CN117192977A - 一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法及***，方法包括：根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，根据实时的同步误差补偿系数对各轴进行同步误差补偿；计算各轴的跟随误差，判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅。本发明在传统交叉耦合同步控制的基础上，引入跟随误差抗饱和设计与同步误差补偿系数自调整设计，提出了策略改进后的交叉耦合同步控制策略，提高同步控制性能、优化补偿效果。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，更具体地，涉及一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法、***、电子设备及存储介质。
背景技术
AGV双轴同步控制性能直接决定AGV小车直行、转弯的控制性能和能量转化效率。AGV小车双轴在负载不对称、速度不同工况下，两轴速度响应性不同，在两轴相互独立控制下，会影响双轴同步响应性，因此在PI控制基础上需设计基于改进交叉耦合的AGV双轴同步控制策略。
如图1所示为传统交叉耦合同步控制策略下AGV双轴同步控制***。如图1所示，基于传统交叉耦合同步控制策略的双轴同步控制***中，单个轴仍采用误差反馈控制原理，包含速度环、电流环两部分，相比于并行控制，传统交叉耦合同步控制策略中增加了同步误差计算模块与同步误差补偿模块。同步误差计算模块主要结构如图2所示。同步误差完成计算后，分别补偿至各轴控制***中，传统交叉耦合同步控制策略中同步误差补偿模块补偿系数都为1，同步误差经过补偿后与跟随误差一起输入至速度PI控制器进行计算，对各轴速度进行调节。如图1所示，若轴一速度大于轴二速度，则同步误差大于零，反馈至轴一***中的同步误差与跟随误差做减法运算，进而起到降低轴一速度的调节作用，反馈至轴二***中的同步误差与跟随误差做加法运算，进而起到提高轴二速度的调节作用，通过降低高速轴转速提高低速轴转速的调节方式来降低两轴间的同步误差，提高两轴的同步控制效果。
但是，采用传统交叉耦合同步控制策略存在一定的局限性：
1.跟随误差饱和现象
永磁同步电机速度环采用PI控制，即比例积分控制，启动阶段电机不能瞬时加速至指令转速，导致启动阶段跟随误差较大，由于速度PI控制器存在最大输出限幅，若跟随误差过大，则跟随误差经过速度PI控制器运算后会输出最大限幅值，即出现速度环饱和现象。
在交叉耦合同步控制结构中，同步误差补偿至速度环与跟随误差一起通过速度PI控制器计算后调整两轴转速，在速度环出现饱和现象下，无论同步误差值大小，经过速度PI控制器运算后，两个轴的速度PI控制器输出均为最大值，无法通过同步误差来达到两轴速度调节效果。与数控机床加工等加工场景不同，AGV小车在启动过程经常带载启动，在负载的影响下，两轴速度响应性更差，导致启动阶段速度饱和现象产生时间更长。
AGV小车启动阶段的双轴同步性能会影响AGV小车整体直行转弯的精准性，而跟随误差饱和现象严重影响启动阶段两轴的同步特性，需要在启动阶段降低跟随误差饱和带来的同步影响，提高同步误差对两轴的速度调节效果。
2.同步误差补偿系数
AGV小车在运动过程中运动状态存在很大差异：一方面，AGV小车会受到外部扰动，由于小车结构限制、地面平整度不一致，导致两个轴受到的外部扰动负载不一致。在不同负载情况下，两个轴速度响应特性不同，实际情况中，轻载工况下电机***响应快，重载工况下，电机***响应较慢；另一方面，AGV小车运动过程中会存在直行与转弯两种运动状态，反映到对两轴的控制方面，体现在双轴的完全同步与双轴的比例同步。
传统交叉耦合同步控制策略中两轴同步误差补偿系数均为1，在不同负载情况、不同速度下，对两个轴的同步误差补偿效果会产生很大差异，未能完全发挥同步误差对两个轴的调节效果。为了进一步发挥同步误差补偿效果，需要结合AGV小车运动过程中受到的扰动情况与速度大小情况综合考虑，为各轴设计更优的同步误差补偿系数。
有鉴于此，需设计一种改进的交叉耦合的双轴同步控制策略，以克服上述问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法、***、电子设备及存储介质，在传统交叉耦合同步控制的基础上，引入跟随误差抗饱和设计与同步误差补偿系数自调整设计，提出了策略改进后的交叉耦合同步控制策略，提高同步控制性能、优化补偿效果。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法，包括：
根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，根据实时的同步误差补偿系数对各轴进行同步误差补偿；
计算各轴的跟随误差，判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，包括：
根据***的速度控制指令获取各轴的速度同步系数，根据所述速度同步系数获取各轴的同步误差比例系数；
获取各轴实时的负载电流，所述负载电流取各轴电机对应的q轴电流；
根据各轴的同步误差比例系数以及各轴实时的负载电流计算各轴的同步误差补偿系数。
可选的，所述根据***的速度控制指令获取各轴的速度同步系数，根据所述速度同步系数获取各轴的同步误差比例系数，包括：
获取***速度控制指令信号为ωref(t)，定义轴一速度指令信号为ωref1(t)，轴二速度指令信号为ωref2(t)，轴一速度同步系数为λ1，轴二速度同步系数为λ2，则满足以下关系式：
ωref1(t)＝ωref(t)·λ1
ωref2(t)＝ωref(t)·λ2，
定义轴一同步误差比例系数为轴二的同步误差比例系数为/>则有：
可选的，通过下式计算各轴的同步误差补偿系数：
其中，P1(t)和P2(t)分别为未考虑负载情况时轴一和轴二的同步误差补偿系数，a为预设的基础补偿系数值，iq1(t)为轴一的电机q轴电流，iq2(t)为轴二的电机q轴电流，K1(t)为考虑负载情况的轴一同步误差补偿系数，K2(t)为考虑负载情况的轴二同步误差补偿系数。
可选的，所述计算各轴的跟随误差，包括：
获取轴一实时转速ω1(t)与轴二实时转速ω2(t)，通过以下关系式计算得到轴一跟随误差为e1(t)和轴二跟随误差为e2(t)：
e1(t)＝ωref1(t)-ω1(t)
e2(t)＝ωref2(t)-ω2(t)，
其中，轴一速度指令信号为ωref1(t)和轴二速度指令信号为ωref2(t)通过***速度控制指令获取。
可选的，所述判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅，包括：
将轴一跟随误差e1(t)和轴二跟随误差e2(t)分别输入跟随误差速度PI控制器，得到轴一跟随误差速度控制输出量iqout1和轴二跟随误差速度控制输出量iqout2；
将轴一跟随误差速度控制输出量iqout1和轴二跟随误差速度控制输出量iqout2分别与速度控制输出量的最大幅值iqoutmax相比较：
若iqout1＜iqoutmax，iqout2＜iqoutmax，则将轴一跟随误差速度控制输出量iqout1作为轴一的速度控制输出量iq1 *，将轴二跟随误差速度控制输出量iqout2作为轴二的速度控制输出量iq2 *；
若iqout1≥iqoutmax或iqout2≥iqoutmax，则根据下式计算轴一和轴二的同步误差Δe(t)：
其中，λ1为轴一速度同步系数，λ2为轴二速度同步系数，λ1和λ2通过***速度控制指令获取；
将轴一和轴二的同步误差Δe(t)输入同步误差速度PI控制器，得到轴一同步误差速度控制输出量iqoute1和轴二同步误差速度控制输出量iqoute2，通过下式对轴一的速度控制输出量iq1 *和轴二的速度控制输出量iq2 *进行限幅输出：
根据本发明的第二方面，提供一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制***，包括：
同步误差补偿模块，用于根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，还用于根据实时的同步误差补偿系数对各轴进行同步误差补偿；
跟随误差补偿模块，用于计算各轴的跟随误差，并判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，还用于根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅。
根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现上述基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法的步骤。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现上述基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法的步骤。
本发明提供的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法、***、电子设备及存储介质，在AGV小车带载启动过程中，跟随误差饱和会限制启动阶段同步控制误差调节效果，对此提出了一种跟随误差抗饱和策略；AGV小车运行过程中，在负重变化、负载不对称工况下，由于采用固定同步误差补偿系数会影响同步误差补偿效果，对此提出了同步误差补偿系数自调整设计。本发明在传统交叉耦合同步控制的基础上，引入跟随误差抗饱和设计与同步误差补偿系数自调整设计，提出了策略改进后的交叉耦合同步控制策略，提高同步控制性能、优化双轴同步补偿效果。
附图说明
图1为传统交叉耦合同步控制策略下AGV双轴同步控制***示意图；
图2为传统交叉耦合同步控制策略同步误差计算模块示意图；
图3为本发明提供的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制策略示意图；
图4为本发明提供的改进交叉耦合同步控制策略下AGV双轴同步控制***示意图；
图5为不同补偿系数下同步误差对比；
图6～图9为同步误差补偿系数自调整仿真结果图；
图10为本发明提供的跟随误差抗饱和设计结构示意图；
图11～图12为跟随误差抗饱和仿真结果图；
图13为基于改进交叉耦合的AGV双轴同步控制***仿真结构图；
图14～图17为直行-速度完全同步控制仿真结果图；
图18为本发明提供的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制***框图；
图19为本发明提供的一种可能的电子设备的硬件结构示意图；
图20为本发明提供的一种可能的计算机可读存储介质的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
首先，结合图1和图2，对传统交叉耦合同步控制策略下AGV双轴同步控制***的原理进行说明。
基于图1所示的传统交叉耦合同步控制策略结构，定义***速度指令信号为ωref(t)，定义轴一与轴二速度指令信号分别为ωref1(t)、ωref2(t)，定义轴一与轴二速度同步系数分别为λ1、λ2，则有以下关系式：
ωref1(t)＝ωref(t)·λ1
ωref2(t)＝ωref(t)·λ2。
定义轴一与轴二实时转速分别为ω1(t)、ω2(t)，定义轴一与轴二跟随误差分别为e1(t)、e2(t)，则有：
e1(t)＝ωref1(t)-ω1(t)
e2(t)＝ωref2(t)-ω2(t)。
定义轴一与轴二间同步误差为Δe(t)：
若轴一与轴二的同步误差趋近于零，可以得到下式：
从上式可以看出轴一与轴二速度成比例同步关系，若轴一与轴二速度同步系数相同，则轴一与轴二速度完全同步。
结合以上计算式构建得到基于传统交叉耦合同步控制策略的双轴同步控制***，具体结构如图1所示。
如图1所示，基于传统交叉耦合同步控制策略的双轴同步控制***中，单个轴仍采用误差反馈控制原理，包含速度环、电流环两部分，相比于并行控制，传统交叉耦合同步控制策略中增加了同步误差计算模块与同步误差补偿模块。其中，同步误差计算模块主要结构如图2所示。
同步误差完成计算后，分别补偿至各轴控制***中，传统交叉耦合同步控制策略中同步误差补偿模块补偿系数都为1，同步误差经过补偿后与跟随误差一起输入至速度PI控制器进行计算，对各轴速度进行调节。以其中一种运行情况举例，若轴一速度大于轴二速度，则同步误差大于零，反馈至轴一速度控制***中的同步误差与跟随误差做减法运算，进而起到降低轴一速度的调节作用，反馈至轴二速度控制***中的同步误差与跟随误差做加法运算，进而起到提高轴二速度的调节作用，通过降低高速轴转速、提高低速轴转速的调节方式来降低两轴间的同步误差，提高两轴的同步控制效果。
基于背景技术指出的原因，传统交叉耦合同步控制策略在AGV小车带载启动过程中，跟随误差饱和会限制启动阶段同步控制误差调节效果，存在跟随误差饱和现象；AGV双轴在速度不同、负载不对称工况下，产生的速度波动不同，若采用相同同步误差补偿系数，会影响双轴同步响应性，影响同步误差补偿效果。因此，本发明实施例提出了图3所示的基于改进交叉耦合的双轴同步控制策略，以克服传统交叉耦合同步控制策略存在的上述缺陷。
结合图3及图4所示，本实施例提供的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法，包括：
根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，根据实时的同步误差补偿系数对各轴进行同步误差补偿；
计算各轴的跟随误差，判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅。
可以理解的是，AGV的双轴在速度不同、负载不对称工况下，产生的速度波动不同，若采用传统传统交叉耦合同步控制策略，即采用相同同步误差补偿系数，会影响双轴同步响应性，为提升AGV双轴同步误差补偿效果，提出了同步误差补偿系数自调整设计，根据各轴负载、速度比例情况计算出更优的误差补偿系数，提高AGV运动过程中的同步控制性能。另外，当AGV小车带载启动时，会产生较长时间速度PI控制器饱和情况，传统交叉耦合控制器不能够保证启动阶段同步误差调节效果，为此提出了跟随误差抗饱和设计，提升启动阶段同步误差调节效果，保证AGV小车启动阶段的双轴同步控制性能。综上，本发明在传统交叉耦合同步控制的基础上，引入跟随误差抗饱和设计与同步误差补偿系数自调整设计，提出了策略改进后的交叉耦合同步控制策略，提高同步控制性能、优化双轴同步补偿效果。
一、同步误差补偿系数自调整设计
交叉耦合同步控制策略中，同步误差对两轴的补偿效果受同步误差补偿值大小、速度指令大小、外部负载特性三方面影响，本实施例提出的同步误差补偿系数自调整方案主要从这三方面设计改进。
1.同步误差补偿值影响分析与改进
在交叉耦合同步控制策略中，同步误差补偿值不同，两个轴的调节效果不同，补偿值越小，同步误差调节效果越小，两轴间同步误差越大，补偿值越大，同步误差调节效果越大，两轴同步误差越小，但过大补偿值会导致***的不稳定。通过仿真验证分析不同补偿系数下轴间同步误差大小，仿真结果如图5所示，由图5可知基础补偿系数值a设置为2时，轴间同步误差较小且***相对更加稳定，因此本实施例设置基础补偿系数值为2。
2.速度指令影响分析与改进
在AGV小车转弯过程中，AGV小车两轴速度成比例关系，同步误差计算模块输出的同步误差是针对于***指令的，***指令与两轴速度指令间存在一个速度同步系数比例关系，同步误差计算模块输出的同步误差与两轴速度指令数量级不同，需要将补偿的同步误差先进行处理。针对此问题，引入一个同步误差比例系数同步误差比例系数取值与速度同步系数取值相同。因此，需根据***的速度控制指令获取各轴的速度同步系数，根据所述速度同步系数获取各轴的同步误差比例系数；具体包括：
获取***速度控制指令信号为ωref(t)，定义轴一速度指令信号为ωref1(t)，轴二速度指令信号为ωref2(t)，轴一速度同步系数为λ1，轴二速度同步系数为λ2，则满足以下关系式：
ωref1(t)＝ωref(t)·λ1
ωref2(t)＝ωref(t)·λ2，
定义轴一同步误差比例系数为轴二的同步误差比例系数为/>则有：
3.外部负载影响分析与改进
AGV小车运行过程中，两个轴所受负载大小不同，速度响应特性不同，实际情况中，轻载工况下电机***响应快，重载工况下，电机***响应较慢，采用相同误差补偿系数会导致各轴实际补偿效果不同。结合电机电磁转矩方程，可以得到电机输出转矩与q轴电流成正比例关系，对此本实施例通过q轴电流来反映当前电机所受负载情况，q轴电流越大，负载越大，q轴电流越小，负载越小。因此，需获取AGV小车各轴实时的负载电流，所述负载电流取各轴电机对应的q轴电流，例如，轴一的电机q轴电流iq1(t)，轴二的电机q轴电流iq2(t)。
轻载工况下的电机轴，电机速度响应性快，应充分发挥其响应特性，补偿较大的同步误差，使其快速响应，达到更大的补偿效果；重载工况下的电机轴，电机速度响应性慢，考虑到其补偿效果较弱，对此补偿较小的同步误差。在传统补偿系数基础上，考虑负载特性的影响，具体补偿系数设计如下式：
综合以上三方面的考虑，将同步误差补偿值、同步误差比例系数以及各轴实时的负载电流这三方面的改进进行结合，同步误差补偿系数自调整最终设计如式根据各轴的同步误差比例系数以及各轴实时的负载电流计算各轴的同步误差补偿系数，通过下式进行计算：
其中，P1(t)和P2(t)分别为未考虑负载情况时轴一和轴二的同步误差补偿系数，a为预设的基础补偿系数值，本实施例中a取2，iq1(t)为轴一的电机q轴电流，iq2(t)为轴二的电机q轴电流，K1(t)为考虑负载情况的轴一同步误差补偿系数，K2(t)为考虑负载情况的轴二同步误差补偿系数。
现对同步误差补偿系数自调整设计进行仿真验证。
在Simulink中搭建了同步误差补偿系数自调整设计模型，对比同步误差补偿系数自调整设计与传统补偿系数对同步误差的影响，验证所提改进方案的有效性。仿真中对比了速度完全同步与速度比例同步两种运动控制下，不同补偿系数结构的作用效果。
仿真实验中在两种运动控制下分别进行了带载启动、突加负载两种实验对比，负载大小选取了1Nm。带载启动情况下，在启动时对轴一施加负载，轴二空载启动；突加负载情况下，在0.5s对轴一施加负载，在1.5s卸载，轴二空载。速度完全同步控制下，轴一与轴二速度指令为600rpm阶跃信号，速度比例同步控制下，轴一速度同步系数为2，轴二速度同步系数为1，轴一速度指令为600rpm阶跃信号，轴二速度指令为300rpm阶跃信号。具体仿真波形如图6～图9所示。其中，图6～图7所示为直行-速度完全同步控制仿真结果，图6为直行-速度完全同步-1Nm-带载启动下同步误差对比，图7为直行-速度完全同步-1Nm-突加负载下同步误差对比。
通过图6～图7可以看出，在速度完全同步运动控制下，采用补偿系数自调整设计，在带载启动下同步误差最大减小了32.7％，在突加负载下同步误差最大减小了38.5％，证明了所设计的补偿系数自调整设计的有效性。
图8～图9为转弯-速度比例同步控制仿真结果。其中，图8为转弯-速度比例同步-1Nm-带载启动下同步误差对比，图9为转弯-速度比例同步-1Nm-突加负载下同步误差对比。通过图8至图9可以看出，在速度比例同步运动控制下，采用同步误差补偿系数自调整设计，相比于采用传统同步误差补偿系数，在带载启动下同步误差最大减小了37.6％，在突加负载下同步误差最大减小了42.9％，证明了所设计的补偿系数自调整设计的有效性。
将图8至图9的数据进行整理分析，结果如表1所示：
表1补偿系数自调整下同步误差分析
二、跟随误差抗饱和设计
当AGV小车带载启动时，会产生较长时间速度PI控制器饱和情况，传统交叉耦合控制器不能够保证启动阶段同步误差调节效果，为此提出了如图10所示的跟随误差抗饱和设计结构，提升启动阶段同步误差调节效果，保证AGV小车启动阶段的双轴同步控制性能。
如图10所示，为了解决速度PI控制器输出饱和问题，对跟随误差速度PI控制器输出进行限幅，当跟随误差过大时，对跟随误差速度PI控制器输出进行比例限幅，降低跟随误差的补偿效果，提高同步误差的补偿效果。
首先需计算各轴的跟随误差，具体包括：
获取轴一实时转速ω1(t)与轴二实时转速ω2(t)，通过以下关系式计算得到轴一跟随误差为e1(t)和轴二跟随误差为e2(t)：
e1(t)＝ωref1(t)-ω1(t)
e2(t)＝ωref2(t)-ω2(t)，
其中，轴一速度指令信号为ωref1(t)和轴二速度指令信号为ωref2(t)通过***速度控制指令获取。
然后判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅，具体包括：
将轴一跟随误差e1(t)和轴二跟随误差e2(t)分别输入跟随误差速度PI控制器，得到轴一跟随误差速度控制输出量iqout1和轴二跟随误差速度控制输出量iqout2；
将轴一跟随误差速度控制输出量iqout1和轴二跟随误差速度控制输出量iqout2分别与速度控制输出量的最大幅值iqoutmax相比较：
若iqout1＜iqoutmax，iqout2＜iqoutmax，则将轴一跟随误差速度控制输出量iqout1作为轴一的速度控制输出量iq1 *，将轴二跟随误差速度控制输出量iqout2作为轴二的速度控制输出量iq2 *；
若iqout1≥iqoutmax或iqout2≥iqoutmax，则根据下式计算轴一和轴二的同步误差Δe(t)：
其中，λ1为轴一速度同步系数，λ2为轴二速度同步系数，λ1和λ2通过***速度控制指令获取；
将轴一和轴二的同步误差Δe(t)输入同步误差速度PI控制器，得到轴一同步误差速度控制输出量iqoute1和轴二同步误差速度控制输出量iqoute2，通过下式对轴一的速度控制输出量iq1 *和轴二的速度控制输出量iq2 *进行限幅输出：
结合图10所示，可以理解的是，将跟随误差计算与同步误差计算分离为两部分，分别通过跟随误差速度PI控制器以及同步误差速度PI控制器进行运算。若跟随误差经过运算后超过最大输出限幅，则利用同步误差速度PI控制器输出与跟随误差速度PI控制器输出比值进行限幅。若跟随误差经过速度PI控制器计算后输出未超过最大输出限幅，则正常输出。
以启动过程为例，假设轴一速度高于轴二速度，未改进前，轴一与轴二的速度PI控制器输出均为最大输出限幅值，即：
改进后，启动阶段，轴一与轴二的跟随误差速度PI控制器输出分别低于最大输出限幅值，各部分输出具体如式：
由上式对比可以得到，传统结构中同步误差补偿效果被输出限幅抵消，总体的速度PI控制器输出均为最大值，同步误差调节效果差，改进后的轴一与轴二总体的速度PI控制器输出有差异，提高了同步误差的补偿效果。
现对跟随误差抗饱和设计进行仿真验证。
在Simulink中搭建了如图10所示的跟随误差抗饱和仿真模型，对比跟随误差抗饱和设计与传统PI控制器下对同步误差的影响，验证所提改进方案的有效性。为模拟直行与转弯两种运动状态，仿真中对比了速度完全同步与速度比例同步两种运动控制下，启动阶段轴间的同步误差大小。
仿真实验中选取了1Nm负载，在启动时对轴一施加负载，轴二空载启动。速度完全同步控制下，轴一与轴二速度指令为600rpm阶跃信号，速度比例同步控制下，轴一速度同步系数为2，轴二速度同步系数为1，轴一速度指令为600rpm阶跃信号，轴二速度指令为300rpm阶跃信号。具体仿真波形如图11至图12所示。其中，图11为直行-速度完全同步-1Nm-带载启动下同步误差曲线，图12为转弯-速度比例同步-1m-带载启动下同步误差曲线。
将图11～图12的数据汇总整理，可得表2。
表2跟随误差抗饱和设计下同步误差分析
通过表2可以看出，在速度完全同步运动控制下，采样改进后的跟随误差抗饱和设计方案，启动阶段轴间同步误差最大减小了51.3％，在速度比例同步运动控制下，采样改进后的跟随误差抗饱和设计方案，启动阶段轴间同步误差最大减小了12.9％，证明了所设计的跟随误差抗饱和结构的有效性。
三、AGV双轴同步控制仿真与分析
为了验证本发明提出的改进型交叉耦合同步控制策略在AGV小车双轴同步应用中有更好的同步控制果，本发明实施例在Simulink中搭建了改进型交叉耦合同步控制策略模型以及双轴模型，用来验证改进交叉耦合同步控制策略的有效性，本仿真场景以轴一为例，仿真模型如图13所示。
以AGV小车直行运动状态为例，本实施例通过速度完全同步控制来模拟直行状态。为了模拟实际工况中带载启动工况与外部扰动工况，本仿真场景分别在启动时刻和稳定运行过程中施加负载，通过两个轴间的同步误差对比图及两个轴的速度响应曲线来反映改进交叉耦合同步控制策略的同步控制效果。
直行-速度完全同步控制下，***速度指令信号为600rpm阶跃信号，轴一与轴二速度同步系数均为1，即轴一与轴二速度指令均为600rpm阶跃信号，速度指令信号在0.05s给定。仿真实验中分别进行了带载启动、突加负载两种实验对比，负载大小选取了1Nm。带载启动情况下，在启动时对轴一施加负载，轴二空载启动；突加负载情况下，在0.5s对轴一施加负载，在1.5s卸载，轴二空载。具体同步误差、速度响应曲线如图14～图17所示。
1.带载启动下速度控制
在0.05s施加1Nm负载，模拟带载启动工况，同步误差、速度响应曲线如图14所示。图14为直行-速度完全同步-1Nm-带载启动下同步误差对比，图15为直行-速度完全同步-1Nm-带载启动下速度响应曲线。
2.突加负载下速度控制
在0.5s施加1Nm负载，模拟突加负载工况，1.5s卸下负载，同步误差、速度响应曲线如图16～图17所示。其中，图16为直行-速度完全同步-1Nm-突加负载下同步误差对比，图17为直行-速度完全同步-1Nm-突加负载下速度响应曲线。
根据图14～图17，可以得到仿真对比数据如表3。从表3中可以看出，速度完全同步控制下，轴一突加负载，所提改进交叉耦合同步控制策略同步控制效果更好，与传统交叉耦合同步控制策略相比，外部扰动负载加载和卸载阶段最大同步误差由52rpm降低到33rpm，同步误差减小了72.3％。
表3直行-速度完全同步-同步误差对比
图18为本发明实施例提供的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制***结构图，如图18所示，一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制***，包括同步误差补偿模块和跟随误差补偿模块，其中：
同步误差补偿模块，用于根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，还用于根据实时的同步误差补偿系数对各轴进行同步误差补偿；
跟随误差补偿模块，用于计算各轴的跟随误差，并判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，还用于根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅。
可以理解的是，本发明提供的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制***与前述各实施例提供的基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法相对应，基于改进交叉耦合的双轴同步控制***的相关技术特征可参考基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法的相关技术特征，在此不再赘述。
请参阅图19，图19为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图19所示，本发明实施例提了一种电子设备1900，包括存储器1910、处理器1920及存储在存储器1910上并可在处理器1920上运行的计算机程序1911，处理器1920执行计算机程序1911时实现以下步骤：
根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，根据实时的同步误差补偿系数对各轴进行同步误差补偿；
计算各轴的跟随误差，判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅。
请参阅图20，图20为本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图20所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质2000，其上存储有计算机程序2011，该计算机程序2011被处理器执行时实现如下步骤：
根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，根据实时的同步误差补偿系数对各轴进行同步误差补偿；
计算各轴的跟随误差，判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅。
本发明实施例提供的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法、***、电子设备及存储介质，在AGV小车带载启动过程中，跟随误差饱和会限制启动阶段同步控制误差调节效果，对此提出了一种跟随误差抗饱和策略；AGV小车运行过程中，在负重变化、负载不对称工况下，由于采用固定同步误差补偿系数会影响同步误差补偿效果，对此提出了同步误差补偿系数自调整设计。本发明在传统交叉耦合同步控制的基础上，引入跟随误差抗饱和设计与同步误差补偿系数自调整设计，提出了策略改进后的交叉耦合同步控制策略，提高同步控制性能、优化双轴同步补偿效果。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法，其特征在于，包括：
根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，根据实时的同步误差补偿系数对各轴进行同步误差补偿；
计算各轴的跟随误差，判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法，其特征在于，所述根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，包括：
根据***的速度控制指令获取各轴的速度同步系数，根据所述速度同步系数获取各轴的同步误差比例系数；
获取各轴实时的负载电流，所述负载电流取各轴电机对应的q轴电流；
根据各轴的同步误差比例系数以及各轴实时的负载电流计算各轴的同步误差补偿系数。
3.根据权利要求2所述的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法，其特征在于，所述根据***的速度控制指令获取各轴的速度同步系数，根据所述速度同步系数获取各轴的同步误差比例系数，包括：
获取***速度控制指令信号为ωref(t)，定义轴一速度指令信号为ωref1(t)，轴二速度指令信号为ωref2(t)，轴一速度同步系数为λ1，轴二速度同步系数为λ2，则满足以下关系式：
ωref1(t)＝ωref(t)·λ1
ωref2(t)＝ωref(t)·λ2，
定义轴一同步误差比例系数为轴二的同步误差比例系数为/>则有：
4.根据权利要求3所述的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法，其特征在于，通过下式计算各轴的同步误差补偿系数：
其中，P1(t)和P2(t)分别为未考虑负载情况时轴一和轴二的同步误差补偿系数，a为预设的基础补偿系数值，iq1(t)为轴一的电机q轴电流，iq2(t)为轴二的电机q轴电流，K1(t)为考虑负载情况的轴一同步误差补偿系数，K2(t)为考虑负载情况的轴二同步误差补偿系数。
5.根据权利要求2所述的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法，其特征在于，所述计算各轴的跟随误差，包括：
获取轴一实时转速ω1(t)与轴二实时转速ω2(t)，通过以下关系式计算得到轴一跟随误差为e1(t)和轴二跟随误差为e2(t)：
e1(t)＝ωref1(t)-ω1(t)
e2(t)＝ωref2(t)-ω2(t)，
其中，轴一速度指令信号为ωref1(t)和轴二速度指令信号为ωref2(t)通过***速度控制指令获取。
6.根据权利要求5所述的一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法，其特征在于，所述判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅，包括：
将轴一跟随误差e1(t)和轴二跟随误差e2(t)分别输入跟随误差速度PI控制器，得到轴一跟随误差速度控制输出量iqout1和轴二跟随误差速度控制输出量iqout2；
将轴一跟随误差速度控制输出量iqout1和轴二跟随误差速度控制输出量iqout2分别与速度控制输出量的最大幅值iqoutmax相比较：
若iqout1＜iqoutmax，iqout2＜iqoutmax，则将轴一跟随误差速度控制输出量iqout1作为轴一的速度控制输出量iq1 *，将轴二跟随误差速度控制输出量iqout2作为轴二的速度控制输出量iq2 *；
若iqout1≥iqoutmax或iqout2≥iqoutmax，则根据下式计算轴一和轴二的同步误差Δe(t)：
其中，λ1为轴一速度同步系数，λ2为轴二速度同步系数，λ1和λ2通过***速度控制指令获取；
将轴一和轴二的同步误差Δe(t)输入同步误差速度PI控制器，得到轴一同步误差速度控制输出量iqoute1和轴二同步误差速度控制输出量iqoute2，通过下式对轴一的速度控制输出量iq1 *和轴二的速度控制输出量iq2 *进行限幅输出：
7.一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制***，其特征在于，包括：
同步误差补偿模块，用于根据各轴实时的负载情况以及速度同步系数计算各轴的同步误差补偿系数，还用于根据实时的同步误差补偿系数对各轴进行同步误差补偿；
跟随误差补偿模块，用于计算各轴的跟随误差，并判断跟随误差补偿后的速度控制输出量是否超出速度控制输出量的最大幅值，还用于根据判断结果确定是否使用同步误差补偿结果对速度控制输出量进行限幅。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现如权利要求1-6任一项所述的基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法的步骤。
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| CN202310948575.5A CN117192977A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种基于改进交叉耦合的双轴同步控制方法及*** |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117620131A (zh) * | 2023-12-13 | 2024-03-01 | 宁波保税区海天智胜金属成型设备有限公司 | 一种压铸机的双轴同步控制方法 |
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2023
- 2023-07-27 CN CN202310948575.5A patent/CN117192977A/zh active Pending
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