协同控制方法、系统及装置。
背景技术
在很多生产加工领域中，多轴运动协同控制系统的应用逐渐广泛。多轴运动协同控制除了需要完成单轴跟踪目标外，还需要根据实际生产任务所要求的各个轴之间保持的运动学关系，实时引入其它轴的运动信息来调整当前轴的运动，从而实现多轴运动的协调和完成多轴协同精度的目标。
多轴运动协同控制系统的多台电机之间协调运行性能的优劣直接影响到系统的可靠性和控制精度，目前，传统PID(proportion-integral-differential，比例-积分-微分)控制器在多轴运动协同控制中仍然占据着主导地位，但是，传统PID结构较为简单，抗干扰能力较弱，导致系统的稳定性易受到影响，多电机协同控制效果较差，无法适用于较为复杂的工作环境中；而且，当某一轴的电机受到外界干扰时，其它电机不能及时地进行调整，有一定的滞后性。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多电机协同控制方法、系统及装置，提高了系统的稳定性，使得多电机协同控制效果较好，可适用于较为复杂的工作环境中；而且，克服了多电机跟随的滞后性问题；此外，本申请基于系统各电机之间的同步速度误差为系统中每台电机均提供了速度补偿值，从而提高了系统的响应速度和控制精度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种多电机协同控制方法，包括：
获取系统中多个电机的实际速度，并根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到所述目标电机的速度补偿值；其中，所述目标电机为多个所述电机中任一电机；
将所述目标电机的给定速度减去其对应的实际速度和速度补偿值，求取电机速度误差；
将所述电机速度误差经非线性PID控制器调节，得到所述目标电机的输入控制电压，并根据所述输入控制电压调整所述目标电机的输入电压，以实现多个所述电机的协同控制。
优选地，所述根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到所述目标电机的速度补偿值的过程，包括：
根据预设同步误差关系式求取第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差；其中，w(t)为系统参考速度，wz(t)为第z台电机的速度，uz为第z台电机的速度占所述系统参考速度的比例系数，z为大于1的整数，表示系统中电机的个数；
根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到第i台电机的速度补偿值。
优选地，所述根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到第i台电机的速度补偿值的过程，包括：
根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，和预设速度补偿关系式wc＝Ki1(wi/ui-w1/u1)+Ki2(wi/ui-w2/u2)+...+Kiz(wi/ui-wz/uz)，求取第i台电机的速度补偿值；其中，Kiz为速度耦合补偿增益。
优选地，其中Ji为第i台电机的转动惯量，Jz为第z台电机的转动惯量。
优选地，所述非线性PID控制器的模型具体为：
其中，u为电机输入控制电压，kp为比例参数，kd为微分参数，e1为电机速度误差，e2为电机加速度误差，a1、a2为非线性因子，二者均为正数；δ为系统调节误差，b为系统稳态误差。
优选地，0＜a1＜1＜a2。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种多电机协同控制系统，包括：
速度补偿模块，用于获取系统中多个电机的实际速度，并根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到所述目标电机的速度补偿值；其中，所述目标电机为多个所述电机中任一电机；
误差求取模块，用于将所述目标电机的给定速度减去其对应的实际速度和速度补偿值，求取电机速度误差；
PID控制模块，用于将所述电机速度误差经非线性PID控制器调节，得到所述目标电机的输入控制电压，并根据所述输入控制电压调整所述目标电机的输入电压，以实现多个所述电机的协同控制。
优选地，所述速度补偿模块包括：
同步误差求取子模块，用于获取系统中多个电机的实际速度，并根据预设同步误差关系式求取第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差；其中，w(t)为系统参考速度，wz(t)为第z台电机的速度，uz为第z台电机的速度占所述系统参考速度的比例系数，z为大于1的整数，表示系统中电机的个数；
速度补偿值求取子模块，用于根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，和预设速度补偿关系式wc＝Ki1(wi/ui-w1/u1)+Ki2(wi/ui-w2/u2)+...+Kiz(wi/ui-wz/uz)，求取第i台电机的速度补偿值；其中，Kiz为速度耦合补偿增益。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种多电机协同控制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行所述计算机程序时实现上述任一种多电机协同控制方法的步骤。
本发明提供了一种多电机协同控制方法，采用非线性PID控制结构，其不仅保存了传统PID控制器的简单结构，而且具有不依赖于对象具体模型、对外部扰动和系统参数变化有较强抗干扰能力的特点，从而提高了系统的稳定性，使得多电机协同控制效果较好，可适用于较为复杂的工作环境中；而且，当某一轴的电机受到外界干扰时，其它电机能够及时地进行调整，从而克服了多电机跟随的滞后性问题。此外，本申请基于系统各电机之间的同步速度误差为系统中每台电机均提供了速度补偿值，从而提高了系统的响应速度和控制精度。
本发明还提供了一种多电机协同控制系统及装置，与上述协同控制方法具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多电机协同控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种多电机协同控制原理图；
图3为本发明实施例提供的一种如图2所示速度补偿器原理图；
图4为本发明实施例提供的一种非线性PID和改进型PID控制的单轴电机的输出对比图；
图5为本发明实施例提供的一种在等量干扰下非线性PID和改进型非线性PID的放大对比图；
图6为本发明实施例提供的一种在随机噪声下采用PID控制、非线性PID控制与改进型非线性PID控制的协同控制系统的输出曲线对比图；
图7为本发明实施例提供的一种在随机噪声下采用PID控制、非线性PID控制与改进型非线性PID控制的协同控制系统的输出曲线对比放大图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种多电机协同控制方法、系统及装置，提高了系统的稳定性，使得多电机协同控制效果较好，可适用于较为复杂的工作环境中；而且，克服了多电机跟随的滞后性问题；此外，本申请基于系统各电机之间的同步速度误差为系统中每台电机均提供了速度补偿值，从而提高了系统的响应速度和控制精度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种多电机协同控制方法的流程图。
该多电机协同控制方法包括：
步骤S1：获取系统中多个电机的实际速度，并根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到目标电机的速度补偿值。
需要说明的是，步骤S1中的目标电机为系统中多个电机中任一电机。
具体地，由于多电机协同控制系统除了需要完成目标电机的实际速度跟踪其给定速度外，还需要根据实际生产任务所要求的各个电机之间保持的运动学关系，实时引入系统中其余电机的速度信息来调整目标电机的速度，从而实现多个电机的协同控制。
基于此，本申请获取系统中各个电机的实际速度，以目标电机为例，根据各个电机的实际速度，得到目标电机与系统中其余电机的同步速度误差；然后根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到目标电机的速度补偿值，以为后续调整目标电机的速度打下基础。
步骤S2：将目标电机的给定速度减去其对应的实际速度和速度补偿值，求取电机速度误差。
具体地，本申请的目标电机的电机速度误差＝目标电机的给定速度-目标电机的实际速度-目标电机的速度补偿值，所以本申请在步骤S1得到目标电机的实际速度和速度补偿值之后，将目标电机的给定速度减去其对应的实际速度和速度补偿值，以求取目标电机的电机速度误差。
需要说明的是，目标电机的给定速度是提前设置好的，只需要设置一次，除非根据实际情况需要修改，否则不需要重新设置。
步骤S3：将电机速度误差经非线性PID控制器调节，得到目标电机的输入控制电压，并根据输入控制电压调整目标电机的输入电压，以实现多个电机的协同控制。
具体地，步骤S2求取的目标电机的电机速度误差输入至非线性PID控制器中调节，非线性PID控制器输出的是目标电机的输入控制电压，即目标电机的输入电压的目标调整值，则根据目标电机的输入控制电压调整目标电机的输入电压，从而调整目标电机的速度，不仅使目标电机的实际速度跟踪其给定速度，而且使各个电机的速度满足于实际生产任务所要求的各个电机之间保持的运动学关系，进而实现了多个电机的协同控制。
本发明提供了一种多电机协同控制方法，采用非线性PID控制结构，其不仅保存了传统PID控制器的简单结构，而且具有不依赖于对象具体模型、对外部扰动和系统参数变化有较强抗干扰能力的特点，从而提高了系统的稳定性，使得多电机协同控制效果较好，可适用于较为复杂的工作环境中；而且，当某一轴的电机受到外界干扰时，其它电机能够及时地进行调整，从而克服了多电机跟随的滞后性问题。此外，本申请基于系统各电机之间的同步速度误差为系统中每台电机均提供了速度补偿值，从而提高了系统的响应速度和控制精度。
请参照图2及图3，图2为本发明实施例提供的一种多电机协同控制原理图，图3为本发明实施例提供的一种如图2所示速度补偿器原理图。
该多电机协同控制方法在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到目标电机的速度补偿值的过程，包括：
根据预设同步误差关系式求取第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差；其中，w(t)为系统参考速度，wz(t)为第z台电机的速度，uz为第z台电机的速度占系统参考速度的比例系数，z为大于1的整数，表示系统中电机的个数；
根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到第i台电机的速度补偿值。
具体地，对于一个包含z台电机的多电机协同控制系统，系统中各电机之间速度的关系为：w＝w1/u1＝w2/u2＝...＝wi/ui＝...＝wz/uz，将系统的同步误差关系式定义为如下形式：
此同步误差关系式表示第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差。
可以理解的是，要满足系统的同步要求，应使第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差稳定收敛，即满足下式：
因此，多电机协同控制系统的控制目标是使得各个电机之间的同步速度误差快速稳定收敛。
基于此，目标电机的速度补偿值求取过程包括：根据同步误差关系式求取第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差；然后根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到第i台电机的速度补偿值。
作为一种优选地实施例，根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到第i台电机的速度补偿值的过程，包括：
根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，和预设速度补偿关系式wc＝Ki1(wi/ui-w1/u1)+Ki2(wi/ui-w2/u2)+...+Kiz(wi/ui-wz/uz)，求取第i台电机的速度补偿值；其中，Kiz为速度耦合补偿增益。
具体地，在多电机协同控制系统中，最重要的部分是速度补偿器，由速度补偿器为每台电机提供速度补偿值，其决定了系统的响应速度和控制精度。本申请的速度补偿器表示为：wc＝Ki1(wi/ui-w1/u1)+Ki2(wi/ui-w2/u2)+...+Kiz(wi/ui-wz/uz)，图3实际给出的是第1台电机的速度补偿结构。其中，K12、K13…K1z为速度耦合补偿增益，其作用类似于比例控制。
基于此，目标电机的速度补偿值求取过程包括：根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，和速度补偿关系式wc＝Ki1(wi/ui-w1/u1)+Ki2(wi/ui-w2/u2)+...+Kiz(wi/ui-wz/uz)，求取第i台电机的速度补偿值。
作为一种优选地实施例，其中Ji为第i台电机的转动惯量，Jz为第z台电机的转动惯量。
具体地，如
作为一种优选地实施例，非线性PID控制器的模型具体为：
其中，u为电机输入控制电压，kp为比例参数，kd为微分参数，e1为电机速度误差，e2为电机加速度误差，a1、a2为非线性因子，二者均为正数；δ为系统调节误差，b为系统稳态误差。
具体地，本申请的非线性PID控制器输入为步骤S2求取的电机速度误差，输出为电机输入控制电压，其采用的是PD形式的非线性组合，并对其进行改进：
传统非线性PID控制器表示为：u＝kpfal(e1,a1,δ)+kdfal(e2,a2,δ)；其中，e1为电机速度误差，e2为电机加速度误差，即电机速度误差的导数；fal函数表示为：
当误差较大时，为了加快系统增益的减小，增强系统的抗性，本申请对fal函数进行改进，具体基于系统稳态误差b设计了fale函数：
作为一种优选地实施例，0＜a1＜1＜a2。
进一步地，根据fal函数的特点和现场运行经验，fale函数应适当地选择非线性因子a，将极大地改变控制效果，使比例、微分各自发挥出各自的功效。对于比例作用，在小误差时应采用大增益，大误差时应采用小增益，故取a为0＜a＜1。对于微分作用，在微分误差小时应采用小增益，微分误差大时应采用大增益，故取a为a＞1。
综上，多电机协同控制系统包括改进型非线性PID控制器、速度补偿器，其中，速度补偿器根据各电机之间的工作状态为每台电机动态分配速度补偿值，非线性PID控制器能通过所设计的非线性fale函数进行自适应变化，将电机速度误差转化为控制量作用于被控电机。本申请的基于改进型非线性PID的多电机协同控制方法改善了系统的稳定性，具有能较强的适应性、鲁棒性，能够使系统的控制性能大幅度提高。
更具体地，设目标电机的给定转速为50rad/s，目标电机为一个二阶系统，其传递函数为：
根据目标电机的给定转速和传递函数，对非线性PID和改进型非线性PID进行参数整定，得到其输出相应曲线，如图4所示。从图4中可以看出，在电机参数相同的情况下，采用改进型非线性PID控制方法所得到的效果相比较于非线性PID控制方法具有更好的控制性能，响应速度得到大幅度提升。目标电机在1.2S时加入大小相同的干扰，改进型非线性PID控制的电机所需的调节时间比非线性PID控制的电机更短，能更快地根据系统中其余电机的工作状况进行调整，而且振荡起伏比非线性PID更小、更稳定，保证系统的稳定运行。
图5是系统在1.2S时加入等量干扰时，非线性PID和改进型非线性PID的放大对比图。从图5中可以看出，在稳定运行的系统中加入大小相同的干扰时，与基于非线性PID控制的系统相比较，基于改进型非线性PID控制的系统的输出超调量小，更快到达稳定值，效果更佳，在加入干扰时系统的调节能力显著提高、抗干扰性增强，电机所需的调节时间大大缩短。
图6是在随机噪声下采用PID控制、非线性PID控制与改进型非线性PID控制的协同控制系统的输出曲线对比图，图7是在随机噪声下采用PID控制、非线性PID控制与改进型非线性PID控制的协同控制系统的输出曲线对比放大图，从图6和图7中可以看出，非线性PID具有比传统PID更好的抗干扰能力，改进型非线性PID不仅提高了系统的响应速度，而且提升了非线性PID的抗干扰能力。
本发明还提供了一种多电机协同控制系统，包括：
速度补偿模块，用于获取系统中多个电机的实际速度，并根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到目标电机的速度补偿值；其中，目标电机为多个电机中任一电机；
误差求取模块，用于将目标电机的给定速度减去其对应的实际速度和速度补偿值，求取电机速度误差；
PID控制模块，用于将电机速度误差经非线性PID控制器调节，得到目标电机的输入控制电压，并根据输入控制电压调整目标电机的输入电压，以实现多个电机的协同控制。
作为一种优选地实施例，速度补偿模块包括：
同步误差求取子模块，用于获取系统中多个电机的实际速度，并根据预设同步误差关系式求取第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差；其中，w(t)为系统参考速度，wz(t)为第z台电机的速度，uz为第z台电机的速度占系统参考速度的比例系数，z为大于1的整数，表示系统中电机的个数；
速度补偿值求取子模块，用于根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，和预设速度补偿关系式wc＝Ki1(wi/ui-w1/u1)+Ki2(wi/ui-w2/u2)+...+Kiz(wi/ui-wz/uz)，求取第i台电机的速度补偿值；其中，Kiz为速度耦合补偿增益。
本发明提供的协同控制系统的介绍请参考上述协同控制方法的实施例，本发明在此不再赘述。
本发明还提供了一种多电机协同控制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行计算机程序时实现上述任一种多电机协同控制方法的步骤。
本发明提供的协同控制装置的介绍请参考上述协同控制方法的实施例，本发明在此不再赘述。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种多电机协同控制方法，其特征在于，包括：
获取系统中多个电机的实际速度，并根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到所述目标电机的速度补偿值；其中，所述目标电机为多个所述电机中任一电机；
将所述目标电机的给定速度减去其对应的实际速度和速度补偿值，求取电机速度误差；
将所述电机速度误差经非线性PID控制器调节，得到所述目标电机的输入控制电压，并根据所述输入控制电压调整所述目标电机的输入电压，以实现多个所述电机的协同控制。
2.如权利要求1所述的多电机协同控制方法，其特征在于，所述根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到所述目标电机的速度补偿值的过程，包括：
根据预设同步误差关系式求取第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差；其中，w(t)为系统参考速度，wz(t)为第z台电机的速度，uz为第z台电机的速度占所述系统参考速度的比例系数，z为大于1的整数，表示系统中电机的个数；
根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到第i台电机的速度补偿值。
3.如权利要求2所述的多电机协同控制方法，其特征在于，所述根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到第i台电机的速度补偿值的过程，包括：
根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，和预设速度补偿关系式wc＝Ki1(wi/ui-w1/u1)+Ki2(wi/ui-w2/u2)+...+Kiz(wi/ui-wz/uz)，求取第i台电机的速度补偿值；其中，Kiz为速度耦合补偿增益。
4.如权利要求3所述的多电机协同控制方法，其特征在于，其中Ji为第i台电机的转动惯量，Jz为第z台电机的转动惯量。
5.如权利要求1-4任一项所述的多电机协同控制方法，其特征在于，所述非线性PID控制器的模型具体为：
u＝kpfale(e1,a1,δ)+kdfale(e2,a2,δ)，
其中，u为电机输入控制电压，kp为比例参数，kd为微分参数，e1为电机速度误差，e2为电机加速度误差，a1、a2为非线性因子，二者均为正数；δ为系统调节误差，b为系统稳态误差。
6.如权利要求5所述的多电机协同控制方法，其特征在于，0＜a1＜1＜a2。
7.一种多电机协同控制系统，其特征在于，包括：
速度补偿模块，用于获取系统中多个电机的实际速度，并根据目标电机与系统中其余电机的同步速度误差，得到所述目标电机的速度补偿值；其中，所述目标电机为多个所述电机中任一电机；
误差求取模块，用于将所述目标电机的给定速度减去其对应的实际速度和速度补偿值，求取电机速度误差；
PID控制模块，用于将所述电机速度误差经非线性PID控制器调节，得到所述目标电机的输入控制电压，并根据所述输入控制电压调整所述目标电机的输入电压，以实现多个所述电机的协同控制。
8.如权利要求7所述的多电机协同控制系统，其特征在于，所述速度补偿模块包括：
同步误差求取子模块，用于获取系统中多个电机的实际速度，并根据预设同步误差关系式求取第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差；其中，w(t)为系统参考速度，wz(t)为第z台电机的速度，uz为第z台电机的速度占所述系统参考速度的比例系数，z为大于1的整数，表示系统中电机的个数；
速度补偿值求取子模块，用于根据第i台电机与系统中其余电机的同步速度误差，和预设速度补偿关系式
wc＝Ki1(wi/ui-w1/u1)+Ki2(wi/ui-w2/u2)+...+Kiz(wi/ui-wz/uz)，求取第i台电机的速度补偿值；其中，Kiz为速度耦合补偿增益。
9.一种多电机协同控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述的多电机协同控制方法的步骤。
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