CN1193278C - 伺服控制系统的伺服参数调节方法 - Google Patents

Abstract

调节控制参数，使得伺服控制系统不发生振荡。从P[0]开始顺序设定以使伺服控制系统振荡变难的顺序排列的各个控制参数P[p](p＝0、1...)，对各个控制参数求出转矩指令Tr或速度反馈量ω的振动的频率分量的波动即摇动量σ，当该摇动量达到规定值以上时，判断伺服控制系统达到振荡临界，使此时设定的控制参数返回P[p-q](q是自然数)或P[0]。

Description

伺服控制系统的伺服参数调节方法

技术领域

本发明涉及检测伺服控制系统的振荡临界状态、调节控制参数的伺服控制系统的振荡临界检测方法。

背景技术

通常，在伺服控制系统为了控制控制对象，进行反馈控制，即从上位装置发出的指令和实际的控制量之间的偏差求出对控制对象的操作量。图5是表示进行速度控制的伺服控制系统的结构方框图。该伺服控制系统由减法器1、速度控制器2、转矩放大器3、伺服马达(M)4、编码器(E)5、机械6、微分器7构成。速度控制器2是控制控制对象的机械6的控制装置、即比例-积分-微分控制(以下称PID控制)器。这里，Kv、Ki、Kd是速度控制器2的控制参数。Kv是比例增益、Ki是积分时间常数的倒数、Kd是微分时间。

减法器1从上位装置(未图示)输入的速度指令ωr减去速度反馈量ω，输出速度偏差。速度控制器2输入该速度偏差，进行PID控制，输出转矩指令Tr。转矩放大器3输入转矩指令Tr，向伺服马达4输出电流。伺服马达4被该电流驱动旋转，该旋转动作驱动机械6。编码器5安装于伺服马达4，输出伺服马达的旋转位置。微分器7对编码器5输出的旋转位置微分，输出速度反馈量ω。另外，如上所述的伺服控制系统如果是在每个采样周期进行控制的数字控制系统时，则通常用差分器取代微分器7，将上次的旋转位置和这次的旋转位置的差分作为速度反馈量ω。

图6是图5的伺服控制系统的等价方框图。图6中，对机械6是完全的刚体，为简化说明假设转矩放大器3的响应为理想状态，且速度控制器2只进行由比例增益Kv进行的比例控制的情况进行说明。

图6(a)是机械6的惯量为J时的伺服控制系统的等价方框图，图6(b)是机械6的惯量为2J时的伺服控制系统的等价方框图。这里，令图6(a)、(b)的比例增益Kv的值相同。

图7是表示图6(a)、(b)的阶梯状的速度指令ωr对应的速度反馈量ω的过渡响应的曲线图。如图7所示，机械6的惯量从J变化到2J时，伺服控制系统的响应也变化，导致伺服控制系统的随动性恶化。

从而，这样的伺服控制系统中，机械6的惯量等控制对象的参数值变化时，速度控制器2的比例增益Kv等的控制参数必须不会随该惯量值的变化而变化，以便能够最佳控制机械6。但是，比例增益Kv等的控制参数胡乱变化时，则可能由包含机械6的机械系统的共振以及伺服控制系统的无效时间导致振荡的发生。一般地说，比例增益Kv变得越大，速度指令ωr对应的随动性越大，比例增益Kv变得过大则伺服控制系统变得易于发生振荡。

比例增益Kv的值中，令伺服控制系统为不振荡的稳定状态时的比例增益Kv的值域为区域a，令伺服控制系统为振荡临界状态时的比例增益Kv的值域为区域b，令伺服控制系统为完全振荡的状态时的比例增益Kv的值域为区域c。图8表示比例增益Kv的值在各个区域时速度反馈量ω的频率响应G(f)用对数表示的曲线图。

图8(a)是比例增益Kv的值在区域a时的logG(f)的形状。logG(f)在频率f＝0附近可以看见小波峰，全体的logG(f)的值变低。图8(b)是比例增益Kv的值在区域b时的logG(f)的形状。虽然logG(f)分布在宽的频带上，其波峰值也不是很高。图8(c)是比例增益Kv的值在区域c时的logG(f)的形状。logG(f)在某频带上的波峰值很高，伺服控制系统在该频带发生振荡。另外，转矩指令Tr的频率响应也表现出与上述速度反馈量ω的频率响应相同的倾向。

如上所述，比例增益Kv等的控制参数的值如果过小，伺服控制系统的随动性恶化，而值过大则导致伺服控制系统中发生振荡。从而，期望将比例增益Kv等控制参数设定成最佳值。

作为求出比例增益Kv等控制参数的最佳值的方法，有在规定时间内运算速度反馈量ω的变动的振幅和频率，振幅值和频率值在规定值以上时判断发生振荡，进行控制参数的调节的方法。该方法公开于专利第2861394号公报。但是，该公报公开的方法中，如果没有开始实际的振荡则无法进行控制参数的调节。从而，利用该方法时，进行控制参数的调节前已经发生实际的振荡，由于该振荡的影响，有损坏与伺服马达4连接的机械6、发出大的振荡声的问题。

另一方面，从实验可以明白随着比例增益Kv的变化，速度反馈量ω和转矩指令Tr的摇动也发生变化。速度反馈量ω和转矩指令Tr的摇动是指速度反馈量ω和转矩指令Tr的振动的频率分量的波动。图9是表示比例增益Kv与速度反馈量ω的摇动量的关系的曲线图。比例增益Kv的值在区域a时，速度反馈量ω的摇动量小。比例增益Kv的值在区域b时，随着比例增益Kv的值变大，速度反馈量ω的摇动量也变大。在区域c即振动区域中，速度反馈量ω虽然持续振动，但是其振动的频率分量大致一定，摇动量变少。转矩指令Tr的摇动量也有相同的倾向。

如上所述，以前，在伺服控制系统中调节控制参数时，运算规定时间中的速度反馈的变动的振幅和频率，振幅和频率值在规定值以上时判断伺服控制系统发生振荡，进行控制参数的调节。但是，该方法中，如果没有开始实际的振荡则无法进行控制参数的调节。从而，利用该方法时，进行控制参数的调节前已经发生实际的振荡，由于该振荡的影响，有损坏与伺服马达连接的机械、发出大的振荡声的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供伺服控制系统的振荡临界检测方法，该方法能够调节控制参数，使得伺服控制系统不发生振荡。

为了解决上述问题，本发明的伺服控制系统的振荡临界检测方法用以调节控制装置的控制参数，上述控制装置通过在规定的每个采样周期输入驱动控制对象的伺服马达所反馈的控制量和上位装置输入的指令值之间的偏差以及向输出电流到伺服马达的转矩放大器输出转矩指令，进行上述控制对象的控制，其中包括，

阶段地变更控制参数的值，测量各个控制参数值的上述控制量的振动的频率分量的波动即摇动量，

上述摇动量超过规定值时，判断伺服控制系统达到振荡临界，

通过仅仅以规定的阶段返回上述控制装置设定的控制参数值来调节上述控制参数。

本发明的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，通过检测伺服控制系统在振荡临界时变成最大值的控制量的振动的频率分量的波动即摇动量，可以检测伺服控制系统变成振荡临界时设定的控制参数值，因而能够调节控制参数，使得伺服控制系统不发生振荡。

如上所述，本发明的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，通过检测伺服控制系统的振荡临界区域时变成最大的转矩指令或速度反馈的振动的频率的波动即摇动量，可以检测伺服控制系统在振荡临界时的控制参数，因而能够调节控制参数，使得伺服控制系统不发生振荡。

附图说明

图1是表示本发明一实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中的伺服控制系统的结构的透视图。

图2是表示本发明一实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法的流程图。

图3是表示本发明一实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中求出摇动量的操作的流程图。

图4是表示本发明一实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中转矩指令的变动和本次转矩指令与上次转矩指令的差分符号的反转状况的曲线图。

图5是表示进行速度控制的伺服控制系统的结构方框图。

图6是图5的伺服控制系统的等价方框图。

图7是表示阶梯状的速度指令ωr对应的速度反馈量ω的过渡响应的曲线图。

图8是表示速度反馈量ω的频率响应logG(f)的曲线图。

图9是表示比例增益Kv与速度反馈量ω的摇动量的关系的曲线图。

最佳实施例

以下，参照附图详细说明本发明一实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法。所有的图中，附加同一符号的构成要素表示同一部件。

本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法着眼于图9所示比例增益Kv、积分时间常数的倒数Ki以及微分时间Kd等的控制参数和转矩指令Tr、速度反馈量ω的振动的频率分量的波动即摇动量的关系。本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，控制参数的值设定成阶段地增大的值，同时，测量该控制参数值的转矩指令Tr和速度反馈量ω的摇动量，当该摇动量超过规定值时，判断伺服控制系统达到振荡临界，通过仅仅以规定的阶段返回设定的控制参数值来调节控制参数。

另外，本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，如图1(a)、(b)所示，计算机13或示教盒14连接到伺服控制装置11。计算机13或示教盒14用以在向伺服控制装置11输入控制参数时显示控制参数的调节结果。以下为了进行简单说明，计算机13或示教盒14简称为输入输出装置。另外，伺服控制装置11包括图5的速度控制器2以及转矩放大器3。速度控制器2的控制参数的调节与来自上位控制装置12的速度指令ω的输入同时进行。

本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，预先准备有多个控制参数的值。令其为P[0]、P[1]、P[2]…。这些控制参数以使伺服控制系统振荡变难的顺序排列。例如，控制参数为比例增益Kv时，有P[0]＜P[1]＜P[2]…。

图2是表示本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法的流程图。这里，p是当前设定的控制参数的检索值，q是一个1以上的自然数预定的值。本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，设定为P[p]时，如果判断发生了振荡临界，则在伺服控制装置11中，设定比P[p]靠前q个阶段的P[p-q]作为控制参数。

首先，p设定成1(步骤S802)。接着，来自输入输出装置的控制参数P[0]输入伺服控制装置11(步骤S803)。接着，来自输入输出装置的控制参数P[p]输入伺服控制装置11(步骤S804)，在伺服控制装置11中设定控制参数P[p](第一次由于p＝1，因而设定P[1])(步骤S805)。然后，使p加一(步骤S806)。然后，判断伺服控制系统是否在振荡临界(步骤S807)。判断伺服控制系统为非振荡临界时，判断设定的控制参数下的伺服控制系统的动作是否满足要求的控制性能，不满足则返回步骤S804，满足则结束处理。

另外，在步骤S807中判断伺服控制系统在振荡临界时，判断p是否大于q(步骤S808)。如果p大于q，则在伺服控制装置11中设定P[p-q]作为最佳的控制参数(步骤S809)，如果p小于q，则最终在伺服控制装置11中设定P[0]作为最佳的控制参数(步骤S810)。然后，在输入输出装置中显示达到了振荡临界和控制参数进行了变更(步骤S811)，并显示是否进行再调节的询问(步骤S812)。如果进行再调节，则返回步骤S802，如果不进行再调节则结束处理。

步骤S807中，通过求出转矩指令Tr的摇动量进行临界判断。本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，首先，在每个采样周期Ts采样转矩指令值Tr[i]，算出符号反转次数N[m]，即，在规定的采样次数I₀次期间从转矩指令值Tr[i]中减去转矩指令值Tr[i-1]后的差分符号反转的次数。然后，以规定的次数M₀计算出该符号反转次数N[m]，计算出求出的多个符号反转次数N[m]的标准偏差值σ，该标准偏差值σ成为该控制参数中的摇动量σ。另外，令0≤i＜I₀、0≤m＜M₀。

图3是表示本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中求出摇动量σ的操作的流程图。本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，首先，进行i和m的初始化(步骤S101)。然后，使m加一，初始化Nm(步骤S102)，使采样次数i加一(步骤S103)。接着，获得本次的转矩指令Tr[i](步骤S104)。然后，根据上次的转矩指令Tr[i-1]和本次的转矩指令Tr[i]，进行以下(1)的计算(步骤S105)。

Xi＝Sign(Tr[i]-Tr[i-1])……(1)

Sign( )是( )内的数值为正返回1、为负返回-1的函数。接着，从本次计算的X[i]和上次计算的X[i-1]的乘积判断X[i]的符号是否已反转(步骤S106)。步骤S106中，如果X[i]的符号反转，则使符号反转次数N[m]加一(步骤S107)。步骤S106中，如果X[i]的符号不反转，则符号反转次数N[m]不加一。

接着，判断i是否大于规定值I₀(步骤S108)，如果i小于规定值I₀则返回步骤S102。步骤S108中，如果i大于规定值I₀，判断m是否大于规定值M₀(步骤S109)，如果m小于规定值M₀则返回步骤2，如果m大于规定值M₀则由下式1求出摇动量σ。

$\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{(1/M_0)\underset{j=0}{\overset{M_0-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(N\right[j]-<N>)}^2}$ …式(1)

<N>：N[m]的平均值(0≤m＜M₀)

例如，如图4所示，M₀＝3时，如果令转矩指令Tr的变动如图4所示，则m＝0～2时转矩指令的差分符号的反转次数N[m]变成5、4、9。从而N[m]的平均值<N>为(5+4+9)/3＝6，摇动量σ如以下求出。

σ＝[{(5-6)²+(4-6)²+(9-6)²}/3]^1/2＝2.16

另外，图4中规定时间T0是规定采样次数I₀和采样周期Ts的乘积。

式1的σ是符号反转次数的N[m](m＝0～M₀-1)的标准偏差。该标准偏差与转矩指令Tr的频率相关，如果转矩指令Tr频率增大则N[m]的值也增大，转矩指令Tr频率减小则N[m]的值也减小。从而，N[m]的标准偏差成为转矩指令Tr频率波动状况的一个指标。

接着，步骤S110求出的摇动量σ和规定量σ₀进行比较(步骤S111)，摇动量σ如果超过规定量σ₀，则判断伺服控制系统为振荡临界(步骤S112)，摇动量σ如果小于规定量σ₀，则判断伺服控制系统为非振荡临界(步骤S113)并结束处理。

另外，本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，通过求出转矩指令Tr的摇动量σ来进行振荡临界的检测，但是也可以通过求出速度反馈量ω的摇动量来进行振荡临界的检测。

如上所述，本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，通过求出机械系统为振荡临界时变成最大的转矩指令或速度反馈的振动的频率的摇动量，能够不将振荡区域内的控制参数设定在伺服控制装置11内而进行控制参数的调节，从而能够调节控制参数，使伺服控制装置不发生振荡。

另外，本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法中，本次的转矩指令Tr[i]和上次的转矩指令Tr[i-1]的差分符号反转次数N[m]的标准偏差值作为它们的摇动量σ。该方法中，由于运算简单，因而是适合于安装到伺服控制系统的一个方法。但是，转矩指令Tr和速度反馈量ω的摇动的求出方法还有其他的快速傅立叶变换法(FFT)等各种各样的方法，本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法没有对本发明的摇动量的求出方法进行规定。另外，本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法不仅适用于进行速度控制的伺服控制系统，也适用于进行位置控制的伺服控制系统。

本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法是操作开始前的控制参数的调节时进行的方法。但是，伺服控制系统在操作中，由于制造商的条件等缓慢变化也可能发生振荡。本实施例的伺服控制系统的振荡临界检测方法，在伺服控制系统的操作中、制造商的条件等的控制条件缓慢变化时实施实时的控制参数调节时也可以简单地进行应用。例如，如图3的流程图所示，即使在伺服控制系统的操作中也能够操作伺服控制装置11以求出转矩指令Tr的摇动量σ，该摇动量σ超过规定量σ₀时，伺服控制系统为振荡临界，操作伺服控制装置，使得控制参数的值从当前设定的值变更到变化了规定值的值。此时，如图3的流程图所示，伺服控制装置11可以求出转矩指令Tr的摇动量，也可以求出伺服控制系统的控制量即速度反馈的摇动量。

(产业上利用的可能性)

如果使用本发明的伺服控制系统的振荡临界检测方法，通过检测伺服控制系统的振荡临界区域时变成最大的转矩指令或速度反馈的振动频率波动时的摇动量，可以检测伺服控制系统在振荡临界时的控制参数，因而能够调节控制参数，使得伺服控制系统不发生振荡。

Claims (8)

1.一种伺服控制系统的伺服参数调节方法，用以调节控制装置的控制参数，所述控制装置通过在规定的每个采样周期输入驱动控制对象的伺服马达所反馈的控制量和上位装置输入的指令值之间的偏差以及向输出电流到伺服马达的转矩放大器输出转矩指令，进行所述控制对象的控制，该方法包括，

阶段地变更控制参数的值，测量各个控制参数值的所述控制量的振动的频率分量的波动即摇动量，

所述摇动量超过规定值时，判断伺服控制系统达到振荡临界，

通过仅仅以规定的阶段返回所述控制装置设定的控制参数值来调节所述控制参数。

2.如权利要求1所述的伺服控制系统的伺服参数调节方法，所述摇动量是仅仅以规定次数求出在规定时间内的所述控制量的差分符号的反转次数即符号反转次数时，所述符号反转次数的标准偏差的值。

3.一种伺服控制系统的伺服参数调节方法，用以调节控制装置的控制参数，所述控制装置通过在规定的每个采样周期输入驱动控制对象的伺服马达所反馈的控制量和上位装置输入的指令值之间的偏差以及向输出电流到伺服马达的转矩放大器输出转矩指令，进行所述控制对象的控制，该方法包括，

阶段地变更控制参数的值，测量各个控制参数值的所述转矩指令的振动的频率分量的波动即摇动量，

所述摇动量超过规定值时，判断伺服控制系统达到振荡临界，

通过仅仅以规定的阶段返回所述控制装置设定的控制参数值来调节所述控制参数。

4.如权利要求3所述的伺服控制系统的伺服参数调节方法，所述摇动量是仅仅以规定次数求出在规定时间内的所述转矩指令的差分符号的反转次数即符号反转次数时，所述符号反转次数的标准偏差的值。

5.一种伺服控制系统的伺服参数调节方法，用以调节控制装置的控制参数，所述控制装置通过在规定的每个采样周期输入驱动控制对象的伺服马达所反馈的控制量和上位装置输入的指令值之间的偏差以及向输出电流到伺服马达的转矩放大器输出转矩指令，进行所述控制对象的控制，该方法包括，

测量伺服控制系统操作中所述控制量的振动的频率分量的波动即摇动量，

所述摇动量超过规定值时，判断伺服控制系统达到振荡临界，

通过使所述控制装置设定的控制参数的值从当前设定的值变更到仅仅变化了规定值的值来调节所述控制参数。

6.如权利要求5所述的伺服控制系统的伺服参数调节方法，所述摇动量是仅仅以规定次数求出在规定时间内的所述控制量的差分符号的反转次数即符号反转次数时，所述符号反转次数的标准偏差的值。

7.一种伺服控制系统的伺服参数调节方法，用以调节控制装置的控制参数，所述控制装置通过在规定的每个采样周期输入驱动控制对象的伺服马达所反馈的控制量和上位装置输入的指令值之间的偏差以及向输出电流到伺服马达的转矩放大器输出转矩指令，进行所述控制对象的控制，该方法包括，

测量伺服控制系统操作中所述转矩指令的振动的频率分量的波动即摇动量，

所述摇动量超过规定值时，判断伺服控制系统达到振荡临界，

通过使所述控制装置设定的控制参数的值从当前设定的值变更到仅仅变化了规定值的值来调节所述控制参数。

8.如权利要求7所述的伺服控制系统的伺服参数调节方法，所述摇动量是仅仅以规定次数求出在规定时间内的所述转矩指令的差分符号的反转次数即符号反转次数时，所述符号反转次数的标准偏差的值。

Images