CN112947045B - 一种多轴同步运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单神经元网络PID的粗、精调的多轴同步运动控制方法,设计了同步控制单元,采用粗、精调的先后两级同步误差补偿策略,其中同步控制单元中的粗调子模块对转速同步误差直接进行补偿,具有快速调整的作用;而同步控制单元中的精调子模块采用单神经元网络PID的控制器,能够自适应调整PID三个参数,能有效改善多电机的动态运行的同步精度。本发明所述的多轴同步运动控制方法具有调整速度快、同步稳态误差小、动态性能好、鲁棒性强的优点,能实现多电机系统的快速稳定同步控制。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种多电机同步运动控制方法,具体涉及一种基于单神经元网络PID的改进型相邻交叉耦合控制的多轴同步运动控制。
【背景技术】
多电机同步控制在龙门机床,纺织,工业机器人,造纸等控制领域应用广泛,多电机的同步精度直接影响到生产效率、产品的质量,以及生产线的安全性,因此,一个性能好的多轴同步控制方法对于多电机系统性能的实现具有十分重要的意义。
目前已有多种同步运动控制方法被提出并应用到多电机系统上,常见的有并行控制、主从控制、偏差耦合控制、电子虚拟总轴控制、环形耦合控制等。
并行控制或主从控制,结构简单易实现,但各轴之间没有耦合,若在运行过程中受到干扰不会反馈给其它轴,因而同步精度不高及抗扰能力不强。电子虚拟总轴控制虽然具有较好的同步特性,但该同步方法在启动及停机过程中,会产生暂时性的不同步现象,且在主参考信号和各个轴的输出之间可能产生一个固定的误差。而传统的耦合多轴同步方式的交叉耦合控制和偏差耦合控制不适用于轴数目过多的系统。
传统的同步控制器大多采用PID控制器,PID由于其技术成熟,在过程控制中获得了广泛的应用。但是PID控制器使用前,需要对PID控制器的参数进行整定,多轴的多个同步控制器一起参数整定难度较大,并且对一些复杂过程、参数时变系统,PID的参数不易实时在线调整。
【发明内容】
为了解决上述问题,本发明提供一种多轴同步运动控制方法,其基于单神经元网络PID的粗、精调的多轴同步运动控制方法,采用粗、精调的先后两级同步误差补偿策略,其中粗调子模块对转速同步误差直接进行补偿,具有快速调整的作用;其中精调子模块采用单神经元网络PID的控制器,能够在线自适应调整PID三个参数,能有效改善多电机的动态运行的同步精度。
本发明是通过以下技术方案实现的,提供一种多轴同步运动控制方法,包括以下步骤:
S1构建具有n台电机的多轴同步运动控制系统,该多轴同步运动控制系统设有n个同步控制单元,所述电机的参考转速为ωref(t),所述同步控制单元的输入量为相邻交叉耦合误差输出量为转速补偿量ΔωSi(t);
S2定义第i轴电机的跟随误差为:
ei(t)=ωref(t)-ωi(t) (1),
于式(1)中,ωref(t)和ωi(t)分别为第i轴电机的参考转速与实际运行转速,在多轴同步运动控制过程中,需使ei(t)→0,同时需要满足如下关系:
e1(t)=...=ei(t)=...en(t) (2);
S3定义每个轴的同步误差为:
于式(3)中,每根轴需满足条件:εi(t)→0,如此e1(t)=...=ei(t)=...en(t),实现了多轴的同步运动控制;
S4对于第i轴,需考虑其与相邻两根轴的同步误差,即i轴需与i-1轴和i+1轴保持同步,以保证同步误差εi-1(t)、εi(t)收敛于零,定义相邻交叉耦合误差为:
特别的,所述同步控制单元包括:粗调子模块、精调子模块;所述粗调子模块对每个轴的转速相邻耦合误差经比例调整后直接进行比例补偿,输出转速补偿量ΔωSi1(t);所述精调子模块对每个轴的转速相邻耦合误差进行积分后,采用具有自学习和自适应功能的单神经元网络PID控制器进行调节,输出转速补偿量ΔωSi2(t)。
特别的,所述步骤S1中同步控制单元的输出量ΔωSi(t)等于粗调子模块和精调子模块输出转速补偿量之和。
特别的,所述单神经元网络PID控制器通过如下算法实现:
上式(5)中,K为神经元的比例系数,z(k)=e(k),x1(k)=e(k),x2(k)=Δe(k)=e(k)-e(k-1),x3(k)=Δ2e(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2),ηI,ηP,ηD分别为积分、比例、微分的学习速率代替PID控制器中的积分(I)、比例(P)、微分(D)项的系数,实现可变参数的自适应PID控制,将相邻交叉耦合误差积分后的值设为单神经元网络PID的输入值e(k),输出转速补偿量ΔωSi2(t),完成对同步误差实时的补偿。
本发明提供一种多轴同步运动控制方法,将每个轴的同步控制模块划分为粗调和精调两个子模块,其中粗调子模块能实现同步误差的快速补偿;其中精调子模块对传统相邻交叉耦合控制结构进行了改进,将交叉耦合同步误差积分后再通过控制器调整,经仿真验证,改进后的相邻交叉耦合控制结构比传统相邻交叉耦合控制结构,具有更快的调整速度,更小的同步稳态误差;同时将神经网络和PID控制器相结合,设计了单神经元网络PID同步控制控制器,与传统PID同步控制器相比,能更好的运用于时变系统,具有更快的收敛速度以及更好的鲁棒性。
【附图说明】
图1为本发明一种多轴同步运动控制方法的结构框图;
图2为本发明一种多轴同步运动控制方法中所述同步控制单元的结构框图;
图3为本发明一种多轴同步运动控制方法中所述相邻交叉耦合同步误差的结构框图;
图4为本发明一种多轴同步运动控制方法中所述单神经元自适应PID控制的结构框图;
图5为传统相邻交叉耦合的四轴同步控制Simulink仿真效果图;
图6为本发明一种多轴同步运动控制方法中基于单神经元的PID的粗、精调的改进型相邻交叉耦合的四轴同步仿真效果图。
【具体实施方式】
本发明提供一种基于单神经元网络PID的改进型相邻交叉耦合的多轴同步运动控制方法,针对每个轴设计了单独的同步控制单元,采用粗、精调的先后两级同步误差补偿策略,针对每个轴设计了单独的同步控制单元,同步控制单元将相邻交叉耦合误差调整后输出转速补偿量ΔωSi2(t),对相邻两轴的同步误差进行实时补偿。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,对本发明进一步详细说明。
请参阅图1-图3所示,本发明提供一种基于单神经元网络PID的改进型相邻交叉耦合的多轴同步运动控制方法,包括以下步骤:
S1构建具有n台电机的多轴同步运动控制系统,该多轴同步运动控制系统设有n个同步控制单元,所述电机的参考转速为ωref(t),所述同步控制单元包括:粗调子模块、精调子模块;所述同步控制单元的输入量为相邻交叉耦合误差输出量为粗调子模块和精调子模块输出转速补偿量之和,即ΔωSi(t)=ΔωSi1(t)+ΔωSi2(t),所所述粗调子模块对每个轴的转速相邻耦合误差经比例调整后直接进行比例补偿,输出转速补偿量ΔωSi1(t),快速调整同步误差;所述精调子模块的工作过程包括:积分环节和单神经元网络PID控制器调节环节,具体如下:首先对每个轴的转速相邻耦合误差进行积分后,采用具有自学习和自适应功能的单神经元网络PID控制器进行调节,输出转速补偿量ΔωSi2(t),对相邻两轴的同步误差进行实时补偿;
S2定义第i轴电机的跟随误差为:
ei(t)=ωref(t)-ωi(t) (1),
于式(1)中,ωref(t)和ωi(t)分别为第i轴电机的参考转速与实际运行转速,在多轴同步运动控制过程中,需使ei(t)→0,同时需要满足如下关系:
e1(t)=...=ei(t)=...en(t) (2);
S3定义每个轴的同步误差为:
于式(3)中,每根轴需满足条件:εi(t)→0,如此e1(t)=...=ei(t)=...en(t),实现了多轴的同步运动控制;
S4对于第i轴,需考虑其与相邻两根轴的同步误差,即i轴需与i-1轴和i+1轴保持同步,以保证同步误差εi-1(t)、εi(t)收敛于零,定义相邻交叉耦合误差为:
特别的,所述单神经元网络PID控制器采用有监督的Hebb学习规则的单神经元PID控制,如图4所示,具体通过如下算法实现:
上式(5)中,K为神经元的比例系数,z(k)=e(k),x1(k)=e(k),x2(k)=Δe(k)=e(k)-e(k-1),x3(k)=Δ2e(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2),ηI,ηP,ηD分别为积分、比例、微分的学习速率代替PID控制器中的积分(I)、比例(P)、微分(D)项的系数,实现可变参数的自适应PID控制,将相邻交叉耦合误差积分后的值设为单神经元网络PID的输入值e(k),输出转速补偿量ΔωSi2(t)完成对同步误差实时的补偿。
为了验证本发明所述方法的可行性,在Simulink中分别搭建了传统相邻交叉耦合的四轴和基于单神经元的PID的粗、精调的改进型相邻交叉耦合的四轴同步运动控制的仿真模型,并进行了仿真验证,分别获得图5和图6,其中图5为传统相邻交叉耦合的四轴同步控制Simulink仿真结果图,图6为基于单神经元的PID的粗、精调的改进型相邻交叉耦合的四轴同步仿真结果图;由图5可以发现,传统的多轴同步方法最大同步误差为12rpm,同步误差调整时间为2.4ms;而采用本发明所述方法的获得的最大同步误差为7rpm,同步误差调整时间为1.3ms。
由此可知,发明较传统方法有效减小了最大同步误差,具有调整速度快、同步稳态误差小、动态性能好、鲁棒性强的优点,能实现多电机系统的快速稳定同步控制,同时证实了本发明所述方法的有效性。
Claims (3)
1.一种多轴同步运动控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1构建具有n台电机的多轴同步运动控制系统,该多轴同步运动控制系统设有n个同步控制单元,所述电机的参考转速为ωref(t),所述同步控制单元的输入量为相邻交叉耦合误差输出量为转速补偿量ΔωSi(t);所述同步控制单元包括:粗调子模块、精调子模块;所述粗调子模块对每个轴的转速相邻耦合误差经比例调整后直接进行比例补偿,输出转速补偿量ΔωSi1(t);所述精调子模块对每个轴的转速相邻耦合误差进行积分后,采用具有自学习和自适应功能的单神经元网络PID控制器进行调节,输出转速补偿量ΔωSi2(t),所述同步控制单元的输出量ΔωSi(t)等于粗调子模块和精调子模块输出转速补偿量之和;
S2定义第i轴电机的跟随误差为:
ei(t)=ωref(t)-ωi(t) (1),
于式(1)中,ωref(t)和ωi(t)分别为第i轴电机的参考转速与实际运行转速,在多轴同步运动控制过程中,需使ei(t)→0,同时需要满足如下关系:
e1(t)=...=ei(t)=...en(t) (2);
S3定义每个轴的同步误差为:
于式(3)中,每根轴需满足条件:εi(t)→0,如此e1(t)=...=ei(t)=...en(t),实现了多轴的同步运动控制;
S4对于第i轴,需考虑其与相邻两根轴的同步误差,即i轴需与i-1轴和i+1轴保持同步,以保证同步误差εi-1(t)、εi(t)收敛于零,定义相邻交叉耦合误差为:
2.根据权利要求1所述的一种多轴同步运动控制方法,其特征在于,所述单神经元网络PID控制器通过如下算法实现:
w1(k)=w1(k-1)+ηIz(k)u(k)x1(k)
w2(k)=w2(k-1)+ηPz(k)u(k)x2(k)
w3(k)=w3(k-1)+ηDz(k)u(k)x3(k) (5),
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