DE69026192T2

DE69026192T2 - Gleitende moderegelungsverfahren mit kompensationsfunktion mit mitkopplung

Info

Publication number: DE69026192T2
Application number: DE69026192T
Authority: DE
Inventors: Tetsuaki R - Kato; Ryo R - Nihei; Nobutoshi Room Torii
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1990-05-11
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2010-05-12
Also published as: DE69026192D1; CA2032523A1; EP0426873A4; KR970003874B1; US5216342A; JPH02297602A; EP0426873B1; KR920700417A; WO1990013858A1; EP0426873A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein gleitendes Betriebsart-Steuerungsverfahren mit einer Mitkopplungs- Kompensationsfunktion.
Ein herkömmliches Steuerungsverfahren zum Steuern des Betriebs eines Roboters, einer Werkzeugmaschine usw. ist im allgemeinen dafür eingerichtet, eine "Proportional-plus- Integral"-Regelung unter Benutzung eines feststehenden Übertragungsfaktors auszuführen. In diesem Fall ist es, wenn sich ein System-Parameter wesentlich ändert, wahrscheinlich, daß die Ansprechcharakteristik des Steuerungsverfahrens fehlangepaßt sein wird. Im Hinblick darauf sind bereits ein gleitendes Betriebsart-Steuerungsverfahren usw. vorgeschlagen worden. Die herkömmliche gleitende Betriebsart-Steuerung bringt indessen einen Nachteil dahingehend mit sich, daß das Auftreten einer Stationärzustandsabweichung von einem Steuerzielwert wahrscheinlich ist.
Wenn das herkömmliche gleitende Betriebsart-Steuerungsverfahren auf ein Steuersystem angewendet wird, das mit einer Mitkopplungs-Kompensationsfunktion zur Verbesserung der Steuerungs-Ansprechcharakteristik versehen ist, wird die Stellgröße (das Steuerungseingangssignal für ein gesteuertes Objekt) wahrscheinlich an den Betriebszustand des gesteuerten Objekts infolge eines Kompensationseffekts eines Mitkopplungsglieds, dem ein nichtlinearer Parameter (z. B. eine Trägheit, eine dynamische Reibungskraft oder ein Gravitationsterm des Roboters) zugeordnet ist, wenn sich der nichtlineare System-Parameter ändert, fehlangepaßt sein. Wenn die Stellgröße fehlangepaßt ist, schwingt die geregelte Variable, die auf einen Zielwert einzustellen ist, um diesen Zielwert herum. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß ein Energieverlust in dem gesteuerten Objekt auftritt. Beispielsweise verändert sich der Drehmomentbefehl (die Stellgröße), welcher dem gesteuerten Objekt zugeführt wird, das einen Servomotor als eine Antriebsquelle enthält, unter Schwingungen mit einer Anderung des nichtlinearen Parameters. Demzufolge wird ein Treiberstrom, der durch den Servomotor fließt, periodisch überhöht, womit der Motor überhitzt wird.
Entsprechend dem herkömmlichen Verfahren, das eine Änderung des nichtlinearen System-Parameters beim Bestimmen der Stellgröße, wie zuvor beschrieben, vernachlässigt, wird die Stellgröße wahrscheinlich fehlangepaßt werden, was Schwierigkeiten verursachen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gleitendes Betriebsart-Steuerungsverfahren mit einer Mitkopplungs-Kompensationsfunktion zu schaffen, das in der Lage ist, eine Steuerungs-Ansprechcharakteristik zu erreichen, die an sich ändernde System-Parameter angepaßt ist, und das es ermöglicht, eine Stellgröße, die auf ein gesteuertes Objekt einwirkt, auf einem zweckmäßigen Wert zu halten.
Die vorliegende Erfindung hat dami zum Ziel, bekannte gleitende Steuerungsverfahren, wie solche, die in dem Aufsatz "Tracking Control of Roboter Manipulators Using Sliding Mode", enthalten in IEEE Transactions on Power Electronics Vol. PE-2, No. 2, April 1987, offenbart sind, zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein gleitendes Betriebsart-Steuerungsverfahren mit einer Mitkopplungs-Kompensationsfunktion vorgesehen, das einen Schritt umfaßt zum (b) Berechnen einer Stellgröße, die es einer Charakteristik eines Steuersystems erlaubt, in Übereinstimmung mit einem vorgewählten Wert eines Betriebsparameters, der repräsentativ für einen Betriebszustand eines gesteuerten Objekts ist, und einem vorgewählten Wert eines nichtlinearen Systemparameters, der sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des gesteuerten Objekts ändert, in einer Schaltebene zu konvergieren, und wobei Schritt (b) Schritte enthält zum (b1) periodischen Erfassen einer Soll-Position, einer Ist-Position, von Trägheits-Daten und von Schwerkraftlast- Daten, (b2) periodischen Berechnen einer Positionsabweichung und einer Geschwindigkeitsabweichung auf der Grundlage der Soll-Position und der Ist-Position, die auf diese Weise erfaßt sind, und (b3) periodischen Berechnen der Stellgröße auf der Grundlage der periodisch berechneten Positionsabweichung und Geschwindigkeitsabweichung und der erfaßten Trägheits-Daten und Schwerkraftlast-Daten, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (b2) ferner ein periodisches Berechnen einer vorhergesehenen maximalen Trägheit, einer vorhergesehenen minimalen Trägheit, einer vorhergesehenen maximalen Schwerkraftlast und einer vorhergesehenen minimalen Schwerkraftlast auf der Grundlage der erfaßten Trägheits-Daten und Schwerkraftlast-Daten umfaßt und in Schritt (b3) das periodische Berechnen der Stellgröße auf der Grundlage der periodisch berechneten vorhergesehenen maximalen Trägheit und der periodisch berechneten vorhergesehenen minimalen Trägheit und auf der Grundlage der periodisch berechneten vorhergesehenen maximalen Schwerkraftlast und der periodisch berechneten vorhergesehenen minimalen Schwerkraftlast bewirkt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie zuvor beschrieben ist, wird, wenn die gleitende Betriebsartsteuerung mit der Mitkopplungs-Kompensationsfunktion ausgeführt wird, eine Stellgröße, die erlaubt, daß die Charakteristik des Steuerungsverfahrens in der Schaltebene konvergiert, in Übereinstimmung mit dem erfaßten Wert des Betriebs-Parameters, welcher den Betriebszustand des gesteuerten Objekts repräsentiert, und dem erfaßten Wert des nichtlinearen System- Parameters, der sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des gesteuerten Objekts ändert, berechnet. Dementsprechend können die Vorteile einer Steuerungsstabilität, die durch die gleitende Betriebsart-Steuerung erzielt wird, und einer Steuerungs-Ansprechcharakteristik, die durch die Mitkopplungs-Kompensationsfunktion erzielt wird, gewonnen werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Fehlanpassung der Stellgröße zu beseitigen, die ansonsten infolge des Mitkopplungs-Kompensationseffekts, der mit dem nichtlinearen Parameter einhergeht, wenn sich der nichtlineare Parameter ändert, wahrscheinlich wäre. Dies ermöglicht es, einen Energieverlust in dem gesteuerten Objekt zu verringern.
Fig. 1 zeigt eine Funktionsblockanordnung, die ein Servomotor-Steuerungsverfahren darstellt, auf das ein gleitendes Betriebsart-Steuerungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet ist.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, das beispielhaft ein digitales Servosteuerungssystem zur Durchführung des gleitenden Betriebsart-Steuerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 3A bis Fig. 3C zeigen Flußdiagramme, die einen Prozeß zur gleitenden Betriebsart-Steuerung darstellen, der mittels der in Fig. 2 gezeigten digitalen Servoschaltungsanordnung ausgeführt wird.
Ein Steuerungssystem, auf das ein gleitendes Betriebsart- Steuerungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird, ist z. B. auf einem Roboter montiert, der eine Vielzahl von Gelenkgliedern hat, und umfaßt Servomotor-Steuerungssysteme, die in ihrer Anzahl den Roboter-Arbeitsachsen entsprechen und wovon eines in Fig. 1 gezeigt ist. Das Steuerungsverfahren ist dafür eingerichtet, den Antrieb jedes Gelenkglieds in bezug auf eine zugeordnete oder mehrere Arbeitsachsen mittels eines oder mehrerer Steuerungssysteme, das/die diesen zugeordnet ist/sind, zu steuern.
Gemäß Fig. 1 umfaßt jedes Servomotor-Steuerungssystem ein erstes Übertragungselement 10, das einem Positionsregelkreis zugeordnet ist und einen Proportional-Übertragungsfaktor Kp hat. In dem Übertragungselement 10 wird die Differenz (Positionsabweichung) &epsi; zwischen einer Soll-Position θr und einem Ausgangssignal eines vierten Übertragungselements 16, das eine Ist-Position θ repräsentiert, mit dem Proportional-Übertragungsfaktor Kp multipliziert, um eine Größe für eine Soll-Geschwindigkeit zu erzeugen, und die Soll-Position θr wird in einem ersten Mitkopplungsglied 18 differenziert. Zu der Differenz (Geschwindigkeitsabweichung) zwischen der Soll-Geschwindigkeit und einer Ist-Geschwindigkeit wird ein Mitkopplungsglied-Ausgangssignal addiert, wodurch eine Mitkopplungs-Kompensation für die Geschwindigkeit bewirkt wird. Dann wird ein Drehmomentbefehl, welcher der Summe der Geschwindigkeitsabweichung und des ersten Mitkopplungsglied-Ausgangssignals entspricht, in einem zweiten Übertragungselement 12 gewonnen, das einem Geschwindigkeitsregelkreis zum Ausführen einer "Proportional-plus-Integral"-Regelung zugeordnet ist und Integral- und Differential-Übertragungsfaktoren Ks bzw. Kp' hat. Ferner wird das Ausgangssignal des ersten Mitkopplungsglieds 18 in einem zweiten Mitkopplungsglied 20 differenziert, und außerdem wird das Produkt des Ergebnisses der Differenzierung und der Trägheit J des betrachteten Gelenkglieds gewonnen. Das Ausgangssignal des zweiten Mitkopplungsglieds wird zu dem Drehmomentbefehl aus dem zweiten Übertragungselement 12 addiert, wodurch eine Mitkopplungs-Kompensation für eine Beschleunigung bewirkt wird. Einem Servomotor, der durch ein drittes Übertragungselement 14 dargestellt ist, wird ein Treiberstrom, welcher dem kompensierten Drehmomentbefehl (im folgenden als Drehmomentbefehl T bezeichnet) entspricht, zugeführt, so daß der Servomotor bei der Geschwindigkeit θ dreht.
Im folgenden wird ein gleitendes Betriebsart-Steuerungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wenn die Trägheit, die dynamische Reibung und die Schwerkraftlast als nichtlineare System-Parameter betrachtet werden, ist in dem Steuerungsverfahren gemäß Fig. 1 eine Beziehung, die durch Gl.(1) gegeben ist, erfüllt. Außerdem sind Beziehungen zwischen der Positionsabweichung &epsi;, der Soll-Position θr und der Ist-Position θ, die durch Gl.(2) bis Gl.(4) gegeben sind, erfüllt.
A und GR repräsentieren dabei einen Koeffizienten der dynamischen Reibung bzw. ein äquivalentes Drehmoment (im folgenden als Schwerkraftlast bezeichnet) der Schwerkraftlast. Ferner repräsentieren , r u. erste Differentiale von θ, θr bzw. &epsi;, und , r u. repräsentieren zweite Differentiale von θ, θr bzw. &epsi;.
Wenn eine Schaltvariable (Schaltebene) und ein Schalteingangssignal (Drehmomentbefehl) T für die gleitende Betriebsart-Steuerung durch Gl.(5) bzw. Gl.(6) ausgedrückt sind, konvergiert eine Liapunov-Funktion V (die stets positiv ist und ihr Minimum bei 0 hat), welche der Schaltvariablen zugeordnet ist und durch Gl.(7) gegeben ist, gleichförmig gegen 0. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß die Charakteristik des Servomotor-Steuerungsverfahrens in der Schaltebene (s = 0) konvergiert, wenn das Differential derselben negativ ist:
Dabei repräsentieren C, D u. ωc individuelle Konstanten, J0 repräsentiert die vorhergesehene minimale Trägheit eines gesteuerten Objekts (Gelenkglieds), und T1 repräsentiert eine Schaltgröße (nichtlineares Eingangssignal), wie dies im folgenden im einzelnen beschrieben wird.
Durch Einsetzen von Gl.(9), die aus den Gleichungen (1), (4) u. (6) gewonnen ist, in Gl.(8), die durch Differenzieren beider Seiten von Gl.(5) gewonnen ist, wird Gl.(10) abgeleitet:
Dann wird durch Einsetzen von Gl.(12), die aus Gl.(5) u. Gl.(10) gewonnen ist, in Gl.(11), die durch Differenzieren beider Seiten von Gl.(7) gewonnen ist, Gl.(13) gewonnen, welche das Differential der Liapunov-Funktion darstellt:
Dann wird eine Bedingung für die Beziehung < 0 is gewonnen.
Wenn die Konstante ωc so bestimmt ist, daß Gl.(14) erfüllt ist, ist der erste Ausdruck der rechten Seite von Gl.(13) negativ, wie dies durch Gl.(15) ausgedrückt ist. In Gl.(14) repräsentiert Jmax die vorhergesehene maximale Trägheit, welche sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand ändert.
ωc = (C + D) Jmax/J0 ... (14)
Der erste Ausdruck der rechten Seite von Gl.(13) ist
= C + D (1 - Jmax/J)-s 2 < 0 ... (15)
In diesem Fall ist, wenn die Summe der zweiten und dritten Ausdrücke von Gl.(11) negativ ist, wie dies durch Gl.(16) ausgedrückt ist, < 0 is erfüllt:
Demzufolge ist es, um die Charakteristik des Servomotor- Steuerungsverfahrens in der Schaltebene (s = 0) für die gleitende Betriebsart-Steuerung konvergieren zu lassen, um dadurch die Charakteristik des Steuerungsverfahrens an Änderungen der System-Parameter anzupassen, nur erforderlich, daß die Schaltgröße T1, welche Gl.(16) erfüllt, berechnet wird, der Drehmomentbefehl T unter Benutzung der berechneten Schaltgröße T1 und in Übereinstimmung mit Gl.(6) berechnet wird und der Servomotor unter Benutzung des berechneten Drehmomentbefehls T gesteuert wird.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird beim Bestimmen der Schaltgröße T1, welche die Bedingung für < 0 erfüllt, die Schaltgröße T1 in fünf Teile unterteilt, wie dies durch Gl.(17) ausgedrückt ist, nämlich in einen ersten Ausdruck K1(&epsi;), der als eine Funktion der Positionsabweichung &epsi; gegeben ist, einen zweite Ausdruck K2( ( + C &epsi;)), der durch eine Funktion eines Integralwerts ( + C.&epsi;) gegeben ist, einen dritten Ausdruck K3( r), welcher der Mitkopplungs-Kompensation für eine Beschleunigung zugeordnet ist und als eine Funktion des zweiten Differentials r der Soll-Position gegeben ist, einen vierten Ausdruck K4(GR), welcher der Schwerkraft-Kompensation zugeordnet ist und als eine Funktion der Schwerkraftlast GR gegeben ist, und einen fünften Ausdruck K5(θ), welcher der Kompensation der dynamischen Reibung zugeordnet ist und als eine Funktion der Ist-Geschwindigkeit gegeben ist:
T1 = K1(&epsi;) + K2( ( + C &epsi;)) + K3(θr) + K4(GR) + K5(θ) ... (17)
Ferner wird der erste Ausdruck K1(&epsi;) gemäß einer Berechnungsformel berechnet, die in Abhängigkeit von den jeweiligen Vorzeichen der Schaltvariablen und der Positionsabweichung &epsi; bestimmt wird, und der zweite Ausdruck K2( ( + C &epsi;)) wird gemäß einer Berechnungsformel berechnet, die in Abhängigkeit von den jeweiligen Vorzeichen der Schaltvariablen und des Integralwerts ( + C &epsi;) bestimmt wird. Der dritte Ausdruck K3(θr) wird in Übereinstimmung mit einer Berechnungformel berechnet, die in Abhängigkeit von den jeweiligen Vorzeichen der Schaltvariablen und des zweiten Differentials r der Soll-Position bestimmt wird, und der vierte Ausdruck K4(GR) wird gemäß einer Berechnungsformel berechnet, die in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Schaltvariablen bestimmt wird. Ferner wird der fünfte Ausdruck K5(θ) gemäß einer Berechnungsformel berechnet, die in Abhängigkeit von den jeweiligen Vorzeichen der Schaltvariablen und der Ist-Geschwindigkeit bestimmt wird.
Im einzelnen ist festzustellen, daß Gl.(16) gilt, wenn Gl.(18) dann gilt, wenn s ≥ 0 ist oder wenn Gl.(19) dann gilt, wenn s < 0 ist.
Der erste Ausdruck K(&epsi;) der Schaltgröße T1 wird daher unter Benutzung von Gl.(20), wenn s ≥ 0 und &epsi; ≥ 0 ist oder wenn s < 0 und &epsi; < 0 ist, und unter Benutzung von Gl.(21), wenn s ≤ 0 und &epsi; < 0 ist oder wenn s > 0 und &epsi; ≥ 0 ist, berechnet.
K1(&epsi;) = -C² J0 &epsi; ... (20)
K1(&epsi;) = -C² Jmax &epsi; ... (21)
Dann wird der zweite Ausdruck K2( ( + C &epsi;)) der Schaltgröße T1 unter Benutzung von Gl.(22), wenn s ≥ 0 und ( + C &epsi;) ≥ 0 ist oder wenn s < 0 und &epsi; < 0 ost, und unter Benutzung von Gl.(23), wenn s ≥ 0 und &epsi; < 0 ist oder wenn s < 0 und ( + C &epsi;) ≥ 0 ist, berechnet.
K2( ( + C &epsi;)) = -{(C D+D²) - D ωc} J0 ... (22)
K2( ( + C &epsi;)) = -{(C D + D²) Jmax - D ωc J0 ... (23)
Ferner wird der dritte Ausdruck K3( r) der Schaltgröße T1 unter Benutzung von Gl.(24), wenn s ≥ 0 und θr ≥ 0 ist oder wenn s < 0 und θr < 0 ist, und unter Benutzung von Gl.(25), wenn s ≥ 0 und θr < 0 ist oder wenn s < 0 und θ ≥ 0 ist, berechnet.
Der vierte Ausdruck K4(GR) der Schaltgröße T1 wird unter Benutzung von Gl.(26), wenn s ≥ 0 ist, und unter Benutzung von Gl.(27), wenn s < 0 ist, berechnet.
K4(GR) = GRmax ... (26)
K4(GR) = GRmin ... (27)
wobei GRmax und GRmin jeweils äquivalente Drehmomente (im folgenden als vorhergesehene maximale und minimale Schwerkraftlasten bezeichnet) der vorhergesehenen maximalen und minimalen Schwerkraftlasten repräsentieren, die sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Roboters ändern.
Außerdem wird der fünfte Ausdruck K5( ) der Schaltgröße T1 unter Benutzung von Gl.(28), wenn s ≥ 0 und θ > 0 ist oder wenn s < 0 und θ < 0 ist, und unter Benutzung von Gl.(29), wenn s ≥ 0 und θ < 0 ist oder wenn s < 0 und θ ≥ 2 0 ist, berechnet.
wobei Amax und Amin die maximalen bzw. die minimalen Koeffizienten der dynamischen Reibung repräsentieren.
Dann wird die Schaltgröße T1, welche die Bedingung für < 0 erfüllt, durch Zusammenaddieren der ersten bis fünften Ausdrücke K1(&epsi;) bis K5( ) gewonnen, welche einzeln in der zuvor genannten Art und Weise berechnet sind, es wird der Drehmomentbefehl T, welcher die Charakteristik des Servomotor-Steuerungssystems an die Änderungen der System- Parameter einschließlich der nichtlinearen Parameter anpassen kann, in Übereinstimmung mit Gl.(6) unter Benutzung der berechneten Schaltgröße T1 berechnet, und es wird der Servomotor in Übereinstimmung mit dem berechneten Drehmomentbefehl T betrieben. In diesem Fall ist die Liapunov- Stabilitätsbedingung ( < 0) erfüllt, wodurch die Charakteristik des Servomotor-Steuerungssystems gemäß Fig. 1 in der Schaltebene (s = 0) konvergiert und die Ansprechcharakteristik des Steuerungsverfahrens in Übereinstimmung mit der Schaltebene bestimmt ist. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß die Stabilität des Steuerungssstems selbst dann aufrechterhalten werden kann, wenn sich ein nichtlinearer System-Parameter, z. B. die Trägheit J, in großem Maße ändert. Ferner kann, da die Schaltvariable ein Integralelement enthält, eine Stationärzustandsabweichung von dem Steuerungszielwert bis auf Null verringert werden. In einigen ist die Trägheit J in einem Zustand, in dem ein Werkstück gehalten wird, ungefähr sechsmal so groß wie in einem Zustand, in dem ein Werkstück freigegeben ist.
Im folgenden wird anhand von Fig. 2 ein digitales Servo- (Softwareservo-)Steuerungssystem, das dem in Fig. 1 gezeigten Servomotor-Steuerungssystem entspricht, zum Durchführen des zuvor erläuterten gleitenden Betriebsart-Steuerungsverfahrens beschrieben.
Dieses Steuerungssystem umfaßt eine digitale Servoschaltung 3, die einen digitalen Signalprozessor (nicht gezeigt) und einen Speicher zum Speichern von Einstellwerten verschiedenartiger Konstanten, welche im folgenden erläutert werden, enthält. Die digitale Servoschaltung 3 ist dafür eingerichtet, eine Positions-, Geschwindigkeits- und Stromsteuerung der Servomotors für die einzelnen Achsen (nicht gezeigt, welche dem dritten Übertragungselement 14 in Fig. 1 entsprechen) des Roboters 5 mittels Software-Verarbeitung auszuführen. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß das Servo-Steuerungssystem einen Positionsregelkreis, einen Geschwindigkeitsregelkreis und einen Stromregelkreis umfaßt.
Ferner umfaßt das Servo-Steuerungssystem einen gemeinsam benutzten Speicher 2, der aus einem RAM gebildet ist, auf welchen von sowohl dem Prozessor (im folgenden als erster Prozessor bezeichnet) der digitalen Servoschaltung 3 aus als auch von einem Prozessor (nicht gezeigt, im folgenden als zweiter Prozessor bezeichnet) eines Hilfsrechners aus, z. B. für eine numerische Steuereinrichtung 1 zum Verteilen von Bewegungsbefehlen, für Stromdetektoren (nicht gezeigt) zum Erfassen der Ist-Treiberströme, die durch die Servomotoren fließen, und für Servoverstärker (nicht gezeigt) zum Treiben der Servomotoren der einzelnen Achsen in Übereinstimmung mit Strombefehlen aus der digitalen Servoschaltung 3 und Ausgangssignalen aus den Stromdetektoren zugegriffen werden kann. Außerdem umfaßt das Steuerungssystem Impulscodierer (nicht gezeigt), die jeweils an den Servomotoren angebracht sind und dem vierten Übertragungselement 16 in Fig. 1 entsprechen, ein Rückkopplungssignalregister 4 zum Speichern der Ergebnisse der Erfassung durch die Impulscodierer und durch die Stromdetektoren unter Steuerung des Prozessors und eine Hand-Dateneingabeeinrichtung (nicht gezeigt) zum Eingeben verschiedenartiger Konstanten.
Im folgenden wird anhand von Fig. 3 die Arbeitsweise des in Fig. 2 gezeigten Servo-Steuerungssystems beschrieben.
Vor einem Betreiben des Roboters werden betreffende Einstellwerte der zuvor genannten Konstanten C, D und der maximalen und minimalen Koeffizienten für die dynamische Reibung Amax u. Amin einzeln über die Hand-Dateneingabeeinrichtung eingegeben. Außerdem werden Koeffizienten M1, M2, N1 u. N2 (nicht gezeigt), welche einzeln für die Berechnung (im folgenden erläutert) der vorhergesehenen maximalen und minimalen Trägheiten Jmax u. J0 bzw. der vorhergesehenen maximalen und minimalen Schwerkraftlasten GRmax u. GRmin benutzt werden, von Hand eingegeben. Die Koeffizienten M1 u. M2 werden beispielsweise auf "1,2" bzw. "0,8" eingestellt. Die zuvor erwähnten verschiedenartigen Einstellwerte werden in dem in die digitale Servoschaltung 3 des Servo-Steuerungssystems eingebauten Speicher gespeichert. Anstelle der zuvor erwähnten Eingabe von Hand können die Einstellwerte der Konstanten und der Koeffizienten für die dynamische Reibung beispielsweise vorab in ein Programm für die Robotersteuerung geschrieben sein.
Während eines Betriebs des Roboters führt der erste Prozessor einen Prozeß für die in Fig. 3 gezeigte gleitende Betriebsart-Steuerung in Intervallen derselben Periode wie derjenigen der Ausführungsperiode für die Bewegungsbefehl- Verteilung durch den zweiten Prozessor aus.
Im einzelnen ist auszuführen, daß der erste Prozessor in jeder Steuerungsperiode aus dem gemeinsam benutzten RAM 2 die Soll-Position θr, welche in den gemeinsam benutzten RAM 2 mittels des zweiten Prozessors in Intervallen der Bewegungsbefehl-Verteilungsperiode eingeschrieben wird, sowie Trägheits-Daten und Schwerkraftlast-Daten, welche zu geeigneten Zeitpunkten in den gemeinsam benutzten RAM 2 mittels des zweiten Prozessors eingeschrieben werden, aus und liest außerdem die Ist-Position θ aus dem Rückkopplungssignalregister 4 aus (Schritt 100). Dann berechnet der erste Prozessor die Positionsabweichung &epsi; ( = θr - θ), die Geschwindigkeitsabweichung , die vorhergesehenen maximalen und minimalen Trägheiten Jmax u. J0, die vorhergesehenen maximalen und minimalen Schwerkraftlasten GRmax u. GRmin und die Konstante ωc und veranlaßt verschiedene Register, die in ihm untergebracht sind, die berechneten Werte jeweils zu speichern (Schritt 101). Die Koeffizienten M1, M2, N1 u. N2 werden für die Berechnung der Werte Jmax, J0, Gmax u. Gmin benutzt.
Darauf folgend berechnet der erste Prozessor den Wert der Schaltvariablen in Übereinstimmung mit Gl.(5) (Schritt 102) und stellt fest, ob der berechnete Wert positiv oder "0" ist (Schritt 103). Falls ≥ 0 ist, stellt der erste Prozessor fest, ob die Positionsabweichung &epsi; "0" oder positiv ist (Schritt 104). Falls &epsi; ≥ 0 ist, berechnet der Prozessor den ersten Ausdruck K1(&epsi;) der Schaltgröße T1 in Übereinstimmung mit Gl.(20) und speichert den berechneten Wert in einem Register R1, das in dem ersten Prozessor enthalten ist (Schritt 105). Andererseits berechnet der Prozessor, wenn das Ergebnis der Feststellung in Schritt 104 negativ ist(&epsi; < 0), den Wert K1(&epsi;) in Übereinstimmung mit Gl.(21) und speichert den berechneten Wert in dem Register R1 (Schritt 106).
In einem Schritt 107, der auf Schritt 105 oder Schritt 106 folgt, berechnet der erste Prozessor den Integralwert ( + C &epsi;), welcher der Schaltgröße T1 zugeordnet ist, und stellt fest, ob der berechnete Wert "0" oder positiv ist. Falls das Ergebnis dieser Feststellung in Schritt 107 positiv ist ( ( + C &epsi;)) ≥ 0, wird der Wert des zweiten Ausdrucks K2( ( + C &epsi;)) der Schaltgröße T1 in Übereinstimmung mit Gl.(22) berechnet, und das Ergebnis wird in einem Register R2, das in dem ersten Prozessor enthalten ist, gespeichert (Schritt 108). Falls das Ergebnis der Feststellung in Schritt 107 negativ ist, wird der Wert des zweiten Ausdrucks K2( ( + C &epsi;)) in Übereinstimmung mit Gl.(23) berechnet, und der berechnete Wert wird in dem Register R2 gespeichert (Schritt 109).
In einem Schritt 110, der auf Schritt 108 oder Schritt 109 folgt, berechnet der erste Prozessor das zweite Differential r der Soll-Position. Zu diesem Zeitpunkt berechnet der erste Prozessor die Differenz zwischen der Soll-Position θr für die vorhergehende Verarbeitungsperiode und derjenigen der gegenwärtigen Verarbeitungsperiode als das erste Differential r der Soll-Position und berechnet als das zweite Differential r die Differenz zwischen dem ersten Differential, welches auf diese Weise berechnet ist, und dem ersten Differential, das in ähnlicher Weise in der vorhergehenden Verarbeitungsperiode gewonnen wurde. Ferner stellt der erste Prozessor fest, oder das zweite Differential r positiv oder "0" ist (Schritt 110). Wenn das Ergebnis der Feststellung positiv ist ( r ≥ O), berechnet der erste Prozessor den Wert des dritten Ausdrucks K3( r) der Schaltgröße T1 in Übereinstimmung mit Gl.(24) und speichert das Ergebnis in einem eingebauten Register R3 (Schritt 111). Andererseits speichert der erste Prozessor, wenn das Ergebnis der Feststellung in Schritt 110 negativ ist ( r < 0), den Wert des dritten Ausdrucks, der in Übereinstimmung mit Gl.(25) berechnet ist, in dem Register R3 (Schritt 112). In einem Schritt 113, welcher auf Schritt 111 oder Schritt 112 folgt, speichert der erste Prozessor die vorhergesehene maximale Schwerkraftlast GRmax, die in Schritt 101 berechnet ist, in einem eingebauten Register R4 und stellt dann fest, ob die Ist-Geschwindigkeit positiv oder "0" ist (Schritt 114). Falls das Ergebnis der Feststellung positiv ist ( ≥ 0), wird der Wert des fünften Ausdrucks K5( ) der Schaltgröße T1 in Übereinstimmung mit Gl.(28) unter Benutzung des Koeffizienten Amax für die maximale dynamische Reibung, der vor dem Start des Roboters von Hand eingestellt wurde, berechnet, und der berechnete Wert wird in einem eingebauten Register R5 gespeichert (Schritt 115). Falls andererseits < 0 ist, wird der Wert K5(θ), der in Übereinstimmung mit Gl.(29) und unter Benutzung des Koeffizienten Amin für die minimale dynamische Reibung berechnet ist, in dem Register R5 gespeichert (Schritt 116).
Wenn das Ergebnis der Feststellung in Schritt 103 negativ ist (s < 0), berechnet der erste Prozessor den Wert K1(&epsi;) in Übereinstimmung mit Gl.(20) oder Gl.(21) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Feststellung in einem Schritt 117, der Schritt 104 entspricht, nämlich in Abhängigkeit davon, ob die Positionsabweichung &epsi; positiv oder negativ ist, und speichert das Ergebnis in dem Register R1 (Schritt 118, Schritt 119). Dann wird der Wert K2( ( + C &epsi;)), welcher in Übereinstimmung mit Gl.(22) oder Gl.(23) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Feststellung in Schritt 120, d. h. in Abhängigkeit davon, ob der Integralwert ( + C &epsi;) positiv oder negativ ist, berechnet ist, in dem Register R2 gespeichert (Schritt 121, Schritt 122). Ferner wird der Wert K3( r), welcher in Übereinstimmung mit Gl.(24) oder Gl.(25) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Feststellung in Schritt 123, d. h. in Abhängigkeit davon, ob er positiv oder negativ ist, berechnet ist, in dem Register R3 gespeichert (Schritt 124, Schritt 125), und die vorhergesehene minimale Schwerkraftlast GRmin, welche in Schritt 101 berechnet ist, wird in dem Register R4 gespeichert (Schritt 126). Dann wird der Wert K5( ), welcher in Übereinstimmung mit Gl.(28) oder Gl.(29) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Feststellung in Schritt 127, nämlich in Abhängigkeit davon, ob positiv oder negativ ist, berechnet ist, in dem Register R5 gespeichert (Schritt 128, Schritt 129).
In einem Schritt 130, welcher auf Schritt 115, 116, 128 oder 129 folgt, addiert der erste Prozessor die jeweiligen Werte der ersten bis fünften Ausdrücke der Schaltgröße T1 die einzeln aus den Registern R1 bis R5 ausgelesen sind, zusammen, um dadurch die Schaltgröße
zu gewinnen, und berechnet außerdem den Drehmomentbefehl T in Übereinstimmung mit Gl.(6) (Schritt 131). Auf der Grundlage des berechneten Drehmomentbefehls T und der Stromdetektor-Ausgangssignale, welche die Ist-Servomotortreiberströme repräsentieren, führt der erste Prozessor die Stromregelkreisverarbeitung aus und sendet den sich ergebenden Strombefehl an die Servoverstärker (Schritt 132). Die Servoverstärker versorgen die Servomotoren der entsprechenden Achsen mit Treiberströmen, welche den Strombefehlen aus der digitalen Servoschaltung 3 entsprechen, um dadurch die Servomotoren zu treiben. Aus den zuvor erläuterten Gründen tritt während des Betriebs des Roboters keine Stationärzustandsabweichung in dem digitalen Servosystem auf, und es kann eine richtige Stellgröße (Drehmomentbefehl T) selbst dann erzeugt werden, wenn sich einer oder mehrere nichtlineare System-Parameter in großem Maße ändern.

Claims

1. Gleitendes Betriebsart-Steuerungsverfahren mit einer Mitkopplungs-Kompensationsfunktion, das einen Schritt umfaßt zum

(b) Berechnen einer Stellgröße (T), die es einer Charakteristik eines Steuersystems erlaubt, in Übereinstimmung mit einem vorgewählten Wert eines Betriebsparameters, der repräsentativ für einen Betriebszustand eines gesteuerten Objekts ist, und einem vorgewählten Wert eines nichtlinearen Systemparameters, der sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des gesteuerten Objekts ändert, in einer Schaltebene (s=0) zu konvergieren, und

wobei Schritt (b) Schritte enthält zum

(b1) periodischen Erfassen einer Soll-Position (θr), einer Ist-Position (θ), von Trägheits-Daten (J) und von Schwerkraftlast-Daten (GR);

(b2) periodischen Berechnen einer Positionsabweichung (&epsi;) und einer Geschwindigkeitsabweichung ( ) auf der Grundlage der Soll-Position (θr) und der Ist-Position (θ), die auf diese Weise erfaßt sind, und

(b3) periodischen Berechnen der Stellgröße (T) auf der Grundlage der periodisch berechneten Positionsabweichung (&epsi;) und Geschwindigkeitsabweichung ( ) und der erfaßten Trägheits-Daten (J) und Schwerkraftlast-Daten (GR);

dadurch gekennzeichnet, daß

Schritt (b2) ferner ein periodisches Berechnen einer vorhergesehenen maximalen Trägheit (Jmax), einer vorhergesehenen minimalen Trägheit (J0), einer vorhergesehenen maximalen Schwerkraftlast (GRmax) und einer vorhergesehenen minimalen Schwerkraftlast (GRmin) auf der Grundlage der erfaßten Trägheits-Daten (J) und Schwerkraftlast-Daten (GR) umfaßt und

in Schritt (b3) das periodische Berechnen der Stellgröße (T) auf der Grundlage der periodisch berechneten vorhergesehenen maximalen Trägheit (Jmax) und der periodisch berechneten vorhergesehenen minimalen Trägheit (J0) und auf der Grundlage der periodisch berechneten vorhergesehenen maximalen Schwerkraftlast (GRmax) und der periodisch berechneten vorhergesehenen minimalen Schwerkraftlast (GRmin) bewirkt wird.

2. Gleitendes Betriebsart-Steuerungsverfahren mit einer Mitkopplungs-Kompensationsfunktion nach Anspruch 1, wobei das Verfahren auf ein Steuersystem angewendet ist, das einen Geschwindigkeitsregelungskreis zum Ausführen einer "Proportional-plus-Integral"-Regelung zum periodischen Berechnen eines Drehmomentbefehls enthält, und wobei der Drehmomentbefehl in Schritt (b) periodisch als die Stellgröße (T) berechnet wird.

3. Gleitendes Betriebsart-Steuerungsverfahren mit einer Mitkopplungs-Kompensationsfunktion nach Anspruch 1 oder 2, das ferner einen Schritt enthält zum

(c) Einstellen einer Schaltvariablen, die ein Integralelement enthält, vor dem Ausführen des Schritts (b),

wobei Schritt (b3) Schritte enthält zum

(b4) Berechnen eines Werts der Schaltvariablen und eines Werts des Integralelements der Schaltvariablen auf der Grundlage der berechneten Positionsabweichung und der berechneten Geschwindigkeitsabweichung,

(b5) Berechnen eines zweiten Differentialwerts der Soll-Position auf der Grundlage der erfaßten Soll-Position und

(b6) Berechnen der Stellgröße in Übereinstimmung mit jeweiligen positiven oder negativen Vorzeichen des berechneten Werts der Schaltvariablen, des berechneten Werts des Integralelenents, des berechneten Werts des zweiten Differentials der Soll-Position und der berechneten Positionsabweichung.