CN115453857A - 一种闸机运行参数自整定方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闸机运行参数自整定方法和系统，属于闸机运行控制技术领域。包括：根据伺服电机输出，得到电机电流反馈值；感知到闸机门板的位置反馈值；经微分，感知到闸机门板的速度反馈值；将扭矩调节设定值和位置反馈值之差值，经位置调节后作为速度设定值，与速度反馈值之差，经速度调节后作为电流设定值，与电流反馈值之差，经功率放大器，输入至伺服电机；位置调节和速度调节均采用PID调节。可以在无人干预的情况下，快速对闸机本身系统的各类参数进行整定，并且让闸机运行稳定，相比于人工调节，闸机运行参数更加有效及合理。
Description
技术领域
本发明涉及闸机运行控制技术领域，尤其涉及一种闸机运行参数自整定方法和系统。
背景技术
目前在摆门式闸机中普遍采用了伺服电机作为运动核心机构，在生产制造中，根据不同场合及使用磨损程度，闸机的门板的大小，材质，乃至机械的磨损加工精度都各不相同，这些因素会直接影响机芯运动部分也即电机的负载，会导致影响整个系统的运动惯量会有很大的区别，对于这种区别，一般做法的是需要技术人员根据具体实际负载情况调节PID参数，来适配不同的情况，也即一机一调一套参数。
因此每台闸机出厂前都必须由生产技术人员对电机运行的转速曲线、编码器误差、转角度、加速度、减速度、速度环位置环控制PID参数等等各种参数进行固化和设置、调试。造成不必要的生产效率的低下，以及非专业人员很难将各类繁多的参数设置正确。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
为了克服上述技术问题，本发明提供了一种闸机运行参数自整定方法和系统。它可以在无人干预的情况下，快速对闸机本身系统的各类参数进行整定，并且让闸机运行稳定，相比于人工调节，闸机运行参数更加有效及合理。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
一种闸机运行参数自整定方法，包括：根据伺服电机输出，得到电机电流反馈值；感知到闸机门板的位置反馈值；经微分，感知到闸机门板的速度反馈值；将扭矩调节设定值和位置反馈值之差值，经位置调节后作为速度设定值，与速度反馈值之差，经速度调节后作为电流设定值，与电流反馈值之差，经功率放大器，输入至伺服电机；位置调节和速度调节均采用PID调节。
可选的，根据速度设定值和速度反馈值之差进行分段，划分为第一区段、第二区段和第三区段进行调节。
可选的，第一区段中，速度设定值和速度反馈值之差ΔS大于ΔS1，速度反馈值加上瞬时加速度和新速度设定值比较，瞬时加速度为a＝(V_now-V_last)/t，当前的速度为V_now，前一时刻的速度为V_last。
可选的，第二区段中，速度设定值和速度反馈值之差ΔS，ΔS3＜ΔS＜ΔS2，降低速度调节Kp。
可选的，第二区段中，速度设定值和速度反馈值之差ΔS，ΔS＜ΔS4，降低速度调节Kp。
可选的，闸门到位过冲，增加位置调节Kp和速度调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
可选的，闸门到位拖沓，根据负载类型选择档位，增加位置调节Kp和速度调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
可选的，伺服电机震动，减小速度设定值，减小速度调节Kp到噪音在可接受的程度，若经调节，噪音均无法接受，则减小速度反馈Kp，且加大速度调节的积分时间常数Ki；减小位置调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
一种闸机运行参数自整定系统，包括以上任一项技术方案所述的一种闸机运行参数自整定方法。
可选的，所述系统的振荡频率ωc与增益Kc采用描述函数法确定。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明实施例提出的一种闸机运行参数自整定方法和系统，可以在无人干预的情况下，在1-2分钟之内对闸机本身系统的各类参数进行整定，并且让闸机运行稳定，比较人工调节参数更加有效及合理。
(2)本发明实施例提出的一种闸机运行参数自整定方法和系统，伺服电机本身具有高精度的速度感知，位置感知，电机母线电流感知功能。根据伺服电机的感知检测功能，可以准确获取当前闸机门板的运行速度、运行位置、电机运行母线电流。沿时间轴将位置、速度、电流信息提取记录下来，可准确获得门板的运行平稳程度、到位状况等运行情况；伺服电机每次开关门采用S曲线加减速，在速度环、位置环、电流环三环控制中进行PID参数的自整定，在开机自检过程中，闸机门板运行1-2分钟，根据观测到的运行情况进行记录观测，从而测算标定出适合该闸机的合理参数。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种闸机运行参数自整定方法的控制框图。
图2为本发明实施例提出的一种闸机运行参数自整定系统的结构示意图。
图3为本发明实施例提出的一种闸机运行参数自整定方法的微调区段图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。本发明中所述的第一、第二等词语，是为了描述本发明的技术方案方便而设置，并没有特定的限定作用，均为泛指，对本发明的技术方案不构成限定作用。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本实施例提供了一种闸机运行参数自整定方法，包括：根据伺服电机输出，得到电机电流反馈值；感知到闸机门板的位置反馈值；经微分，感知到闸机门板的速度反馈值；将扭矩调节设定值和位置反馈值之差值，经位置调节后作为速度设定值，与速度反馈值之差，经速度调节后作为电流设定值，与电流反馈值之差，经功率放大器，输入至伺服电机；位置调节和速度调节均采用PID调节。如图1所示，其中，扭矩调节设定值，一般由伺服电机型号而定，是一个范围值，根据应用场景或者客户需求可以进行一定的调节，比如为了安全起见把扭矩调节到带动门板的最低值，防止意外碰到人时引起事故，但同时会损失运动速度。电流反馈是通过电子电路在伺服电机的伺服驱动器的控制主板上采集电流，即通过电路采样获取电流反馈。功率放大器指示简单的滤波放大，电流反馈经功率放大器放大滤波后，输入到伺服电机的控制器，用以和位置环与速度环结合，最终的伺服电机输出结果，是根据包括电流反馈、设定速度等一系列参数输入后，经三环的PID计算得出。
1、伺服电机本身具有高精度的速度感知，位置感知，电机母线电流感知功能。根据伺服电机的检测功能，可以准确获取当前门板的运行速度、运行位置。沿时间轴将位置、速度信息提取记录下来，就能准确获得门板的运行平稳程度、到位状况等信息。
2、伺服电机电机每次开关门采用S曲线加减速，在速度环、位置环、电流环三环控制中PID参数的自整定是整个系统的难点和重点关键。
综合上述，本实施例结合以上两点利用任一种技术方案所述的自整定方法，在开机自检过程中，门板运行1-2分钟根据观测器到的运行情况进行记录观测从而测算标定出适合该闸机的合理参数。
具体方法：用一组PID值想摆门快速达到稳定是不可能的。快速性，稳定性，准确性是相互制约的，控制车速使得三个性能都满足，因此三个性能可以相互平衡。
伺服电机为了达到精准控制，采用速度环、位置环、电流环三环控制，这主要是为了使伺服电机系统形成闭环控制，3个闭环负反馈形成的PID调节系统，其中电压映射电流变化，电流映射转矩大小，转矩大小映射转速的变化，转速同时又映射了位置的变化，三环控制是考虑电气与物理融合，以达到非常精准，可靠的控制。首先是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，负反馈给电流的设定值(即图1中速度调节后的数值)进行三环结合的PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流值，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下伺服驱动器的运算最小，动态响应最快。第二环是速度环，通过检测伺服电机编码器的信号进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定值，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，在速度和位置同时控制的系统，实际也进行电流(转矩)控制以达到速度和位置的相应控制，也保证了系统的准确性。第三环是位置环，它是最外环，可以在伺服驱动器和伺服电机编码器间构建，可根据实际情况来定。由于位置环内部输出就是速度环的设定值(即图1中位置调节后的数值)，位置控制模式下，系统进行了所有3个环的运算，动态响应也最慢，但是决定了整体系统的稳定性。
本实施例用了分段PID的方法来达到快速稳定的要求，分段PID不是指不同的速度对应不同的PID的值，不同于模糊PID的控制方法，该分段是根据速度设定值与速度反馈值偏差来进行分段控制。根据速度设定值和速度反馈值之差进行分段，划分为第一区段、第二区段和第三区段进行调节。
闸门到位过冲，增加位置调节Kp和速度调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
闸门到位拖沓，根据负载类型选择档位，增加位置调节Kp和速度调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
闸门到位拖沓，根据负载类型选择档位，负载类型一般是根据实际现场环境使用的门板的重量、宽度、转动机构的摩擦系数等因素划分成几种负载类型，比如玻璃门板800*200，亚克力门板500*100等。一种实施方式中，位置调节Kp增加1，位置调节Kp增加的数值即为步进的调节量，通过增加或者减小该数值，逐次的逼近到合适的值。该数值越小调节速度越慢但是调节精度越高，设置的越大调节精度降低，但是调节速度加快。一般该数值设定为一个经验值兼顾速度和精度，增加速度调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
伺服电机震动，减小速度设定值，减小速度调节Kp到噪音在可接受的程度，若经调节，噪音均无法接受，则减小速度反馈Kp(速度环中的Kp)，且加大速度调节的积分时间常数Ki(速度环中的积分时间常数Ki)；减小位置调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
在一实施例中，第一区段、第二区段和第三区段分别对应为快速区、缓冲区和稳定区。
1、第一区段中，速度设定值和速度反馈值之差ΔS大于ΔS1，速度反馈值加上瞬时加速度和新速度设定值比较，瞬时加速度为a＝(V_now-V_last)/t，当前的速度为V_now，前一时刻的速度为V_last。
快速区此时的delta_v应大于200rmp/min(这里的数值可以根据项目需要去设定)，delta_v为当前时间点和之前时间点的速度变化量。PID给定值相对较大，主要是速度调节的Kp比较大(Kp为比例系数)，其他两个值没有改变。因为增加Kp还是会导致超调，在这里利用了两个策略：快速区里，一种实施方式中，把速度设定值设为-20，作为新的速度设定值，然后利用速度反馈值加上瞬时加速度和新设定值比较。其中，速度设定值可根据需要设定，设定的依据一般根据现场环境需要，或者客户的需求对开门的速度在可调整的范围内进行设定，根据这个整体速度，电机加减速程序进行S曲线速度规划。
瞬时加速度是利用MPC控制(模型预测控制)的思想，进行提前量控制，因为电机速度的滞后性比较强，当前的速度为V_now，前一时刻的速度为V_last，则门板速的瞬时加速度为a＝(V_now-V_last)/t。
2、第二区段中，速度设定值和速度反馈值之差ΔS，ΔS3＜ΔS＜ΔS2，降低速度调节Kp。
缓冲区此时的10mm/s<delta_v<20mm/s，Kp的值小了一点点。这个区段主要是针对第一阶段超调引起的误差，能较快速的稳定到设定速度，另外可以防止速度产生系统震荡；
3、第三区段中，速度设定值和速度反馈值之差ΔS，ΔS＜ΔS4，降低速度调节Kp。
稳定区此时的100rmp/min>delta_v，Kp的值继续减小。电机速能够达到相对稳定的状态，就一直处在稳定区，如果想较大增速，会再进入快速区。PID控制转矩的效果不怎么好，因此，先作出转矩与电流的曲线，求出函数。然后根据函数，当输入转矩时，进行电流最大和最小的限幅。
ΔS1-ΔS4的值是根据需要的运动运行目标位置，用位置环去计算规划出系统的ΔS1-ΔS4；主要由设定的运行最高速度，一次完整电机启停运动的用时时间两个因素确定。
本实施例还提出了一种闸机运行参数自整定系统，包括本实施例任一项技术方案所述的一种闸机运行参数自整定方法。所述系统的振荡频率ωc与增益Kc采用描述函数法确定。
快速性，稳定性，准确性由三环控制做到，描述函数法是一种确定振荡频率ωc与增益Kc的数学方法，该函数描述了整个系统的输入输出关系，通过这个函数为上述任一技术方案中的闸机运行参数自整定方法提供数学依据和数学推导。根据得出的数学结论设计一套自整定的方法，快速的实现PID中诸多被控对象特征参数的自动整定，整定后的参数代入三环控制中，实现整体控制的稳定、准确和快速。
PID自整定：测试模态下，系统的等效框图如图2所示。图中，Pv为实际的速度值反馈，Sv是给定到系统中的调节目标速度值，Y为实际负载运行的速度。图2是简化描述了输入和反馈之差经过三环控制(大方框)后再进入传递函数最终传导到系统输出Y。比如伺服电机设定的速度和反馈回来的速度差输入三环控制中，经过三环控制输出一个电压电流值驱动伺服电机，伺服电机经过各种系统损耗和干扰以及各种机械结构传导到最终整个负载运行的速度。
确定系统的振荡频率ωc与增益Kc有多种方法，比较常用的是描述函数法，此方法实际上是根据非线性环节输入信号与输出信号之间基波分量关系来进行近似的一种有效方法。
①非线性特征的描述函数N(A)是指：当输入时正弦信号Asin(ωt)时，输出的基波分量Ysin(ωt+φ)对输入正弦量的复数比，即：
其中A1、B1是输出Y(t)的傅立叶级数的一次项系数。
实际的带有回环的节点非线性环节特性的描述函数可以表示为：
公式中A为正弦波幅值，d为回环幅值，ε为回环宽度的一半。
②由极限环振荡确定被控对象特征参数，设被控对象的传递函数为如下形式：
其中K为对象的增益，T为对象的时间常数，τ为对象的滞后时间。
考虑由具有传递函数G(s)的对象和具有继电特性的反馈部分组成的简单反馈系统如图2所示。这时系统的闭环特征方程发生振荡的条件可以写成：1+N(A)G(s)＝0(s＝jωc)，即G(jωc)＝-1/N(A)。设该等式的实部和虚部均为零，则可得出振荡频率Wc的增益Kc，在这里只考虑一种简单的情况，假设继电特征非线性环节不带有回环，即若设ε＝0，则描述函数可以化简成N(A)＝4d/πAc，临界振荡周期Tc＝2π/ωc可通过直接测量输出相邻峰值的时间确定。
③PID参数整定算法
在得到对象的临界增益和临界振荡周期后，就可以根据Ziegle-Nichols算法确定PID参数。这样用继电反馈的方法整定出了PID调节器参数。如表所示：
PID参数继电自整定法是一种简单的自适应控制方法，它所需要的数据量小，实现简单，调节效果好，特别适用于内存量较小的调节器，因而得到广泛的应用。在设计中合理使用自整定功能，对提高PID调节器的科技含量具有重要意义。
结合PID自整定参数运行结果之后，根据各种具体闸门运行状况，软件在自检过程中可以对参数进行一些自动微调，如图3所示,纵坐标是速度参量，图中未示出：
闸门到位过冲，位置调节Kp加1，加大速度调节Kp，直到调节合适为止。现象描述：闸门冲过目标位置后，又往回运动最后停在目标位置；速度波形在变零之后，又变为负数，往回运动。
调节方式：
1.根据负载类型选择适当材质(档位)，进入第2步调节；
2.慢慢减小位置环比例增益，此时会有2种情况：
(1)调节刚好合适；
(2)位置环比例增益减1则到位拖沓，加1则出现过冲；此时就加1让其过冲进入第3步调节；
3.慢慢加大速度环比例增益，直到调节刚好合适；
闸门到位拖沓，根据负载类型选择档位，位置调节Kp加1，增加速度调节Kp，直到调节合适为止。现象描述：闸门还未到目标位置就减速或停顿，最后慢慢向前移动停在目标位置；速度波形过早的下降。
调节方式：
1.根据负载类型选择适当材质(档位)，进入第2步调节；
2.慢慢加大位置环比例增益，此时会有2种情况：
(1)调节刚好合适；
(2)位置环比例增益减1则到位拖沓，加1则还过冲；此时就加1让其过冲进入第3步调节；
3.慢慢加大速度环比例增益，直到调节刚好合适
伺服电机震动，减小速度设定值，减小速度调节Kp到噪音在可接受的程度，若经调节，噪音均无法接受，则减小功率放大器Kp，且加大功率放大器的积分时间常数，减小位置调节Kp，直到调节刚好合适。现象描述：开关门过程中能明显电机震动，速度波形形成了锯齿状的波形。
调节方式：
1.适当减小速度，进入第2步调节；
2.慢慢减小速度环比例增益到噪音在可接受的程度，如果怎么调节噪音都无法接受，可减小电流环比例增益与加大电流环积分时间常数，此时一般会有过冲现象，然后进入第3步调节；
3.慢慢减小位置环比例增益，直到调节刚好合适；
根据上述方案可得出结论，在开机自检中，大概在开关门板大概20-30次之后，便能将速度曲线调整至上图所示的样子，完成所有参数的自整定。整个过程约1-2分钟便能完成。
精确地控制电流环使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且可以让速度环的控制也更加精确。而精确的地速度环控制，再匹配合理位置路径规划就能有很好的运动效果和启停位置精度。三环控制层层递进，互相配合依赖进行。
并且具有高速的动态响应，它可以避免传感器故障的风险，并且省去了传感器的成本，同时简化了电机与驱动板间的布线
综合上述技术方案，本发明有益效果：对于客户而言，减少了现场人员调试的难度，完全自适应设定参数，大大降低减少了对调试人员的专业要求；同时降低了现场设备的维护频率，增强设备运行稳定性，对于供应链生产而言，提高了生产效率，缩减生产周期；降低时间成本、人工成本；对于运营而言，降低了维护的成本。
综合上述技术方案，本发明有益效果：对于客户而言，减少了现场人员调试的难度，完全自适应设定参数，大大降低减少了对调试人员的专业要求；同时降低了现场设备的维护频率，增强设备运行稳定性，对于供应链生产而言，提高了生产效率，缩减生产周期；降低时间成本、人工成本；对于运营而言，降低了维护的成本。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这根据所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以通过执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以通过专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本申请实施例中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，例如，各所述单元可以是设置在计算机或移动智能设备中的软件程序，也可以是单独配置的硬件装置。其中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离本申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种闸机运行参数自整定方法，其特征在于，包括：
根据伺服电机输出，得到电机电流反馈值；感知到闸机门板的位置反馈值；经微分，感知到闸机门板的速度反馈值；
将扭矩调节设定值和位置反馈值之差值，经位置调节后作为速度设定值，与速度反馈值之差，经速度调节后作为电流设定值，与电流反馈值之差，经功率放大器，输入至伺服电机；
位置调节和速度调节均采用PID调节。
2.根据权利要求1所述的一种闸机运行参数自整定方法，其特征在于，根据速度设定值和速度反馈值之差进行分段，划分为第一区段、第二区段和第三区段进行调节。
3.根据权利要求2所述的一种闸机运行参数自整定方法，其特征在于，第一区段中，速度设定值和速度反馈值之差ΔS大于ΔS1，速度反馈值加上瞬时加速度和新速度设定值比较，瞬时加速度为a＝(V_now-V_last)/t，当前的速度为V_now，前一时刻的速度为V_last。
4.根据权利要求2所述的一种闸机运行参数自整定方法，其特征在于，第二区段中，速度设定值和速度反馈值之差ΔS，ΔS3＜ΔS＜ΔS2，降低速度调节Kp。
5.根据权利要求2所述的一种闸机运行参数自整定方法，其特征在于，第二区段中，速度设定值和速度反馈值之差ΔS，ΔS＜ΔS4，降低速度调节Kp。
6.根据权利要求1所述的一种闸机运行参数自整定方法，其特征在于，闸门到位过冲，增加位置调节Kp和速度调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
7.根据权利要求1所述的一种闸机运行参数自整定方法，其特征在于，闸门到位拖沓，根据负载类型选择档位，增加位置调节Kp和速度调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
8.根据权利要求1所述的一种闸机运行参数自整定方法，其特征在于，伺服电机震动，减小速度设定值，减小速度调节Kp到噪音在可接受的程度，若经调节，噪音均无法接受，则减小速度反馈Kp，且加大速度调节的积分时间常数Ki，减小位置调节Kp，调节至闸机门板位置在开关门动作时，停止的位置和运行的速度在规划的速度曲线允许误差范围内为止。
9.一种闸机运行参数自整定系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的一种闸机运行参数自整定方法。
10.根据权利要求9所述的一种闸机运行参数自整定系统，其特征在于，所述系统的振荡频率ωc与增益Kc采用描述函数法确定。
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