CN113325785A - 一种基于数据存储的位置重复控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数据存储的位置重复控制方法，用以解决实际伺服系统中位置域重复控制效果较差的问题。本发明的技术要点包括：根据干扰信号的位置周期构造干扰信号位置内模；根据干扰信号位置内模设计角速度相关时变位置滤波器；针对角速度相关时变位置滤波器，设计对应的位置补偿器；将干扰信号位置内模、角速度相关时变位置滤波器和位置补偿器相结合构成位置重复控制器；针对谐波干扰成分，将多个位置重复控制器级联，构造级联位置重复控制器。本发明解决了位置重复控制系统的稳定性、周期偏移及参数整定问题，并能够有效实现位置周期干扰的抑制，提高伺服系统角位置精度及角速度平稳性。本发明可应用于伺服系统中对时变周期干扰信号的抑制或跟踪。

Description

一种基于数据存储的位置重复控制方法

技术领域

本发明涉及伺服控制技术领域，具体涉及一种基于数据存储的位置重复控制方法。

背景技术

在全球制造业竞争激烈的背景下，中国提出了“中国制造2025”的制造强国建设战略，机械产品的制造、发展水平将决定中国在全球制造业的地位。旋转机械是一类主要依靠旋转动作完成特定功能的机械，典型的旋转机械包括燃气轮机、风机、水轮机和离心机等，要求系统具有运行速度范围宽、效率/功率因数高和可靠性强等特点，被广泛应用于化工、石油、冶金、电力等关系国计民生的重要领域，已成为现代工业生产中不可或缺的运行装备。随着科学技术的日新月异，旋转机械日益向高速、精密和自动化方向发展，如航空航天领域使用的发动机、陀螺仪等，这些应用对旋转机械角位置精度及角速度平稳性的要求也愈发提高。

在电驱动旋转机械精密伺服领域，伺服精度及平稳性主要受到周期性的电机力矩波动及机械摩擦影响。这些干扰往往表现为角位置的周期函数呈现时变周期特性，会降低伺服系统的角位置精度，并使角速度平稳性变差，导致电驱动旋转机械难以满足高精度应用的需要。

重复控制是一种能够跟踪或抑制周期信号的控制方法，经常被用于抑制连续旋转伺服系统中存在的时间周期干扰。然而，其不足之处在于：(1)只能抑制固定时间周期的干扰，难以抑制时变周期干扰；(2)为保证稳定性引入的滤波器会导致周期偏移问题，使重复控制器周期对准精度变差；(3)多种干扰及其谐波同时存在时，单一重复控制器难以抑制全部干扰成分。针对上述问题，现有技术中已经有研究提出了位置域重复控制方法，但该方法需要位置采样，难以应用于实际伺服系统。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种基于数据存储的位置重复控制方法，用以解决实际伺服系统中位置域重复控制效果较差的问题。

一种基于数据存储的位置重复控制方法，包括下述步骤：

步骤一、获取干扰信号的位置周期；其中，位置周期等于伺服系统运行角速度乘以干扰信号的时间周期；

步骤二、根据所述位置周期构造干扰信号位置内模；

步骤三、根据所述位置周期和所述干扰信号位置内模，设计角速度相关时变位置滤波器；

步骤四、针对角速度相关时变位置滤波器，设计对应的位置补偿器，以补偿角速度相关时变位置滤波器存在的周期偏移；

步骤五、将所述干扰信号位置内模、所述角速度相关时变位置滤波器和所述位置补偿器相结合，构成位置重复控制器，实现对单一位置周期干扰信号的抑制。

进一步地，步骤二的具体过程包括：构造动态延迟时间T_ddj，所述动态延迟时间覆盖干扰信号的一个位置周期，其对应的动态延迟环节为

以反馈控制器输出信号为输入信号，以动态延迟环节的输出信号为反馈信号，构造正反馈环节，得到干扰信号位置内模为：

式中，T_ddj表示动态延迟时间；s为拉普拉斯算子。

进一步地，步骤三的具体过程包括：

步骤三一、根据所述位置周期对应的位置频率确定角速度相关时变位置滤波器的带宽；根据带宽获得转折频率参数w_cj；

步骤三二、根据伺服系统运行角速度v(t)设计正比于角速度的角速度相关时变位置滤波器的转折频率v(t)w_cj，构成角速度相关时变位置滤波器：

式中，ζ为系统阻尼，

为系统的有阻尼震荡频率；

步骤三三、将角速度相关时变位置滤波器与动态延迟环节串联，以保证将位置内模置于闭环系统后的稳定性。

进一步地，步骤四的具体过程包括：

步骤四一、计算角速度相关时变位置滤波器的相位滞后值；

步骤四二、根据所述位置周期和所述相位滞后值计算由相位滞后造成的周期偏移，从而获得伺服系统经过周期偏移需要的补偿时间T_ddsj；

步骤四三、根据补偿时间设计超前环节

即构成角速度相关时变位置滤波器的位置补偿器。

进一步地，步骤五的具体过程包括：

步骤五一、将步骤二中所述动态延迟环节与步骤四中所述位置补偿器结合，构成修正的延迟环节

步骤五二、将步骤三中所述角速度相关时变位置滤波器与修正的延迟环节

串联；

步骤五三、以反馈控制器输出信号为输入信号，以角速度相关时变位置滤波器的输出为反馈信号，构造正反馈环节，得到位置重复控制器G_CQPRCj[s,v(t)]：

进一步地，还包括步骤六：针对伺服系统存在的多种干扰成分，重复执行步骤一至步骤五，构建与干扰成分数量一致的位置重复控制器，具体过程包括：

步骤六一、调整转折频率参数w_cj，根据小增益定理使闭环系统满足稳定性条件；

步骤六二、将相同或不同位置周期的多个干扰信号对应的位置重复控制器串联连接，构成级联位置重复控制器。

进一步地，在步骤六之后进行步骤七：以时间采样实现级联位置重复控制器；具体过程为：

步骤七一、设置数据存储器并初始化N·360×3的存储区域，N为精度系数，N＝1,2,…；数据存储器第一列为序号，固定值分别为：1，2，…，N·360-1，N·360；数据存储器第二列为位置细分区，固定值分别为：序号/N；数据存储器第三列为控制信号暂存区，初始值均为0；

步骤七二、在每个时间采样处，数据存储器以实时控制信号为输入信号，以实时位置信号为位置判断信号，将实时位置信号对步骤一中所述位置周期求余，将余数扩大N倍并向上取整，得到实时位置细分对应的序号，该序号所在行的控制信号最后一次更新时刻与该时间采样时刻的时间差即为动态延迟时间T_ddj；

步骤七三、找到实时位置细分对应的序号所在行的位置细分，并沿位置细分变小的方向移动与周期偏移相等的位置，移动的位置即为补偿时间T_ddsj，选择该行的控制信号暂存数据作为数据存储器的输出，实现修正的延迟环节

步骤七四、将该行的控制信号暂存数据替换为位置重复控制器的输入信号与该行的控制信号原始暂存数据之和，以时间采样实现一个位置重复控制器；

步骤七五、将相同或不同位置周期的多个干扰信号对应的位置重复控制器按照步骤七一至步骤七四分别实现，并串联连接，从而以时间采样实现级联位置重复控制器。

本发明的有益技术效果是：

本发明提出了一种基于数据存储的位置重复控制方法，其主要内容包括：(1)构造干扰信号位置内模；(2)设计角速度相关时变位置滤波器；(3)设计角速度相关时变位置滤波器的位置补偿器；(4)针对存在的谐波干扰成分，将提出的控制器级联，构造级联位置重复控制器。本发明解决了位置重复控制系统的稳定性问题、周期偏移问题及参数整定问题，并能够有效地实现位置周期干扰的抑制，提高伺服系统角位置精度及角速度平稳性；对于存在多种位置周期扰动的系统，本发明可以实现多种位置周期干扰的抑制；提供了时间采样机制下的实现方案，解决了位置采样在实际系统中难以实现的问题。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明中基于数据存储的第i个位置重复控制器；

图3为本发明中级联位置重复控制器；其中，u为级联位置重复控制器输入信号；u′为级联位置重复控制器输出信号；

图4为本发明中基于级联位置重复控制器的伺服系统框图；

图5为本发明中不同控制器下系统角位置误差对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，在下文中将结合附图对本发明的示范性实施方式或实施例进行描述。显然，所描述的实施方式或实施例仅仅是本发明一部分的实施方式或实施例，而不是全部的。基于本发明中的实施方式或实施例，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方式或实施例，都应当属于本发明保护的范围。

重复控制是基于内模原理提出的，内模原理的核心是把外部作用信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统，该原理指出，任何一个能良好地抵消外部干扰或跟踪参考输入信号的反馈控制系统，其反馈回路必须包含一个与外部输入信号相同的动力学模型，这个动力学模型称为内模。

任意基频时间周期为T的周期信号的内模可表示为：

式中，

为基波周期信号和各谐波周期信号的频率；s表示拉普拉斯算子。

通过双曲正弦函数变换可以得到：

一般称上述公式(2)描述的内模为基本时间重复控制器，其可通过带有时滞环节的正反馈实现。

由于上述基本时间重复控制器只能抑制固定时间周期的干扰，难以抑制时变周期干扰；且会导致周期偏移问题，使重复控制器周期对准精度变差；且在多种干扰及其谐波同时存在时，单一重复控制器难以抑制全部干扰成分。因此，为了抑制时变周期干扰及其谐波，提高伺服系统的精度及运行平稳性，本发明提出一种基于数据存储的位置重复控制方法，主要内容包括：(1)构造干扰信号在时间度量下的位置内模；(2)设计角速度相关时变位置滤波器；(3)补偿角速度相关时变位置滤波器在时间度量下存在的周期偏移。针对存在的主要谐波干扰成分，设计数个本发明提出的控制器，并将其级联，构造级联位置重复控制器，对干扰及其谐波共同抑制。将本发明应用于实际伺服系统中，可以有效地抑制多种位置周期干扰，提高伺服系统的精度及运行平稳性。

结合图1、图2，一种基于数据存储的位置重复控制方法包括以下步骤：

步骤一、实验获得干扰的位置周期(或位置频率)。

步骤一一、使系统以不同的恒角速度运动，分别设置匀速运行角速度为v_i＝30·i(度/秒)，i＝1,2,3,4,5；设置参考输入信号为r_i(t)＝v_i·t(度)，实验分别测得系统位置误差，记做e_i(t)(度)。

步骤一二、对e_i(t)进行FFT(fast Fourier transform,快速傅里叶变换)分析，结合r_i(t)分析变换结果的峰值，得到不同参考输入信号下干扰的时间周期T_ij(秒)；或时间频率f_ij＝1/T_ij(1/秒)；其中，j＝1,2,…为对位置误差进行FFT分析后各个主要峰值的序号。

步骤一三、定义干扰信号的位置周期(或位置频率)为

对不同参考输入信号下干扰的时间周期(或时间频率)进行坐标变换，得到干扰信号的位置周期(或位置频率)。

步骤二、针对步骤一获得的干扰位置周期，构造干扰信号位置内模。

步骤二一、构造动态延迟时间T_ddj，使其恰好覆盖干扰信号的一个位置周期，即干扰信号的一个位置周期所花费的时间等于动态延迟时间；其对应的动态延迟环节为

步骤二二、以反馈控制器输出信号u为输入信号，以动态延迟环节的输出信号为反馈信号，构造正反馈环节，得到在时间度量下的干扰信号位置内模为：

式中，e为自然对数的底，s为拉普拉斯算子。

步骤三、针对步骤二构造的干扰信号位置内模，设计角速度相关时变位置滤波器，保证该环节的稳定性。

步骤三一、根据干扰信号的位置周期

对应的位置频率

确定时变位置滤波器的带宽；根据带宽获得转折频率参数w_cj；

步骤三二、针对以

为位置周期的干扰信号，设计正比于角速度的时变位置滤波器的转折频率v(t)w_cj，构成角速度相关时变位置滤波器Q_j[s,v(t)]，

式中，v(t)为伺服系统运行角速度，ζ为系统阻尼，

为系统的有阻尼震荡频率；

步骤三三、将时变位置滤波器与动态延迟环节串联，以保证将位置内模置于闭环系统后的稳定性，串联后构成的正反馈环节的传递函数为：

步骤四、针对步骤三设计的角速度相关时变位置滤波器，设计角速度相关时变位置滤波器的位置补偿器，补偿时变位置滤波器存在的周期偏移。

步骤四一、计算角速度相关时变位置滤波器的相位滞后γ_j＝∠Q_j[s,v(t)](弧度)。

步骤四二、结合步骤一获得的干扰的位置周期，计算由相位滞后造成的周期偏移

步骤四三、设计超前环节

式中T_ddsj为补偿时间，其等于系统经过由相位滞后造成的周期偏移

需要的时间，构成时变位置滤波器的位置补偿器，以补偿时变位置滤波器存在的周期偏移。

步骤五、将步骤二构造的干扰信号位置内模

步骤三设计的角速度相关时变位置滤波器Q_j[s,v(t)]和步骤四设计的时变位置滤波器的位置补偿器

结合，构成位置重复控制器，实现对单一位置周期干扰

的抑制。

步骤五一、将步骤二中构造的动态延迟环节与步骤四中设计的位置补偿器结合，构成修正的延迟环节

步骤五二、将步骤三中设计的角速度相关时变位置滤波器与修正的延迟环节串联；

步骤五三、以反馈控制器输出信号为输入信号，以角速度相关时变位置滤波器的输出为反馈信号，构造正反馈环节，得到位置重复控制器G_CQPRCj[s,v(t)]，以实现对单一位置周期干扰

的抑制：

步骤六、针对伺服系统存在多种位置周期扰动，将步骤五设计的位置重复控制器级联，构成级联位置重复控制器，如图3所示，实现多种位置周期干扰的抑制。

步骤六一、调整位置重复控制器参数即转折频率参数w_cj，根据小增益定理使闭环系统满足稳定性条件；

步骤六二、将分别针对位置周期为

的干扰的位置重复控制器串联连接，构成级联位置重复控制器，实现多种位置周期干扰的抑制。

步骤七、以时间采样实现级联位置重复控制器。

步骤七一、在数据存储器中设置并初始化N·360×3的存储区域，N为精度系数，N＝1,2,…。数据存储器第一列为序号，固定值分别为：1,2,…,N·360-1,N·360；数据存储器第二列为位置细分区，固定值分别为：(序号)/N；数据存储器第三列为控制信号暂存区，初始值均为0。

步骤七二、在每个时间采样处，数据存储器接收实时控制信号和实时位置信号，将实时位置信号对步骤一获得的位置周期求余，将余数扩大N倍并向上取整，得到实时位置细分对应的序号，该序号所在行的控制信号最后一次更新时刻与该时间采样时刻的时间差即为动态延迟时间T_ddj。

步骤七三、找到该序号所在行的位置细分，并沿位置细分变小的方向移动与周期偏移相等的位置，移动的位置即为为补偿时间T_ddsj，选择该行的控制信号暂存数据作为数据存储器的输出，实现修正的延迟环节

步骤七四、将该行的控制信号暂存数据替换为位置重复控制器的输入信号与原数据之和。

步骤七五、将相同或不同位置周期的多个干扰信号对应的位置重复控制器按照步骤七一至步骤七四分别实现，并串联连接，从而以时间采样实现级联位置重复控制器。

本发明不仅限于电驱动伺服系统中时变周期干扰的抑制，对其它运动形式中周期信号的抑制或跟踪也依旧适用。

图4为一种基于数据存储的位置重复控制方法控制框图，其中，r为参考输入；e为角位置误差信号，u为反馈控制器输出信号；ω为实时角速度；θ为实时角位置；d为位置相关的扰动；u′为级联位置重复控制器的输出。将本发明应用于含有多种位置周期干扰的伺服系统中，以角位置精度为指标，对比如图5所示。可以看出，使用位置内模+时变位置滤波器的方法时，伺服系统在360度范围内的角位置误差仍具有多种周期性地干扰，且幅值较大；使用位置内模+时变位置滤波器+位置补偿器的方法时，幅值较高的周期性干扰被很大程度上抑制，证明位置补偿器消除了由时变位置滤波器存在的周期偏移，但角位置误差仍具有谐波干扰成分；使用级联位置重复控制器的方法时，系统角位置误差几乎不存在周期性成分，证明级联位置重复控制器实现了多种位置周期干扰的抑制，同时证明本发明使伺服系统的精度及运行平稳性得到了有效地改善。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种基于数据存储的位置重复控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一、获取干扰信号的位置周期；其中，位置周期等于伺服系统运行角速度乘以干扰信号的时间周期；

步骤二、根据所述位置周期构造干扰信号位置内模；

步骤三、根据所述位置周期和所述干扰信号位置内模，设计角速度相关时变位置滤波器；

步骤四、针对角速度相关时变位置滤波器，设计对应的位置补偿器，以补偿角速度相关时变位置滤波器存在的周期偏移；

步骤五、将所述干扰信号位置内模、所述角速度相关时变位置滤波器和所述位置补偿器相结合，构成位置重复控制器，实现对单一位置周期干扰信号的抑制。

2.根据权利要求1所述的一种基于数据存储的位置重复控制方法，其特征在于，步骤二的具体过程包括：构造动态延迟时间T_ddj，所述动态延迟时间覆盖干扰信号的一个位置周期，其对应的动态延迟环节为

以反馈控制器输出信号为输入信号，以动态延迟环节的输出信号为反馈信号，构造正反馈环节，得到干扰信号位置内模为：

式中，T_ddj表示动态延迟时间；s为拉普拉斯算子。

3.根据权利要求2所述的一种基于数据存储的位置重复控制方法，其特征在于，步骤三的具体过程包括：

步骤三一、根据所述位置周期对应的位置频率确定角速度相关时变位置滤波器的带宽；根据带宽获得转折频率参数w_cj；

步骤三二、根据伺服系统运行角速度v(t)设计正比于角速度的角速度相关时变位置滤波器的转折频率v(t)w_cj，构成角速度相关时变位置滤波器：

式中，ζ为系统阻尼，

为系统的有阻尼震荡频率；

步骤三三、将角速度相关时变位置滤波器与动态延迟环节串联，以保证将位置内模置于闭环系统后的稳定性。

4.根据权利要求3所述的一种基于数据存储的位置重复控制方法，其特征在于，步骤四的具体过程包括：

步骤四一、计算角速度相关时变位置滤波器的相位滞后值；

步骤四二、根据所述位置周期和所述相位滞后值计算由相位滞后造成的周期偏移，从而获得伺服系统经过周期偏移需要的补偿时间T_ddsj；

步骤四三、根据补偿时间设计超前环节

即构成角速度相关时变位置滤波器的位置补偿器。

5.根据权利要求4所述的一种基于数据存储的位置重复控制方法，其特征在于，步骤五的具体过程包括：

步骤五一、将步骤二中所述动态延迟环节与步骤四中所述位置补偿器结合，构成修正的延迟环节

步骤五二、将步骤三中所述角速度相关时变位置滤波器与修正的延迟环节

串联；

步骤五三、以反馈控制器输出信号为输入信号，以角速度相关时变位置滤波器的输出为反馈信号，构造正反馈环节，得到位置重复控制器G_CQPRCj[s,v(t)]：

6.根据权利要求5所述的一种基于数据存储的位置重复控制方法，其特征在于，还包括步骤六：针对伺服系统存在的多种干扰成分，重复执行步骤一至步骤五，构建与干扰成分数量一致的位置重复控制器，具体过程包括：

步骤六一、调整转折频率参数w_cj，根据小增益定理使闭环系统满足稳定性条件；

步骤六二、将相同或不同位置周期的多个干扰信号对应的位置重复控制器串联连接，构成级联位置重复控制器。

7.根据权利要求6所述的一种基于数据存储的位置重复控制方法，其特征在于，在步骤六之后进行步骤七：以时间采样实现级联位置重复控制器；具体过程为：

步骤七一、设置数据存储器并初始化N·360×3的存储区域，N为精度系数，N＝1,2,…；数据存储器第一列为序号，固定值分别为：1，2，…，N·360-1，N·360；数据存储器第二列为位置细分区，固定值分别为：序号/N；数据存储器第三列为控制信号暂存区，初始值均为0；

步骤七二、在每个时间采样处，数据存储器以实时控制信号为输入信号，以实时位置信号为位置判断信号，将实时位置信号对步骤一中所述位置周期求余，将余数扩大N倍并向上取整，得到实时位置细分对应的序号，该序号所在行的控制信号最后一次更新时刻与该时间采样时刻的时间差即为动态延迟时间T_ddj；

步骤七三、找到实时位置细分对应的序号所在行的位置细分，并沿位置细分变小的方向移动与周期偏移相等的位置，移动的位置即为补偿时间T_ddsj，选择该行的控制信号暂存数据作为数据存储器的输出，实现修正的延迟环节

步骤七四、将该行的控制信号暂存数据替换为位置重复控制器的输入信号与该行的控制信号原始暂存数据之和，以时间采样实现一个位置重复控制器；

步骤七五、将相同或不同位置周期的多个干扰信号对应的位置重复控制器按照步骤七一至步骤七四分别实现，并串联连接，从而以时间采样实现级联位置重复控制器。

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