[發明專利]一種速度受限的大行程點位運動控制方法

有效

• 申請號: 202011413999.4
• 申請日: 2020-12-05
• 公開（公告）號: CN112684703B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 程國揚;李慧
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 錢莉;蔡學俊

本發明涉及一種速度受限的大行程點位運動控制方法，針對二階伺服系統的模型，設計一個由時間最優控制律向線性控制律平穩過渡的時間準最優定點伺服控制律，設計一個能實現恒速調節的速度控制律；系統在點位運動的初始階段采用所述時間準最優定點伺服控制律進行加速，當速度達到其限值且趨于繼續增大時則切換到所述速度控制律進行恒速調節，隨后當系統進入目標鄰域再切換回時間準最優伺服控制律進行減速和平穩控制。本發明可實現在控制量限幅和速度受限條件下對大范圍位置目標的快速和平穩跟蹤。

技術領域

本發明涉及工業伺服控制技術領域，特別是一種速度受限的大行程點位運動控制方法。

背景技術

在工業加工和自動裝配等應用環境中，通常需要進行大范圍的點對點運動控制，這種位置伺服系統必須在有限的控制力度和速度限制下具有快速的響應，以及較低的超調量，并具有足夠的魯棒性。

迄今，學術界和工業界的科研人員為此進行了大量的研究，提出了各種控制方案。但其中的大多數方案，在控制器的設計時沒有恰當考慮控制量飽和受限或速度限制等因素，這樣設計出來的控制系統或者過于保守、不能充分發揮系統的潛能，或者過于激進，在實際運行中可能導致不穩定或其他風險。

對于控制量受限情況下的定點控制問題，時間最優控制理論雖然給出了所謂的Bang-bang控制律，其實質是控制量在正負兩個極端值之間進行切換，這種控制律對系統模型的偏差和噪聲非常敏感，會產生抖振現象；而且，隨著位置目標的增大，Bang-bang控制律作用下的系統速度峰值將逾越實際系統允許的范圍、引發系統故障。這些問題給實際應用帶來了困難。目前，在工業伺服系統中，主要采用PID控制，但PID控制算法需對系統的誤差量提取微分信號，可能引起噪聲放大，降低系統的魯棒性；PID控制在給定的帶寬范圍內不能同時實現快速響應與低超調，且易產生所謂的積分器飽和現象(Integratorwindup)；PID的控制性能隨著系統的給定目標和負載情況而變化，無法在大的工作范圍內獲得理想的性能。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提出一種速度受限的大行程點位運動控制方法，可實現在控制量限幅和速度受限條件下對大范圍位置目標的快速和平穩跟蹤。

本發明采用以下方案實現：一種速度受限的大行程點位運動控制方法，針對二階伺服系統的模型，設計一個由時間最優控制律向線性控制律平穩過渡的時間準最優定點伺服控制律，設計一個能實現恒速調節的速度控制律；系統在點位運動的初始階段采用所述時間準最優定點伺服控制律進行加速，當速度達到其限值且趨于繼續增大時則切換到所述速度控制律進行恒速調節，隨后當系統進入目標鄰域再切換回時間準最優伺服控制律進行減速和平穩控制。

進一步地，所述二階伺服系統的模型為帶慣性阻尼環節的伺服系統，其系統模型描述如下：

式中，y為系統的受控輸出量，即位置；v為速度信號，u為控制輸入信號，a與b均為模型參數，并且a＜0，b＞0；和和分別是y和v對時間的一階導數；sat(u)是最大幅值為u_max的飽和限幅函數。

進一步地，所述設計一個由時間最優控制律向線性控制律平穩過渡的時間準最優定點伺服控制律具體為：

針對定點目標r進行跟蹤，得到時間準最優定點伺服控制律u_p：

u_p＝sat(k_p[e+f_p(v)])；

式中，e為跟蹤誤差，e＝r-y，f_p(v)表示關于速度變量v的分段非線性函數。

進一步地，所述關于速度變量v的分段非線性函數f_p(v)的表達式如下：