CN116500889B - 基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法及装置 - Google Patents

基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法及装置，包括以下：针对电机角度或位移中任意一项作为目标值；获取目标值的设定值以及反馈值；基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出；以目标值在k维度t时刻的输出对电机进行对应控制。本发明针对伺服电机的位置或角度，基于时间和空间二维同时优化的控制算法进行处理，能够实现快速而紧密的综合控制，一方面使电机的输出能够快速而准确地跟踪上输入值，另一方面在运行过程中即使遭受扰动，依旧能够恢复到精准跟随状态，具有很强的鲁棒性。本发明能够避免现在技术中存在的优化效率低，性能较低的缺陷。

Description

基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法及装置。
背景技术
现有技术中在对伺服电机进行控制时，一般情况分为两部分，即速度控制和位置控制。速度控制是通过对伺服电机的输入电压进行控制，从而准确地控制电机的转速；位置控制则是在速度控制的基础上，通过对电机的位置进行反馈控制，从而实现对电机位置的精确控制。
PID控制算法是较为经典的伺服电机控制算法，能够实现电机的控制，目前市场上90%以上的伺服电机控制算法依然采用如图3的PID控制算法：
其PID的算法原理如下：
，
其中，Pr(t)和P(t)分别表示t时刻的设定和反馈的位置或角度；error(t)/e(t)是t时刻的电流跟随误差；u(t) 是t时刻的PID控制器输出；Kp、Ki、Kd表示PID控制器的参数。
但是经典的PID算法仅仅基于时间维度优化电机的控制性能，即控制算法的设计基本都是基于t时刻的跟随误差e(t)，存在优化效率低，性能较低的缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了至少解决现有技术的不足之一，提供基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
具体的，提出基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法，包括以下：
针对电机角度或位移中任意一项作为目标值；
获取目标值的设定值以及反馈值；
基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出；
以目标值在k维度t时刻的输出对电机进行对应控制。
进一步，具体的，基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出，包括，
进行时间维度的控制算法处理，包括，
定义e(t)是目标值的跟随误差，
，
其中Pr(t)是目标值的设定值；P(t) 是目标值的反馈值；
基于目标值的跟随误差e(t)以及目标值在k维度和k-1维度t时刻的状态偏差计算在k维度t时刻的控制律/>，
，
其中控制率增益由二维矩阵定义，
，
为目标值在k维度t时刻的状态，/>为目标值在k-1维度t时刻的状态，通过存储器Memory读取，存储器Memory用于存放上一维度的状态值和输出值；
进行空间维度的控制算法处理，包括，
计算在k维度t时刻的控制器输出，
，
其中为k-1维度t时刻的控制器输出，由存储器Memory读取，
将输入电机机理模型/>得到目标值在k维度t时刻的输出/>，
，
其中，A，B，C是电机电气系数，能够通过测量或者查阅电机说明书获取；，是电机电气系数的变化量； d(t)是外部扰动；/>表示电机在空间维度的运行周期时间，
通过联立式（1）-（4）能够求出电机的控制器输出，进而控制电机的目标值快速地跟随设定值。
进一步，具体的，电机在周期方向的运行时间根据如下方式确定，
首先将定义为电机运行一圈即360°或者2π所需要的时间，则有如下关系式，
，
其中，表示电机运行速度，以此能够计算出/>。
进一步，具体的，控制率增益参数Kp的确定方式如下，
根据以下矩阵不等式方程：
，
式中，；，/>为d的转置矩阵；
又存在，I 是单位矩阵，/>，为适当维数的单位矩阵，/>，其中ts是采样时间；
如果存在正定矩阵则可以算出：
。
本发明还提出基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制装置，应用了所述的基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法，包括：
针对电机角度或位移中任意一项作为目标值；
数据获取模块，用于获取目标值的设定值以及反馈值；
控制器，用于基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出；
以目标值在k维度t时刻的输出对电机进行对应控制。
本发明还提出一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如所述基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法的步骤。
本发明的有益效果为：
本发明提出基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法，针对伺服电机的位置或角度，基于时间和空间二维同时优化的控制算法进行处理，能够实现快速而紧密的综合控制，一方面使电机的输出能够快速而准确地跟踪上输入值，另一方面在运行过程中即使遭受扰动，依旧能够恢复到精准跟随状态，具有很强的鲁棒性。本发明能够避免现在技术中存在的优化效率低，性能较低的缺陷。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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，在附图中：
图1所示为本发明基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法的流程图；
图2所示为本发明基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法中所涉及到的融合时间维度以及空间维度的控制算法的算法原理框图；
图3所示为本发明于背景技术中所提到的经典的PID控制算法的算法原理框图；
图4所示为本发明基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法中具体实例中电机在运行时电机的速度与时间的关系图；
图5所示为本发明基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法中具体实例中电机角位移与时间的关系图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。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。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。
参照图1以及图2，实施例1，本发明提出基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法，包括以下：
针对电机角度或位移中任意一项作为目标值；
步骤110、获取目标值的设定值以及反馈值；
步骤120、基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出；
步骤130、以目标值在k维度t时刻的输出对电机进行对应控制。
在本实施例1中，针对伺服电机的位置或角度，基于时间和空间二维同时优化的控制算法进行处理，能够实现快速而紧密的综合控制，一方面使电机的输出能够快速而准确地跟踪上输入值，另一方面在运行过程中即使遭受扰动，依旧能够恢复到精准跟随状态，具有很强的鲁棒性。本发明能够避免现在技术中存在的优化效率低，性能较低的缺陷。
作为本发明的优选实施方式，具体的，基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出，包括，
进行时间维度的控制算法处理，包括，
定义e(t)是目标值的跟随误差，
，
其中Pr(t)是目标值的设定值；P(t) 是目标值的反馈值；
基于目标值的跟随误差e(t)以及目标值在k维度和k-1维度t时刻的状态偏差计算在k维度t时刻的控制律/>，
，
其中控制率增益由二维矩阵定义，
，
为目标值在k维度t时刻的状态，/>为目标值在k-1维度t时刻的状态，通过存储器Memory读取，存储器Memory用于存放上一维度的状态值和输出值；
进行空间维度的控制算法处理，包括，
计算在k维度t时刻的控制器输出，
，
其中为k-1维度t时刻的控制器输出，由存储器Memory读取，
将输入电机机理模型/>得到目标值在k维度t时刻的输出/>，
，
其中，A，B，C是电机电气系数，能够通过测量或者查阅电机说明书获取；，是电机电气系数的变化量； d(t)是外部扰动；/>表示电机在空间维度的运行周期时间，
通过联立式（1）-（4）能够求出电机的控制器输出，进而控制电机的目标值快速地跟随设定值。
作为本发明的优选实施方式，具体的，电机在周期方向的运行时间根据如下方式确定，
首先将定义为电机运行一圈即360°或者2π所需要的时间，则有如下关系式，
，
其中，表示电机运行速度，以此能够计算出/>。
作为本发明的优选实施方式，具体的，控制率增益参数Kp的确定方式如下，
根据以下矩阵不等式方程：
，
式中，；，/>为d的转置矩阵；
又存在， I 是单位矩阵，/>，为适当维数的单位矩阵，/>，其中ts是采样时间；
如果存在正定矩阵则可以算出：
。
在一个应用实例中，假设给定的电机的机理方程如下，
，
设定值：，即让电机转10圈；
给定参数如下：
；
则根据式（5）和（6），可以算出：
Tp的确定需要分三个阶段：启动加速段、匀速段、减速停止段，电机的运行速度如下图所示：
启动加速段处理(如图4中T1所示)：设定加速角度范围是一圈，即电机在一圈的范围内从零加速到最大速度，则有:
；
匀速段处理(如图4中T2所示)：电机以最大速度运行对应A刻度线，则有：
，
减速停止段处理（如图4中T3所示）：令电机减速的角度范围是一圈，即电机在一圈的范围内从最大速度减速到零，则有：
；
根据上述推导，可以得出电机的二维控制器如下：
；
把式（1）和（3）代入上式（7）即可得到可执行的控制器。
结合应用实例所对应的附图5，可以清楚的看到，控制输出不但包括传统控制器在时间维度的跟随误差e(t)的信息，还包括空间维度跟随误差的信息，即控制系统可以同时沿着时间维度和空间维度优化电机的控制性能。因此，从上述实施图可以看出，电机的输出在第一圈（cycle1）启动完，第二圈（cycle2）就准确跟踪上输入值，具有快速精准控制的有益效果。
另外在附图5中，在电机匀速运行阶段如图所示第5圈（cycle5）施加外部干扰，但经过2圈的调整后，电机在第7圈（cycle7）恢复到精准跟随状态。可见，本发明提出的融合时空维度的控制策略具有很强的鲁棒性。
本发明还提出基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制装置，应用了所述的基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法，包括：
针对电机角度或位移中任意一项作为目标值；
数据获取模块，用于获取目标值的设定值以及反馈值；
控制器，用于基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出；
以目标值在k维度t时刻的输出对电机进行对应控制。
本发明还提出一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如所述基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法的步骤。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例中的方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储的介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或系统、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (5)

1.基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法，其特征在于，包括以下：
针对电机角度或位移中任意一项作为目标值；
获取目标值的设定值以及反馈值；
基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出；
以目标值在k维度t时刻的输出对电机进行对应控制；
具体的，基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出，包括，
进行时间维度的控制算法处理，包括，
定义e(t)是目标值的跟随误差，
，
其中Pr(t)是目标值的设定值；P(t) 是目标值的反馈值；
基于目标值的跟随误差e(t)以及目标值在k维度和k-1维度t时刻的状态偏差计算在k维度t时刻的控制律/>，
，
其中控制率增益由二维矩阵定义，
，
为目标值在k维度t时刻的状态，/>为目标值在k-1维度t时刻的状态，通过存储器Memory读取，存储器Memory用于存放上一维度的状态值和输出值；
进行空间维度的控制算法处理，包括，
计算在k维度t时刻的控制器输出，
，
其中为k-1维度t时刻的控制器输出，由存储器Memory读取，
将输入电机机理模型/>得到目标值在k维度t时刻的输出/>，
，
其中，A，B，C是电机电气系数，，/>是电机电气系数的变化量； d(t)是外部扰动；/>表示电机在空间维度的运行周期时间，
通过联立式（1）-（4）能够求出电机的控制器输出，进而控制电机的目标值快速地跟随设定值。
2.根据权利要求1所述的基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法，其特征在于，具体的，电机在周期方向的运行时间根据如下方式确定，
首先将定义为电机运行一圈即360°或者2π所需要的时间，则有如下关系式，
，
其中，表示电机运行速度，以此能够计算出/>。
3.根据权利要求1所述的基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法，其特征在于，具体的，控制率增益参数Kp的确定方式如下，
根据以下矩阵不等式方程：
,
式中，；，/>为d的转置矩阵；
又存在，I是单位矩阵，/>，为适当维数的单位矩阵，，其中ts是采样时间；
如果存在正定矩阵则可以算出：
。
4.基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制装置，其特征在于，应用了权利要求1-3中任意一项所述的基于时空二维优化的伺服电机位置精密控制方法，包括：
针对电机角度或位移中任意一项作为目标值；
数据获取模块，用于获取目标值的设定值以及反馈值；
控制器，用于基于目标值的设定值以及反馈值通过融合时间维度以及空间维度的控制算法处理后得到目标值在k维度t时刻的输出；
以目标值在k维度t时刻的输出对电机进行对应控制。
5.一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述方法的步骤。
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