CN102944996A - 伺服***控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种伺服***控制器及控制方法包括：伺服***参数存储部，存储有伺服***的剪切频率，目标动作值、相位裕度；参数计算部，根据剪切频率和相位裕度分别计算出积分增益、比例增益和积分阶次；初始信号获取部，根据积分增益、比例增益和积分阶次来获取在伺服***启动状态时控制其初始动作的初始控制信号，伺服***根据该初始控制信号开始动作；反馈传感部，感应伺服***的动作并根据该动作发出相对应的动作反馈信号；纠偏部，根据动作反馈信号、目标动作值以及积分增益、比例增益和积分阶次来获取纠正伺服***的动作纠偏信号，伺服***根据该纠偏信号调整动作，保证伺服***动作精确。

Description

伺服***控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种伺服***控制器及控制方法。

背景技术

伺服***在自动控制领域占有非常重要的地位，是一种被控量为位移、速度、加速度的反馈控制***，能够精确地跟随某个控制过程。另外，一些伺服***工作环境复杂,***存在比较大的不确定性和滞后，以及在工作过程中惯性负载的变化，是典型的非线性***。目前基于自动控制技术的伺服***中采用的控制器多为传统PID控制器、模糊自适应控制器、神经网络控制器等。传统PID控制器控制方法过于简单，参数的控制性能也有一定的局限性，虽然传统PID控制器由三个参数实现控制性能，但是它的微分阶次是1阶的，因此控制***的类型比较固定，对于分数阶***采用传统PID控制器控制的就会产生较大误差，控制效果有时达不到控制精度要求。因此，对于非线性、滞后的伺服***，采用常规控制器往往难以满足***对鲁棒性和稳定精度的要求。

发明内容

为了满足伺服***既能够具有稳定的精度又能够提高***鲁棒性和灵活性，本发明提供了一种伺服***控制器及控制方法。

一种控制伺服***的伺服***控制器，其特征在于：包括存储有伺服***的剪切频率、相位裕度、目标动作值的伺服***参数存储部；根据伺服***参数存储部中的剪切频率以及相位裕度分别计算出积分增益、比例增益和积分阶次的参数计算部，根据积分增益、比例增益和积分阶次来获取在所述伺服***启动状态时控制其初始动作的初始控制信号的初始信号获取部，伺服***根据该初始控制信号开始动作；感应伺服***的动作并根据该动作发出相对应的动作反馈信号的反馈传感部；根据动作反馈信号、目标动作值以及积分增益、比例增益和积分阶次来获取纠正伺服***的动作纠偏信号的纠偏部，根据该纠偏信号调整动作来保证伺服***的动作的精确。

进一步，本发明提供的伺服***控制器还可以具有这样的特征：纠偏信号获取部具有将所述动作反馈信号转换为实际动作值的反馈信号转换部；根据所述实际动作值与所述目标动作值计算出所述伺服***的动作偏差的偏差计算部；根据所述动作偏差以及所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次来获取控制所述伺服***动作纠偏的纠偏控制信号的纠偏信号获取部；将所述该纠偏控制信号转换为所述伺服***能够接收的相对应的所述动作纠偏信号的纠偏信号转换部。

进一步，本发明提供的伺服***控制器还可以具有这样的特征：积分增益、比例增益和积分阶次分别通过选取伺服***模型为

形式得出的以下关系式计算得出的，

$K_i=\frac{-\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{C}L+{\mathrm{\φ}}_m)}{M}---\left(4\right)$

$K_p=\sqrt{\frac{A^2+B^2}{{(1+K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right))}^2+{\left(K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\right)}^2}}---\left(6\right)$

其中：s表示频域，K_p为比例增益；K_i为积分增益；λ为积分阶次；ω_c为剪切频率；φ_m为相位裕度；A=1-T₂ω_c ²；B=T₃ω_c-T₁ω_c ³；

$M={{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)+{\mathrm{\ω}}_c\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{c}L+{\mathrm{\φ}}_m);$

T₂、T₁、T₃、L是常数，A,B,M,

Y用作公式的代换。

进一步，本发明提供的伺服***控制器还可以具有这样的特征：初始信号获取部以及纠偏部都是通过将K_p、K_i、以及λ的值带入函数来获取初始控制信号以及动作控制信号，在该函数中，s表示频域，初始控制信号以及动作控制信号即由该频域得出。

进一步，本发明提供的伺服***控制器还可以具有这样的特征：λ为(0,2]范围内的任意实数。

另外，本发明提供的一种伺服***控制方法，其特征在于：设有伺服***参数存储部来存储有所述伺服***的剪切频率，目标动作值；采用参数计算部来根据伺服***参数存储部中的剪切频率分别计算出积分增益、比例增益和积分阶次，采用初始信号获取部来根据积分增益、比例增益和积分阶次来获取在伺服***启动状态时控制其初始动作的初始控制信号，伺服***根据该初始控制信号开始动作；采用反馈传感部来感应伺服***的动作并根据该动作发出相对应的动作反馈信号；采用纠偏部来根据动作反馈信号、所述目标动作值以及积分增益、比例增益和积分阶次来获取纠正伺服***的动作纠偏信号，伺服***根据该纠偏信号调整动作，保证伺服***动作的精确。

进一步，本发明提供的伺服***控制方法还可以具有这样的特征：纠偏信号获取部通过采用反馈信号转换部来将所述动作反馈信号转换为实际动作值；采用偏差计算部来根据所述实际动作值与所述目标动作值计算出所述伺服***的动作偏差；采用纠偏信号获取部来根据所述动作偏差以及所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次来获取控制所述伺服***动作纠偏的纠偏控制信号；采用纠偏信号转换部来将所述该纠偏控制信号转换为所述伺服***能够接收的相对应的所述动作纠偏信号。

进一步，本发明提供的伺服***控制方法还可以具有这样的特征：积分增益、比例增益和积分阶次分别通过选取伺服***模型为

形式得出的以下关系式计算得出的，

$K_i=\frac{-\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{C}L+{\mathrm{\φ}}_m)}{M}---\left(4\right)$

$K_p=\sqrt{\frac{A^2+B^2}{{(1+K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right))}^2+{\left(K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\right)}^2}}---\left(6\right)$

其中：s表示频域，K_p为比例增益；K_i为积分增益；λ为积分阶次；ω_c为剪切频率；φ_m为相位裕度；A=1-T₂ω_c ²；B=T₃ω_c-T₁ω_c ³；

$M={{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)+{\mathrm{\ω}}_c\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{c}L+{\mathrm{\φ}}_m);$

T₂、T₁、T₃、L是常数，A,B,M,

Y用作公式的代换。

进一步，本发明提供的伺服***控制方法还可以具有这样的特征：初始信号获取部以及纠偏部都是通过将K_p、K_i、以及λ的值带入函数

来获取初始控制信号以及动作控制信号，在该函数中，s表示频域，初始控制信号以及动作控制信号即由该频域得出。

进一步，本发明提供的伺服***控制方法还可以具有这样的特征：λ为(0,2]范围内的任意实数。

发明作用与效果

本发明提供的伺服***控制器在拥有两个可调参数K_p、K_i的前提下，又有一个积分阶次λ，调整参数K_p，K_i的数值可改善伺服***的响应速度，改善***的动态特性，消除***稳态误差，再增加一个可调参数λ，又可改善伺服***的稳态精度，三个参数配合调整可大大增加***的稳定性，同时还可以满足***鲁棒性的需求。因此该方法的设计更加灵活，控制性能更加优越，被其伺服***的精度也得到了很好的控制，操作简单，易行。

附图说明

图1是本发明在实施例中的伺服***控制器的控制示意图；

图2是本发明在实施例中的初始信号获取部的组成示意图；

图3是本发明在实施例中的纠偏部的组成示意图；

图4是本发明在实施例中的伺服***控制器的控制流程图。

具体实施方式

图1是本实施例中的伺服***控制器的控制示意图。如图1所示，一种满足伺服***10既能够具有稳定的精度又能够提高***鲁棒性和灵活性的伺服***控制器（即FOPI控制器）具有：伺服***参数存储部1、参数计算部2、初始信号获取部3、反馈传感部4、纠偏部5。显然，本实施例中所选用的控制对象为伺服***，即伺服***控制器亦可叫做伺服***控制器。

伺服***参数存储部1中存储有伺服***10的剪切频率ω_c，目标动作，相位裕度φ_m等自身特征参数。

参数计算部2根据剪切频率以及相位裕度分别计算出积分增益K_i、比例增益K_p和积分阶次λ。

图2是本实施例中的初始信号获取部的组成示意图。如图2所示，初始信号获取部3由初始信号形成部31和初始信号转换部32构成，其中，初始信号形成部31根据积分增益、比例增益和积分阶次来获取在所述伺服***启动状态时控制其初始动作的初始信号；初始信号转换部32将初始信号转换为伺服***能够接收的相对应的初始控制信号，伺服***10根据该初始控制信号开始动作。

反馈传感部4用来感应伺服***的动作并根据该动作发出相对应的动作反馈信号。

图3是本发明在实施例中的纠偏部的组成示意图。如图3所示，纠偏部5具有反馈信号转换部51、偏差计算部52、纠偏信号获取部53、纠偏信号转换部54构成来根据动作反馈信号、目标动作值以及积分增益、比例增益和积分阶次来获取纠正伺服***的动作纠偏信号。

反馈信号转换部51将动作反馈信号转换为实际动作值；偏差计算部52根据实际动作值与目标动作值计算出伺服***的动作偏差；纠偏信号获取部53根据动作偏差以及微分基数、比例基数和积分阶次来获取控制伺服***动作纠偏的纠偏控制信号；纠偏信号转换部54将该纠偏控制信号转换为伺服***能够接收的相对应的动作纠偏信号。

中央处理器100来协调各个部件之间的工作。

本实施例中的初始信号转换部32以及纠偏信号转换部54是同一个伺服放大器将将初始信号放大为初始控制信号，纠偏控制信号放大为动作纠偏信号。

综上所述，该伺服***控制器是首先根据伺服***的非线性结构，确立伺服***的模型；其次再针对伺服***开环增益鲁棒性FOPI控制器参数整定方法设计原理设计出来的；最后针对伺服***的非线性工作特性，应用FOPI控制器实现最新的伺服***控制方法。

其中，参数计算部首先是通过如下参数整定方程来得到关于K_p、K_i、λ三个参数的关系式。

设被控***传递函数为：

公式中的T₁，T₂，T₃，L是常数。

针对伺服***的开环增益鲁棒性，FOPI控制器的参数整定方法设计原理为：

Arg[G(jω)]=Arg[C(jω_c)P(jω_c)]=-π+φ_m   （a）

|G(jω_c)|_dB=|C(jω_c)||P(jω_c)|_dB=0        （b）

${\left(\frac{d\left(\mathrm{Arg}\right[C\left(j{\mathrm{\ω}}_c\right)P\left(j{\mathrm{\ω}}_c\right)\left]\right)}{\mathrm{d\ω}}\right)}_{\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_c}=0---\left(c\right)$

其中，φ_m—相位裕度，ω_c—剪切频率。

由以上关系式，经过数值计算，即可求得控制器的三个参数K_p、K_i、λ的关系式如下：

$K_i=\frac{-\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{C}L+{\mathrm{\φ}}_m)}{M}---\left(4\right)$

$K_p=\sqrt{\frac{A^2+B^2}{{(1+K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right))}^2+{\left(K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\right)}^2}}---\left(6\right)$

其中：K_p为比例增益；K_i为积分增益；λ为积分阶次；ω_c为剪切频率；φ_m为相位裕度；A=1-T₂ω_c ²；B=T₃ω_c-T₁ω_c ³；

$M={{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)+{\mathrm{\ω}}_c\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{c}L+{\mathrm{\φ}}_m);$

A,B,M,

Y用作公式的代换。

由以上关系式，经过数值计算，即可求得控制器的三个参数K_p、K_i、λ。

其中，FOPI控制器的传递函数为：

初始信号获取部3以及纠偏部5都是通过将K_p、K_i、λ的值带入函数

来获取所述初始控制信号以及所述动作控制信号，在该函数中，s表示频域，所述初始控制信号以及所述动作控制信号即由该频域得出。

该参数计算部中，λ的取值特点是可以取任意实数，也可以为复数，在本发明中将λ的最佳取值范围为(0,2]的任意实数。由于该FOPI控制器的参数取值特点，它的应用场合也十分宽广，既可以用于控制整数阶***，也可以用于控制分数阶***，即该FOPI控制器具有很好的应用灵活性。

图4是本发明在实施例中的伺服***控制器的控制流程图。如图4所示，该FOPI控制器的工作步骤为：

S1：由参数计算部根据上述公式以及剪切频率计算出K_p、K_i、λ。

S2：初始信号形成部31根据K_p、K_i、以及λ来获取初始信号；

S3：伺服放大器将初始信号转换为初始控制信号；

S4：伺服***10根据该初始控制信号开始动作；

S5:反馈传感部4感应并发出伺服***的动作反馈信号；

S6：反馈信号转换部51将动作反馈信号转换为实际动作值；

S7：偏差计算部52计算出伺服***的动作偏差；

S8：纠偏信号获取部53获取控制伺服***动作纠偏的纠偏控制信号；

S9：伺服放大器54将纠偏控制信号放大为动作纠偏信号；

S10：伺服***10根据该动作纠偏信号实时纠偏，实现精准动作。

FOPI控制器实时地校正差值信号，使工作台的执行动作达到最理想状态。

实施例作用与效果

本实施例中所提供的FOPI控制器及其控制方法拥有两个可调参数K_p、K_i的前提下，又有一个积分阶次λ，调整参数K_p、K_i的数值可改善伺服***的响应速度，改善***的动态特性，消除伺服***稳态误差，再增加一个可调参数λ来改善伺服***的稳态精度，三个参数配合调整可大大增加***的稳定性，同时还可以满足***鲁棒性的需求。因此，设计更加灵活，控制性能更加优越，被其控制的伺服***的精度也得到了很好的提高，操作简单，易行。

Claims (10)

1.一种控制伺服***的伺服***控制器，其特征在于，包括：

伺服***参数存储部，存储有所述伺服***的剪切频率，相位裕度，目标动作值；

参数计算部，根据所述伺服***参数存储部中的所述剪切频率以及所述相位裕度分别计算出积分增益、比例增益和积分阶次，

初始信号获取部，根据所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次来获取在所述伺服***启动状态时控制其初始动作的初始控制信号，所述伺服***根据该初始控制信号开始动作；

反馈传感部，感应所述伺服***的动作并根据该动作发出相对应的动作反馈信号；

纠偏部，根据所述动作反馈信号、所述目标动作值以及所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次来获取纠正所述伺服***的动作纠偏信号，所述伺服***根据该纠偏信号调整动作，保证所述伺服***动作的精确。

2.根据权利要求1所述的伺服***控制器，其特征在于：

其中，所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次分别通过选取伺服***模型为

形式得出的以下关系式计算得出的：

$K_i=\frac{-\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{C}L+{\mathrm{\φ}}_m)}{M}---\left(4\right)$

$K_p=\sqrt{\frac{A^2+B^2}{{(1+K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right))}^2+{\left(K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\right)}^2}}---\left(6\right)$

其中：s表示频域，K_p为所述比例增益；K_i为所述积分增益；λ为所述积分阶次；ω_c为所述剪切频率；φ_m为所述相位裕度；A=1-T₂ω_c ²；B=T₃ω_c-T₁ω_c ³；

$M={{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)+{\mathrm{\ω}}_c\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{c}L+{\mathrm{\φ}}_m);$

T₂、T₁、T₃、L是常数，A,B,M,

Y用作公式的代换。

3.根据权利要求2所述的伺服***控制器，其特征在于：

其中，所述初始信号获取部以及所述纠偏部都是通过将K_p、K_i、以及λ的值带入函数

来获取所述初始控制信号以及所述动作控制信号，在该函数中，s表示所述频域，所述初始控制信号以及所述动作控制信号即由该频域得出。

4.根据权利要求2所述的伺服***控制器，其特征在于：

其中，所述λ为(0，2]范围内的任意实数。

5.根据权利要求1所述的伺服***控制器，其特征在于，其中，所述纠偏信号获取部具有：

反馈信号转换部，将所述动作反馈信号转换为实际动作值；

偏差计算部，根据所述实际动作值与所述目标动作值计算出所述伺服***的动作偏差；

纠偏信号获取部，根据所述动作偏差以及所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次来获取控制所述伺服***动作纠偏的纠偏控制信号；

纠偏信号转换部，将所述该纠偏控制信号转换为所述伺服***能够接收的相对应的所述动作纠偏信号。

6.一种控制伺服***的伺服***控制方法，其特征在于：

设有伺服***参数存储部来存储有所述伺服***的剪切频率、相位裕度、目标动作值；

采用参数计算部来根据所述伺服***参数存储部中的所述剪切频率以及所述相位裕度分别计算出积分增益、比例增益和积分阶次，

采用初始信号获取部来根据所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次来获取在所述伺服***启动状态时控制其初始动作的初始控制信号，所述伺服***根据该初始控制信号开始动作；

采用反馈传感部来感应所述伺服***的动作并根据该动作发出相对应的动作反馈信号；

采用纠偏部来根据所述动作反馈信号、所述目标动作值以及所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次来获取纠正所述伺服***的动作纠偏信号，所述伺服***根据该纠偏信号调整动作，保证所述伺服***动作的精确。

7.根据权利要求6所述的伺服***控制方法，其特征在于，其中，所述纠偏信号获取部：

采用反馈信号转换部来将所述动作反馈信号转换为实际动作值；

采用偏差计算部来根据所述实际动作值与所述目标动作值计算出所述伺服***的动作偏差；

采用纠偏信号获取部来根据所述动作偏差以及所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次来获取控制所述伺服***动作纠偏的纠偏控制信号；

采用纠偏信号转换部来将所述该纠偏控制信号转换为所述伺服***能够接收的相对应的所述动作纠偏信号。

8.根据权利要求6所述的伺服***控制控制方法，其特征在于：

其中，所述积分增益、所述比例增益和所述积分阶次分别通过选取伺服***模型为

形式得出的以下关系式计算得出的：

$K_i=\frac{-\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{C}L+{\mathrm{\φ}}_m)}{M}---\left(4\right)$

$K_p=\sqrt{\frac{A^2+B^2}{{(1+K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right))}^2+{\left(K_i{{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\right)}^2}}---\left(6\right)$

其中：s表示频域，K_p为所述比例增益；K_i为所述积分增益；λ为所述积分阶次；ω_c为所述剪切频率；φ_m为所述相位裕度；A=1-T₂ω_c ²；B=T₃ω_c-T₁ω_c ³；

$M={{\mathrm{\ω}}_c}^{-\mathrm{\λ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)+{\mathrm{\ω}}_c\cos \left(\frac{\mathrm{\λ\π}}{2}\right)\tan (\arctan \frac{B}{A}+{\mathrm{\ω}}_{c}L+{\mathrm{\φ}}_m);$

T₂、T₁、T₃、L是常数，A,B,M,

Y用作公式的代换。

9.根据权利要求6所述的伺服***控制方法，其特征在于：

其中，所述初始信号获取部以及所述纠偏部都是通过将K_p、K_i、以及λ的值带入函数

来获取所述初始控制信号以及所述动作控制信号，在该函数中，s表示所述频域，所述初始控制信号以及所述动作控制信号即由该频域得出。

10.根据权利要求6所述的伺服***控制方法，其特征在于：

其中，所述λ为(0，2]范围内的任意实数。

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