[發明專利]一種基于通信干擾觀測器的網絡化多軸運動控制系統的交叉耦合控制方法

在審

• 申請號: 201710403219.X
• 申請日: 2017-06-01
• 公開（公告）號: CN107085373A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 王瑤為;張文安
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司33241
• 代理人: 王利強

1.一種基于通信干擾觀測器的網絡化多軸運動控制系統的交叉耦合控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：

步驟1)根據多軸運動控制系統的動態特性，建立在扭矩模式下單軸伺服系統的二階模型為

其中，G(s)表示系統傳遞函數，系統的控制輸入量為電機輸入電壓U(s)，輸出量也即被控變量為軸的位置Y(s)，K和T為系統參數；

步驟2)針對單軸的軌跡跟蹤控制，設計基于線性自抗擾控制的跟蹤控制器，過程包括：設計線性跟蹤微分器，線性擴張狀態觀測器和基于PD的線性誤差反饋控制律；

步驟3)設計具有時延估計與補償功能的通信干擾觀測器，實現對單軸網絡誘導時延引起的不確定性的實時估計與補償；

步驟4)針對網絡化多軸運動控制系統中多軸協調運動控制的軌跡輪廓模型計算出當前時刻系統的輪廓誤差模型，然后根據得到的輪廓誤差，設計基于PID的輪廓誤差補償控制器。

2.根據權利要求1所述的基于通信干擾觀測器的網絡化多軸運動控制系統的交叉耦合控制方法，其特征在于，所述步驟2)中，設計基于線性自抗擾控制的跟蹤控制器設計過程如下：

(2.1)設計如式(2)所示的線性跟蹤微分器，用來安排過渡過程，給定信號v₀作為參考輸入,

其中，參數r₀為跟蹤微分器的快速因子，v₁表示參考輸入v₀的跟蹤值，v₂為參考輸入v₀的微分的近似值，fh為v₂的微分值；

(2.2)設計如式(3)所示的線性擴張狀態觀測器，對系統的狀態和擾動進行實時估計與補償，

其中，β₀₁、β₀₂和β₀₃為一組待整定的參數，參數的選取通過極點配置確定為β₁＝3ω₀,β₂＝3ω₀²,β₃＝ω₀³，ω₀為觀測器帶寬，z₁和z₂分別為系統輸出y的估計以及y的微分的估計，z₃為系統擾動的估計，b₀為可調的補償因子；

(2.3)設計如式(4)所示的線性誤差反饋控制律,

其中，k_p和k_d分別為比例和微分系數，通過極點配置取k_p＝ω_c²,k_d＝2ω_c，ω_c為控制器帶寬，e₁，e₂分別為系統的狀態v₁與z₁之間的偏差以及v₂與z₂之間的偏差，u₀為誤差反饋控制量，u為最終的控制量。

3.根據權利要求1或2所述的基于通信干擾觀測器的網絡化多軸運動控制系統的交叉耦合控制方法，其特征在于，所述步驟3)中，設計具有時延估計與補償功能的通信干擾觀測器，實現對單軸網絡誘導時延引起的不確定性的實時估計與補償，過程如下：

(3.1)將網絡時延τ＝τ_ac+τ_ca引起的不確定性等效為網絡時延引起的干擾D_net(s)，具體如下

D_net(s)＝U(s)-U(s)e^-τs (5)

其中，τ為網絡時延，τ_ac、τ_ca分別為軸輸出的位置Y(s)到控制器輸入的網絡時延和控制器輸出到電機輸入電壓U(s)的網絡時延；

(3.2)設計如下公式(6)所示的一階通信干擾觀測器，對網絡時延引起的干擾D_net(s)進行實時估計與補償，

其中，L(s)是截止頻率為g_net的低通濾波器，是網絡時延引起的干擾D_net(s)的估計值，用來補償網絡通道中的時延引起的不確定性，當通信干擾觀測器的截止頻率接近于無窮時，|L(s)|＝1，此時可以精確的估計網絡時延引起的干擾。