CN113534748A - 兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统 - Google Patents

兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113534748A
CN113534748A CN202110939198.XA CN202110939198A CN113534748A CN 113534748 A CN113534748 A CN 113534748A CN 202110939198 A CN202110939198 A CN 202110939198A CN 113534748 A CN113534748 A CN 113534748A
Authority
CN
China
Prior art keywords
acceleration
deceleration
motion
algorithm
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN202110939198.XA
Other languages
English (en)
Inventor
刘红俐
金雨昇
朱其新
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou University of Science and Technology
Original Assignee
Suzhou University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou University of Science and Technology filed Critical Suzhou University of Science and Technology
Priority to CN202110939198.XA priority Critical patent/CN113534748A/zh
Publication of CN113534748A publication Critical patent/CN113534748A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/416—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control of velocity, acceleration or deceleration
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/35—Nc in input of data, input till input file format
    • G05B2219/35473—Input limit values of speed, position, acceleration or force

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

本发明涉及一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统，方法包括利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型；根据加减速曲线模型规划运动轨迹，在保持运动平滑程度的同时兼具运动效率。本发明利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型，一方面减少了加减速过程中运动系统受到的柔性冲击，增强了运动控制的平滑度，另一方面使加加速度的运动曲线能够在到达最大加加速度后得到保持，显著提高运动效率，解决了现有技术中在保持运动平滑程度的同时无法兼具运动效率的问题。

Description

兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统
技术领域
本发明涉及伺服系统运动控制技术领域，尤其涉及一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统。
背景技术
在自动化控制中，加减速控制技术是系统在运动中能够保持高效稳定、减小误差的重要手段和可靠保障。加减速算法的核心是追求效率与柔性的最优融合，在保证系统运动精度的前提下，致力于提高运动效率，同时尽可能减少运动过程中产生的冲击、失步、超程、振荡等问题。
在传统的加减速算法中，直线加减速算法和指数加减速算法在系统运动的启动和终止时加速度数值不为零，存在突变，在高速重载情况下产生的冲击尤为明显。S曲线加减速算法是七段式的加减速算法，能够在较高的运动效率下减少速度变化产生的柔性冲击。三角函数算法的提出进一步减少了速度变化产生的柔性冲击，但是运动效率被降低。
其中三角函数类型的轨迹规划算法经历了正弦加速度、正弦加加速度、类余弦加加速度这一系列的改进发展，系统运动的平滑程度得到了很大的提升，但是同时，整个运动过程的运动效率被降低且忽视，如图1所示。因此如何在保持运动平滑程度的同时使运动效率得到提高是亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中在保持运动平滑程度的同时无法兼具运动效率的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，包括：
利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型；
根据所述加减速曲线模型规划运动轨迹，在保持运动平滑程度的同时兼具运动效率。
在本发明的一个实施例中，所述加减速曲线模型包括加加速度算法，所述加加速度算法如下：
Figure BDA0003214078560000021
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti。
在本发明的一个实施例中，所述加减速曲线模型的加减速过程包括十五段，分别为加加加速段t1、匀加加速段t2、减加加速段t3、匀加速段t4、减减加速段t5、匀减加速段t6、加减加速段t7、匀速段t8、减减减速段t9、匀减减速段t10、加减减速段t11、匀减速段t12、加加减速段t13、匀加减速段t14以及减加减速段t15。
在本发明的一个实施例中，t1＝t3＝t5＝t7＝t9＝t11＝t13＝t15。
在本发明的一个实施例中，t2＝t6＝t10＝t14。
在本发明的一个实施例中，t4＝t12。
在本发明的一个实施例中，所述加减速曲线模型包括加速度算法，所述加速度算法如下：
Figure BDA0003214078560000031
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti，amax为允许的最大加速度值。
在本发明的一个实施例中，所述加减速曲线模型包括速度算法，所述速度算法如下：
Figure BDA0003214078560000041
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti，amax为允许的最大加速度值，vmax为最大速度值，ai为在ti时刻的瞬时加速度值，vi为在ti时刻的瞬时速度值。
在本发明的一个实施例中，所述加减速曲线模型包括位移算法，所述位移算法如下：
Figure BDA0003214078560000051
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti，amax为允许的最大加速度值，vmax为最大速度值，ai为在ti时刻的瞬时加速度值，vi为在ti时刻的瞬时速度值，pi为在ti时刻的瞬时累积位移。
此外，本发明还提供一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制系统，包括：
模型构建模块，所述模型构建模块用于利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型；
运动轨迹规划模块，所述运动轨迹规划模块用于根据所述加减速曲线模型规划运动轨迹，在保持运动平滑程度的同时兼具运动效率。
本发明的有益效果：本发明利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型，一方面减少了加减速过程中运动系统受到的柔性冲击，增强了运动控制的平滑度，另一方面使加加速度的运动曲线能够在到达最大加加速度后得到保持，显著提高运动效率，解决了现有技术中在保持运动平滑程度的同时无法兼具运动效率的问题。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是传统正弦加加速度算法和正弦加加速度算法的仿真对比图。
图2是本发明一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法的流程示意图。
图3是本发明加减速曲线模型的轨迹规划运动曲线图。
图4是本发明加减速曲线模型的仿真结果图。
图5是普通类余弦算法的仿真结果图。
图6是振动测试力学模型图。
图7是振动仿真Simulink模型图。
图8是振动测试输入加速度信号图。
图9是本发明加减速曲线模型的振动仿真结果
图10是普通类余弦算法的振动仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
下面对本发明实施例一提供的一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法进行介绍。
请参阅图2所示，本发明实施例一提供一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，具体包括以下步骤：
S100：利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型。
S200：根据加减速曲线模型规划运动轨迹，在保持运动平滑程度的同时兼具运动效率。
在S100中，加减速曲线模型的加减速过程包括十五段，分别为加加加速段t1、匀加加速段t2、减加加速段t3、匀加速段t4、减减加速段t5、匀减加速段t6、加减加速段t7、匀速段t8、减减减速段t9、匀减减速段t10、加减减速段t11、匀减速段t12、加加减速段t13、匀加减速段t14以及减加减速段t15，根据加减速的对称性可知：t1＝t3＝t5＝t7＝t9＝t11＝t13＝t15，t2＝t6＝t10＝t14，t4＝t12。
其中，加减速曲线模型包括加加速度算法，加加速度算法的表达式如下：
Figure BDA0003214078560000071
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti。
根据加加速度算法的表达式可以推导得到加速度算法的表达式、速度算法的表达式以及位移算法的表达式如下：
Figure BDA0003214078560000081
Figure BDA0003214078560000091
Figure BDA0003214078560000092
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti，amax为允许的最大加速度值，vmax为最大速度值，ai为在ti时刻的瞬时加速度值，vi为在ti时刻的瞬时速度值，pi为在ti时刻的瞬时累积位移。
综上，本发明利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型，一方面减少了加减速过程中运动系统受到的柔性冲击，增强了运动控制的平滑度，另一方面使加加速度的运动曲线能够在到达最大加加速度后得到保持，显著提高运动效率，解决了现有技术中在保持运动平滑程度的同时无法兼具运动效率的问题。
图3是本发明加减速曲线模型的轨迹规划运动曲线图，在系统加加速度达到最大值时利用多项式构造水平段，使最大加加速度得到保持，从而提高了系统的运动效率。同时，由于类余弦在最大值处导数与水平段相同，所以并不会影响运动轨迹的平滑程度。
为了验证本发明加减速曲线模型的有效性和运动效率，本文通过MATLAB仿真将其与普通类余弦加减速算法在同样参数要求下的轨迹规划进行对比。
(1)k取值确定
对运动曲线的约束如下：最大加加速度jmax＝8mm/s3，最大加速度amax＝16mm/s2，最大速度vmax＝80mm/s，总行程S＝2000mm，k取值1。图4和图5分别为本发明加减速曲线模型与普通类余弦算法的仿真结果图。从两张图的对比中可以看出，在k取值确定的情况下，普通类余弦算法的最大加速度受到限制，导致加速运动阶段冗长，整体运动效率较低。而本发明加减速曲线模型可以通过最大加加速度的保持来达到系统规定的最大加速度，提高运动效率，同时更长的匀度运动阶段可以有效降低加减速信号传递带来的误差。
(2)k取值不确定
当k的取值不确定时，建立图6所示的物理模型，利用图7所示的Simulink仿真模型(MATLAB中的一种可视化仿真工具)仿真出本发明加减速曲线模型与普通类余弦算法所产生的残余振动。
图6是一个简化的单轴运动平台，其中m1为柔性连接的物块，m2为电动机拖动的等重物块，q为弹簧系数，c为阻尼系数。此系统忽略摩擦力影响。当m2以被电动机以加速度a拖动时，m1受到的作用力为：
f＝m2a
对m1分析可以得到：
Figure BDA0003214078560000111
式中，x为m1受力后的位移,上式还可以表示如下：
Figure BDA0003214078560000112
式中，ωn为自然振荡频率，ζ为阻尼比。在仿真实验时，取m2/m1＝0.1，ωn＝150.8rad/s,ζ＝3％。图8是仿真实验中输入的加速度信号，图9和图10分别为本发明加减速曲线模型与普通类余弦算法的振动仿真结果。对图9和图10中的加加速段进行振动分析，测得普通类余弦算法在加加速阶段的最大振动幅度为84nm，本发明加减速曲线模型的加加速阶段最大振动幅度为17nm。
在k的不同取值情况下，本发明提出的加减速曲线模型的表现都优于普通类余弦算法，即兼具运动效率与柔性的加减速曲线模型具有更好的运动控制性能。
实施例二
下面对本发明实施例二提供的一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制系统进行介绍，下文描述的一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制系统与上文描述的一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法可相互对应参照。
本发明实施例二提供一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制系统，包括：
模型构建模块，模型构建模块用于利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型；
运动轨迹规划模块，运动轨迹规划模块用于根据加减速曲线模型规划运动轨迹，在保持运动平滑程度的同时兼具运动效率。
本实施例的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制系统用于实现前述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，因此该系统的具体实施方式可见前文中的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
另外，由于本实施例的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制系统用于实现前述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，其特征在于，包括：
利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型；
根据所述加减速曲线模型规划运动轨迹，在保持运动平滑程度的同时兼具运动效率。
2.如权利要求1所述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，其特征在于：所述加减速曲线模型包括加加速度算法，所述加加速度算法如下：
Figure FDA0003214078550000011
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti。
3.如权利要求2所述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，其特征在于：所述加减速曲线模型的加减速过程包括十五段，分别为加加加速段t1、匀加加速段t2、减加加速段t3、匀加速段t4、减减加速段t5、匀减加速段t6、加减加速段t7、匀速段t8、减减减速段t9、匀减减速段t10、加减减速段t11、匀减速段t12、加加减速段t13、匀加减速段t14以及减加减速段t15。
4.如权利要求3所述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，其特征在于：t1＝t3＝t5＝t7＝t9＝t11＝t13＝t15。
5.如权利要求3所述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，其特征在于：t2＝t6＝t10＝t14。
6.如权利要求3所述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，其特征在于：t4＝t12。
7.如权利要求2所述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，其特征在于：所述加减速曲线模型包括加速度算法，所述加速度算法如下：
Figure FDA0003214078550000021
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti，amax为允许的最大加速度值。
8.如权利要求7所述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，其特征在于：所述加减速曲线模型包括速度算法，所述速度算法如下：
Figure FDA0003214078550000031
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti，amax为允许的最大加速度值，vmax为最大速度值，ai为在ti时刻的瞬时加速度值，vi为在ti时刻的瞬时速度值。
9.如权利要求8所述的兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法，其特征在于：所述加减速曲线模型包括位移算法，所述位移算法如下：
Figure FDA0003214078550000041
式中，t1-t15为加减速过程的十五段时刻，jmax为允许的最大加加速度值，k为三角函数周期参数，Δti＝t-ti，amax为允许的最大加速度值，vmax为最大速度值，ai为在ti时刻的瞬时加速度值，vi为在ti时刻的瞬时速度值，pi为在ti时刻的瞬时累积位移。
10.一种兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，所述模型构建模块用于利用余弦算法和多项式算法构建加减速曲线模型；
运动轨迹规划模块，所述运动轨迹规划模块用于根据所述加减速曲线模型规划运动轨迹，在保持运动平滑程度的同时兼具运动效率。
CN202110939198.XA 2021-08-16 2021-08-16 兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统 Withdrawn CN113534748A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110939198.XA CN113534748A (zh) 2021-08-16 2021-08-16 兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110939198.XA CN113534748A (zh) 2021-08-16 2021-08-16 兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113534748A true CN113534748A (zh) 2021-10-22

Family

ID=78091207

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110939198.XA Withdrawn CN113534748A (zh) 2021-08-16 2021-08-16 兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113534748A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108058188B (zh) 机器人健康监测和故障诊断系统的控制方法
CN102385342B (zh) 虚拟轴机床并联机构运动控制的自适应动态滑模控制方法
CN111496792A (zh) 一种机械臂输入饱和固定时间轨迹跟踪控制方法及系统
CN111788040A (zh) 机器人的动力学参数辨识方法、机器人和存储装置
Conker et al. A review of command shaping techniques for elimination of residual vibrations in flexible-joint manipulators
CN110936374B (zh) 一种柔性双关节机械臂命令滤波反步控制方法
JPH03118618A (ja) 制振効果を持つスライディングモード制御による制御方式
CN102006011A (zh) 具有同时推定惯量和摩擦的功能的电动机的控制装置
CN111546315A (zh) 一种基于人机协作的机器人柔顺示教及再现方法
CN111965976B (zh) 基于神经网络观测器的机器人关节滑模控制方法及系统
CN103780188A (zh) 基于动态摩擦补偿的永磁球形电机转子自适应控制系统
Couzon et al. Neuro-fuzzy active control of rotor suspended on active magnetic bearing
CN107908101A (zh) 一种基于模糊神经网络pid控制的模拟转台控制系统
CN113534748A (zh) 兼具运动效率与柔性的轨迹规划加减速控制方法及系统
CN108326857B (zh) 基于鲁棒自适应控制算法的书法及雕刻机器人控制方法
CN116500908B (zh) 一种双扰动观测器的机械臂抗干扰约束控制方法
CN111015661A (zh) 一种机器人柔性负载主动振动控制方法和系统
CN110262242B (zh) 一种微陀螺仪自适应分数阶滑模控制方法
CN109884890B (zh) 一种电驱动机械臂伺服系统的时变约束反演控制方法
Jayasuriya et al. On the finite settling time and residual vibration control of flexible structures
CN114035436B (zh) 一种基于饱和自适应律的反步控制方法、存储介质及设备
Ebrahimi Regulated model-based and non-model-based sliding mode control of a MEMS vibratory gyroscope
CN113635300B (zh) 一种基于轨迹规划的变刚度柔性臂抑振控制方法
CN115179300A (zh) 一种预定时间的柔性机械臂轨迹跟踪控制方法
CN112947079B (zh) 一种板球系统的轨迹跟踪控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20211022

WW01 Invention patent application withdrawn after publication