一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，屬于機(jī)械設(shè)備控制領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)的控制方法不能做到在線自動(dòng)調(diào)整陷波濾波器的控制參數(shù)，機(jī)械諧振抑制效果差，無法滿足直線伺服高速高精的系統(tǒng)要求。發(fā)明為解決直線伺服系統(tǒng)諧振抑制的問題，提供了一種基于割線迭代學(xué)習(xí)法優(yōu)化陷波濾波器控制參數(shù)。本發(fā)明控制方法簡單、實(shí)用、精度高。
【專利說明】
一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，屬于機(jī)械設(shè)備控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 直線伺服系統(tǒng)由于采用直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不存在中間傳遞環(huán)節(jié)，具有相對(duì)小 的負(fù)載慣量及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在高速高精數(shù)控系統(tǒng)、半導(dǎo)體芯片制造以及 精密儀器等領(lǐng)域。為了充分發(fā)揮直線伺服系統(tǒng)高速高精性能，高速高精運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)成 為直線伺服系統(tǒng)能否充分發(fā)揮高速高精性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 由于直線伺服系統(tǒng)的高頻響特性，具有良好的加速性能，其運(yùn)動(dòng)過程中理想軌跡 加速段所包含的豐富高頻信號(hào)以及經(jīng)反饋處理的擾動(dòng)信號(hào)極易激活其本身機(jī)械平臺(tái)固有 的高頻結(jié)構(gòu)共振模態(tài)，從而影響其高精性能，因此，需要對(duì)高頻結(jié)構(gòu)共振進(jìn)行抑制。目前針 對(duì)伺服系統(tǒng)諧振抑制的控制方法大多為利用系統(tǒng)辨識(shí)的方法辨識(shí)含有諧振特性的運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)傳遞函數(shù)，利用辨識(shí)得到傳遞函數(shù)的主要諧振點(diǎn)，確定控制器中陷波濾波器的控制參數(shù)。 此方法無法做到在線自動(dòng)調(diào)整陷波濾波器的控制參數(shù)，機(jī)械諧振抑制效果差，無法滿足直 線伺服高速高精的系統(tǒng)要求。針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實(shí)有必要進(jìn)行研發(fā)，解 決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在線自動(dòng)調(diào)整陷波濾波器 的控制參數(shù)，控制精度高，簡單實(shí)用，控制效果好的直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0006] -種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一:連接好直線伺服系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制卡，打開上位機(jī)軟件，設(shè)置包括陷波濾波 器參數(shù)在內(nèi)的控制器參數(shù)，將參數(shù)下載到運(yùn)動(dòng)控制卡上的DSP芯片中；步驟二:控制器參數(shù) 下載完成后，使能伺服系統(tǒng)，使電機(jī)閉環(huán);步驟三:在直線伺服系統(tǒng)信號(hào)輸入端輸入階躍信 號(hào)n(t)，信號(hào)階躍點(diǎn)在Is處產(chǎn)生，規(guī)定采樣周期1為0.0005s，采集輸出位移信號(hào) yi(t)，采 集時(shí)間為5s，共10001個(gè)采樣點(diǎn)，輸入信號(hào)n(t)減去輸出信號(hào)yi(t)為誤差信號(hào) ei(t);步驟 四：規(guī)定直線伺服系統(tǒng)的響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間為2s，迭代優(yōu)化時(shí)所使用的誤差信號(hào)61(〇為2s之 后;步驟五:利用割線迭代學(xué)習(xí)法將陷波濾波器的三個(gè)參數(shù)迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化完成到最優(yōu)值;在 直線伺服系統(tǒng)控制器中加入此陷波濾波器，抑制其諧振?；诟罹€迭代學(xué)習(xí)法優(yōu)化陷波濾 波器控制參數(shù)，方法簡單、實(shí)用、精度高。
[0008] 進(jìn)一步地，步驟一中陷波濾波器H( s)其傳遞函數(shù)為
;?為陷波濾波器作用的頻率點(diǎn)、kl為陷波帶寬參數(shù) 以及k2為陷波深度參數(shù);將陷波濾波器的傳遞函數(shù)離散化，并通過編程燒寫到運(yùn)動(dòng)控制卡 的DSP芯片中；設(shè)置控制器參數(shù)《、kl、k2初值分別為200rad/s、1、0.001，將這三個(gè)初值下載 到運(yùn)動(dòng)控制卡中的DSP芯片中。
[0011]進(jìn)一步地，更新陷波濾波器作用的頻率點(diǎn)《、陷波帶寬參數(shù)kl以及陷波深度參數(shù) k2，三個(gè)參數(shù)分別變?yōu)?20rad/s、1.02、0.00105，三個(gè)參數(shù)變化的步長分別為20rad/s、 0.02、0.00005,并下載到DSP芯片中；在信號(hào)輸入端輸入階躍信號(hào)r 2(t)，與步驟一中輸入信 號(hào)相同，采集輸出信號(hào)y2(t)，將輸入信號(hào)r2(t)減去輸出信號(hào)y 2(t)得到誤差信號(hào)e2(t);同 樣，舍去〇-2s的誤差數(shù)據(jù)；
[0012]進(jìn)一步地，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的值公式如下： 1_1
[0013] X f ⑷ A： =4000
[0014] 則前兩次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)函數(shù)分別為心和上；
[0015] 進(jìn)一步地，所述割線迭代學(xué)習(xí)法，規(guī)定陷波濾波器《，kl，k2三參數(shù)變化范圍，《為 200至565rad/s，kl為1-3，k2為0.001-0.003，利用前兩次采集誤差并計(jì)算得到的目標(biāo)函數(shù)， 可得陷波濾波器參數(shù)的迭代公式如下：
[0019]其中.SY/，(A.) = j, ,用來限制迭代過程中參數(shù)變化步長，若《k + 1，
[si gn{ x), otherwise kl1+1，k21+1在限制范圍之內(nèi)，則濾波器參數(shù)更新為迭代后的優(yōu)化值;若計(jì)算后的參數(shù)超出迭 代限制范圍則迭代公式改為如下形式(參數(shù)互不影響，單獨(dú)考慮迭代范圍條件與選擇迭代 公式）：
[0023]進(jìn)一步地，進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化，將優(yōu)化的陷波濾波器參數(shù)下載到直線伺服系統(tǒng)控 制系統(tǒng)的DSP芯片中，重新輸入步驟一中的階躍信號(hào)，采集直線伺服系統(tǒng)輸出位移，并利用 割線迭代學(xué)習(xí)法的迭代公式進(jìn)行參數(shù)迭代尋優(yōu)，在三個(gè)參數(shù)第一次迭代收斂后，保持頻率 參數(shù)《不變，將kl和k2再增加步長，繼續(xù)迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化kl和k2參數(shù)；
[0024]進(jìn)一步地，利用割線迭代學(xué)習(xí)法優(yōu)化kl和k2參數(shù)，當(dāng)k2在某一固定值附近等幅振 蕩時(shí)，則取該值為參數(shù)k2的迭代最終優(yōu)化值，保持參數(shù)k2在該值不變，并保持作用頻率參數(shù) U為優(yōu)化值，繼續(xù)進(jìn)行kl參數(shù)的迭代優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，直至kl參數(shù)在某一固定值附近等幅振蕩或 收斂于某一固定值，則取該值為參數(shù)kl的迭代最終優(yōu)化值。
[0025]進(jìn)一步地，直線伺服系統(tǒng)為直線單軸直線電機(jī)。
[0026] 進(jìn)一步地，上位機(jī)為電腦或工控機(jī)。優(yōu)選地，上位機(jī)為電腦，電腦應(yīng)用已經(jīng)很普遍， 直接利用電腦做上位機(jī)，不需要增加額外投資，減少生產(chǎn)成本。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0028]本發(fā)明為解決直線伺服系統(tǒng)諧振抑制的問題，提供了一種基于割線迭代學(xué)習(xí)法優(yōu) 化陷波濾波器控制參數(shù)。本發(fā)明控制方法簡單、實(shí)用、精度高。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)框圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明利用割線迭代學(xué)習(xí)法優(yōu)化陷波濾波器參數(shù)流程圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明的陷波濾波器作用的頻率點(diǎn)CO、陷波帶寬參數(shù)kl以及陷波深度參數(shù) k2隨迭代次數(shù)變化圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明未加入陷波濾波器和加入陷波濾波器的誤差對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0034] 相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修 改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本發(fā)明有更好的了解，在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì) 節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的 描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0035] 本發(fā)明的直線伺服系統(tǒng)諧振控制方法，所述的方法包含如下步驟：
[0036] 步驟一:本發(fā)明中直線伺服系統(tǒng)執(zhí)行器為直線單軸直線電機(jī)，連接好直線電機(jī)與 運(yùn)動(dòng)控制卡，使用電腦做為上位機(jī)，打開上位機(jī)軟件，設(shè)置包括陷波濾波器參數(shù)在內(nèi)的控制 器參數(shù)，將參數(shù)下載到運(yùn)動(dòng)控制卡上的DSP芯片中?？刂破鲄?shù)下載完成后，使能伺服系統(tǒng)， 使電機(jī)閉環(huán)。在直線伺服系統(tǒng)信號(hào)輸入端輸入階躍信號(hào)^(〇,信號(hào)階躍點(diǎn)在Is處產(chǎn)生，規(guī) 定采樣周期1為0.0005s，采集輸出位移信號(hào) yi(t)，采集時(shí)間為5s，共10001個(gè)采樣點(diǎn)，輸入 信號(hào)n(t)減去輸出信號(hào)yi(t)為誤差信號(hào) ei(t)。規(guī)定直線伺服系統(tǒng)的響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間為2s， 迭代優(yōu)化時(shí)所使用的誤差信號(hào)61(〇為2s之后。
[0037] 步驟二:步驟一中陷波濾波器H(s)其傳遞函數(shù)為
?！稙橄莶V波器作用的頻率點(diǎn)、kl為陷波帶寬參數(shù) 以及k2為陷波深度參數(shù)。將陷波濾波器的傳遞函數(shù)離散化，并通過編程燒寫到運(yùn)動(dòng)控制卡 的DSP芯片中。設(shè)置控制器參數(shù)《、kl、k2初值分別為200瓜(1/8、1、0.001，將這三個(gè)初值下載 到運(yùn)動(dòng)控制卡中的DSP芯片中。
[0040]步驟三:更新陷波濾波器作用的頻率點(diǎn)co、陷波帶寬參數(shù)kl以及陷波深度參數(shù)k2， 三個(gè)參數(shù)分別變?yōu)?20rad/s、1.02、0.00105，三個(gè)參數(shù)變化的步長分別為20rad/s、0.02、 0.00005,并下載到DSP芯片中。在信號(hào)輸入端輸入階躍信號(hào)^(〇,與步驟一中輸入信號(hào)相 同，采集輸出信號(hào)y 2(t)，將輸入信號(hào)r2(t)減去輸出信號(hào)y2(t)得到誤差信號(hào)e2(t)。同樣，舍 去〇_2s的誤差數(shù)據(jù)。
[0041 ]步驟四：計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的值公式如下： 10001
[0042] J= Y, c，2{-k) ,k=mm
[0043] 則步驟一和步驟二中的誤差目標(biāo)函數(shù)為心與上。
[0044]步驟五:利用割線迭代學(xué)習(xí)法：規(guī)定陷波濾波器《，kl，k2三參數(shù)變化范圍，《為 200至565rad/s，kl為1-3，k2為0.001-0.003，利用前兩次采集誤差并計(jì)算得到的目標(biāo)函數(shù)， 可得陷波濾波器參數(shù)的迭代公式如下：
[0048]其中Wv) = { . .，.用來限制迭代過程中參數(shù)變化步長，若《k+1，
[si gn(x% omerwise kl1+1，k21+1在限制范圍之內(nèi)，則濾波器參數(shù)更新為迭代后的優(yōu)化值;若計(jì)算后的參數(shù)超出迭 代限制范圍則迭代公式改為如下形式(參數(shù)互不影響，單獨(dú)考慮迭代范圍條件與選擇迭代 公式）：
[0052]步驟六:將步驟五中優(yōu)化的陷波濾波器參數(shù)下載到直線伺服系統(tǒng)控制系統(tǒng)的DSP 芯片中，重新輸入步驟一中的階躍信號(hào)，采集直線伺服系統(tǒng)輸出位移，并利用步驟五的迭代 公式進(jìn)行參數(shù)迭代尋優(yōu)，在三個(gè)參數(shù)第一次迭代收斂后，保持頻率參數(shù)《不變，將kl和k2再 增加步驟二中步長，繼續(xù)迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化kl和k2參數(shù)。
[0053]步驟七:使用步驟六的方法迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化kl和k2參數(shù)，當(dāng)k2在某一固定值附近等 幅振蕩時(shí)，則取該值為參數(shù)k2的迭代最終優(yōu)化值，保持參數(shù)k2在該值不變，并保持作用頻率 參數(shù)co為步驟五中優(yōu)化值，繼續(xù)進(jìn)行kl參數(shù)的迭代優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，直至kl參數(shù)在某一固定值附 近等幅振蕩或收斂于某一固定值。至此，陷波濾波器的三個(gè)參數(shù)迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化完成到最優(yōu) 值。在直線伺服系統(tǒng)控制器中加入此陷波濾波器，可以抑制其諧振。
[0054]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一:連接好直線伺服系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制卡，打開上位機(jī)軟件，設(shè)置包括陷波濾波器參 數(shù)在內(nèi)的控制器參數(shù)，將參數(shù)下載到運(yùn)動(dòng)控制卡上的DSP芯片中；步驟二:控制器參數(shù)下載 完成后，使能伺服系統(tǒng)，使電機(jī)閉環(huán);步驟三:在直線伺服系統(tǒng)信號(hào)輸入端輸入階躍信號(hào)η (t)，信號(hào)階躍點(diǎn)在Is處產(chǎn)生，規(guī)定采樣周期1為0.0005s，采集輸出位移信號(hào)yi(t)，采集時(shí) 間為5s，共10001個(gè)采樣點(diǎn)，輸入信號(hào) ri(t)減去輸出信號(hào)yi(t)為誤差信號(hào)ei(t);步驟四：規(guī) 定直線伺服系統(tǒng)的響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間為2s，迭代優(yōu)化時(shí)所使用的誤差信號(hào)的(〇為2s之后;步驟 五:利用割線迭代學(xué)習(xí)法將陷波濾波器的三個(gè)參數(shù)迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化完成到最優(yōu)值;在直線伺 服系統(tǒng)控制器中加入此陷波濾波器，抑制其諧振。2. 如權(quán)利要求1所述的一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，其特征在于， 步驟一中陷波濾波器H(s)其傳遞函數(shù)為;?為陷波濾波器作用的頻率點(diǎn)、kl為陷波帶寬參數(shù)以及 k2為陷波深度參數(shù);將陷波濾波器的傳遞函數(shù)離散化，并通過編程燒寫到運(yùn)動(dòng)控制卡的DSP 芯片中；設(shè)置控制器參數(shù)ω、kl、k2初值分別為200rad/s、1、0.001，將這三個(gè)初值下載到運(yùn) 動(dòng)控制卡中的DSP芯片中。3. 如權(quán)利要求2所述的一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，其特征在于， 更新陷波濾波器作用的頻率點(diǎn)ω、陷波帶寬參數(shù)kl以及陷波深度參數(shù)k2,三個(gè)參數(shù)分 別變?yōu)?20rad/s、1.02、0.00105，三個(gè)參數(shù)變化的步長分別為20rad/s、0.02、0.00005，并下 載到DSP芯片中；在信號(hào)輸入端輸入階躍信號(hào)r 2(t)，與步驟一中輸入信號(hào)相同，采集輸出信 號(hào)y2(t)，將輸入信號(hào)r2(t)減去輸出信號(hào)y 2(t)得到誤差信號(hào)e2(t);同樣，舍去0-2s的誤差 數(shù)據(jù)。4. 如權(quán)利要求3所述的一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，其特征在于，計(jì)算目標(biāo)函 數(shù)的值公式如下：則前兩次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)函數(shù)分別為心和上。5. 如權(quán)利要求3所述的一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，其特征在于，所述割線迭 代學(xué)習(xí)法:規(guī)定陷波濾波器ω，kl，k2三參數(shù)變化范圍，ω為200至565rad/s，kl為1-3，k2為 0.001-0.003,利用前兩次采集誤差并計(jì)算得到的目標(biāo)函數(shù)，可得陷波濾波器參數(shù)的迭代公 式如下：，用來限制迭代過程中參數(shù)變化步長，若《k+1，kl 1+1， k21+1在限制范圍之內(nèi)，則濾波器參數(shù)更新為迭代后的優(yōu)化值;若計(jì)算后的參數(shù)超出迭代限 制范圍則迭代公式改為如下形式（參數(shù)互不影響，單獨(dú)考慮迭代范圍條件與選擇迭代公 式)：6. 如權(quán)利要求5所述的一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，其特征在于，進(jìn)行迭代學(xué) 習(xí)優(yōu)化，將優(yōu)化的陷波濾波器參數(shù)下載到直線伺服系統(tǒng)控制系統(tǒng)的DSP芯片中，重新輸入步 驟一中的階躍信號(hào)，采集直線伺服系統(tǒng)輸出位移，并利用割線迭代學(xué)習(xí)法的迭代公式進(jìn)行 參數(shù)迭代尋優(yōu)，在三個(gè)參數(shù)第一次迭代收斂后，保持頻率參數(shù)ω不變，將kl和k2再增加中步 長，繼續(xù)迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化kl和k2參數(shù)。7. 如權(quán)利要求6所述的一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，其特征在于，利用割線迭 代學(xué)習(xí)法優(yōu)化方法優(yōu)化kl和k2參數(shù)，當(dāng)k2在某一固定值附近等幅振蕩時(shí)，則取該值為參數(shù) k2的迭代最終優(yōu)化值，保持參數(shù)k2在該值不變，并保持作用頻率參數(shù)ω為優(yōu)化值，繼續(xù)進(jìn)行 kl參數(shù)的迭代優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，直至kl參數(shù)在某一固定值附近等幅振蕩或收斂于某一固定值，則 取該值為參數(shù)kl的迭代最終優(yōu)化值。8. 如權(quán)利要求1-7任一所述的一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，其特征在于，直線 伺服系統(tǒng)為直線單軸直線電機(jī)。9. 如權(quán)利要求1-7任一所述的一種直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振控制方法，其特征在于，上位 機(jī)為電腦或工控機(jī)。
【文檔編號(hào)】H02P25/06GK105929865SQ201610442581
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】楊亮亮, 時(shí)軍, 歐陽博, 劉權(quán)慶, 應(yīng)思齊, 胡建
【申請(qǐng)人】浙江理工大學(xué)