一种位置闭环控制方法及装置与流程

本发明涉及位置闭环控制领域，更具体地说，涉及一种位置闭环控制方法及装置。

背景技术：

位置闭环控制是一种使控制对象按照预设规律或轨迹运动到目标位置处的方法。

如图1所示为现有的位置闭环控制框图，主要包括位置控制器101、速度控制器102、执行机构103和控制对象104。目前位置闭环控制方法主要包括：在一个伺服周期内，位置控制器通过对比控制对象的目标位置值与采集到的位置值计算控制对象的位置偏差量，速度控制器根据位置偏差量和采集到的速度量计算当前速度输出量，以使执行机构按照当前输出速度量驱动控制对象运动到目标位置处。但是，经研究发现，利用目前这种位置闭环控制方法驱动控制对象运动的过程中容易出现控制对象超调甚至飞车。

因此，如何有效降低出现控制对象超调甚至飞车现象的可能性，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种位置闭环控制方法及装置，以解决现有的技术方案驱动控制对象运动的过程中容易出现控制对象超调甚至飞车的问题。技术方案如下：

一种位置闭环控制方法，包括：

在当前伺服周期内，按照预设时间间隔依次采集控制对象的位置值并记录采集时间点；

根据当前位置值与目标位置值判断所述控制对象是否运动到位，所述当前位置值为所述当前伺服周期内最后一次采集的位置值；

若未运动到位，根据所述当前位置值与所述目标位置值的差值、采集的各个所述位置值及其对应的所述采集时间点，计算当前速度输出值；

根据速度阈值对所述当前速度输出值进行阈值限定，得到实际速度输出值；

依据所述当前位置值与所述目标位置值的差值、所述实际速度输出值和预设加速度值，控制所述控制对象运动。

优选的，所述根据所述当前位置值与所述目标位置值的差值、采集的各个所述位置值及其对应的所述采集时间点，计算当前速度输出值，包括：

依据所述当前位置值与所述目标位置值的差值和预设比例-积分-微分算法计算调节速率；

根据最小二乘法对采集的各个所述位置值及其对应的所述采集时间点进行拟合计算，得到拟合速率；

基于所述调节速率、所述拟合速率及其各自对应的权重值计算当前速度输出值。

优选的，所述根据最小二乘法对采集的各个所述位置值及其对应的所述采集时间点进行拟合计算，得到拟合速率，包括：

根据采集的各个所述位置值及其对应的所述采集时间点，绘制相应的坐标点；

对各个所述坐标点进行拟合处理，得到拟合曲线；

计算所述拟合曲线的斜率；

根据所述斜率和预设拟合系数计算拟合速率。

优选的，所述根据速度阈值对所述当前速度输出值进行阈值限定，得到实际速度输出值，包括：

比较所述当前速度输出值与速度阈值；

当所述当前速度输出值大于等于所述速度阈值时，将所述速度阈值确定为实际速度输出值；

当所述当前速度输出值小于所述速度阈值时，将所述当前速度输出值确定为实际速度输出值。

优选的，所述依据所述当前位置值与所述目标位置值的差值、所述实际速度输出值和预设加速度值，控制所述控制对象运动，包括：

根据所述实际速度输出值和预设加速度值计算减速位移值，所述减速位移值是当所述控制对象以所述实际速度输出值为初始速率，并以所述预设加速度值为减速运动到停止的位移值；

比较所述当前位置值与所述目标位置值的差值与所述减速位移值；

当所述当前位置值与所述目标位置值的差值大于所述减速位移值时，判断所述实际速度输出值是否为所述速度阈值；

若是，控制所述控制对象按照所述实际速度输出值匀速运动；

若否，控制所述控制对象以所述实际速度输出值为初始速率，并以所述预设加速度值加速运动；

当所述当前位置值与所述目标位置值的差值小于等于所述减速位移值时，控制所述控制对象以所述实际速度输出值为初始速率，并以所述预设加速度值减速运动。

一种位置闭环控制装置，包括：采集记录模块、运动到位判断模块、当前速度输出值计算模块、实际速度输出值获取模块和运动控制模块；

所述采集记录模块，用于在当前伺服周期内，按照预设时间间隔依次采集控制对象的位置值并记录采集时间点；

所述运动到位判断模块，用于根据当前位置值与目标位置值判断所述控制对象是否运动到位，所述当前位置值为所述当前伺服周期内最后一次采集的位置值；

所述当前速度输出值计算模块，用于若未运动到位，根据所述当前位置值与所述目标位置值的差值、采集的各个所述位置值及其对应的所述采集时间点，计算当前速度输出值；

所述实际速度输出值获取模块，用于根据速度阈值对所述当前速度输出值进行阈值限定，得到实际速度输出值；

所述运动控制模块，用于依据所述当前位置值与所述目标位置值的差值、所述实际速度输出值和预设加速度值，控制所述控制对象运动。

优选的，所述当前速度输出值计算模块，具体用于：

依据所述当前位置值与所述目标位置值的差值和预设比例-积分-微分算法计算调节速率；根据最小二乘法对采集的各个所述位置值及其对应的所述采集时间点进行拟合计算，得到拟合速率；基于所述调节速率、所述拟合速率及其各自对应的权重值计算当前速度输出值。

优选的，所述根据最小二乘法对采集的各个所述位置值及其对应的所述采集时间点进行拟合计算，得到拟合速率的所述当前速度输出值计算模块，具体用于：

根据采集的各个所述位置值及其对应的所述采集时间点，绘制相应的坐标点；对各个所述坐标点进行拟合处理，得到拟合曲线；计算所述拟合曲线的斜率；根据所述斜率和预设拟合系数计算拟合速率。

优选的，所述实际速度输出值获取模块，具体用于：

比较所述当前速度输出值与速度阈值；当所述当前速度输出值大于等于所述速度阈值时，将所述速度阈值确定为实际速度输出值；当所述当前速度输出值小于所述速度阈值时，将所述当前速度输出值确定为实际速度输出值。

优选的，所述运动控制模块，具体用于：

根据所述实际速度输出值和预设加速度值计算减速位移值，所述减速位移值是当所述控制对象以所述实际速度输出值为初始速率，并以所述预设加速度值为减速运动到停止的位移值；比较所述当前位置值与所述目标位置值的差值与所述减速位移值；当所述当前位置值与所述目标位置值的差值大于所述减速位移值时，判断所述实际速度输出值是否为所述速度阈值；若是，控制所述控制对象按照所述实际速度输出值匀速运动；若否，控制所述控制对象以所述实际速度输出值为初始速率，并以所述预设加速度值加速运动；当所述当前位置值与所述目标位置值的差值小于等于所述减速位移值时，控制所述控制对象以所述实际速度输出值为初始速率，并以所述预设加速度值减速运动。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

以上本发明提供的一种位置闭环控制方法及装置，该方法根据当前伺服周期内最后一次采集的当前位置值判断控制对象是否运动到位，并且，当未运动到位时，根据当前伺服周期内采集的各个位置值及其对应的采集时间点计算当前速度输出值，并引入速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定得到实际速度输出值，最后通过预加速度值控制控制对象运动。基于本发明公开的方法，实现了提前规划控制对象的运动路径，从而有效降低出现控制对象超调甚至飞车现象的可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的位置闭环控制框图；

图2为本发明实施例一公开的一种位置闭环控制方法流程图；

图3为本发明实施例二公开的一种位置闭环控制方法部分流程图；

图4为本发明实施例二公开的另一种位置闭环控制方法部分流程图；

图5为本发明实施例二公开的另一种位置闭环控制方法部分流程图；

图6为本发明实施例二公开的另一种位置闭环控制方法部分流程图；

图7为本发明实施例三公开的一种位置闭环控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例一公开了一种位置闭环控制方法，应用于位置闭环控制装置，方法流程图如图2所示，该位置闭环控制方法包括如下步骤：

S101，在当前伺服周期内，按照预设时间间隔依次采集控制对象的位置值并记录采集时间点；

在执行步骤S101的过程中，可通过在控制对象上设置传感器实现采集控制对象的位置值，在每一个伺服周期内，按照预设时间间隔控制传感器采集控制对象的位置值，并记录采集时间点。

S102，根据当前位置值与目标位置值判断控制对象是否运动到位，当前位置值为当前伺服周期内最后一次采集的位置值；

在执行步骤S102的过程中，通过判断当前位置值与目标位置值的差是否为0，即可确定控制对象是否运动到位；若差为0，则表示运动到位；若差不为0，则表示未运动到位；进一步的，根据当前位置值与目标位置值的差的正负，即可确定控制对象的运动方向。

S103，若未运动到位，根据当前位置值与目标位置值的差值、采集的各个位置值及其对应的采集时间点，计算当前速度输出值；

S104，根据速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定，得到实际速度输出值；

S105，依据当前位置值与目标位置值的差值、实际速度输出值和预设加速度值，控制控制对象运动。

需要说明的是，若运动到位，则执行步骤S106，生成用于表征控制对象到达目标位置的提示信息；提示装置接收该提示信息可以以预设形式进行提示控制对象到达目标位置；例如提示装置可以是提示灯，提示灯闪烁、点亮或变换显示颜色都可以表示控制对象到达目标位置。

本发明实施例公开的一种位置闭环控制方法，根据当前伺服周期内最后一次采集的当前位置值判断控制对象是否运动到位，并且，当未运动到位时，根据当前伺服周期内采集的各个位置值及其对应的采集时间点计算当前速度输出值，并引入速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定得到实际速度输出值，最后通过预加速度值控制控制对象运动。基于本发明公开的方法，实现了提前规划控制对象的运动路径，从而有效降低出现控制对象超调甚至飞车现象的可能性。

实施例二

结合上述本发明实施例一公开的位置闭环控制方法，如图2所示出的步骤S103中根据当前位置值与目标位置值的差值、采集的各个位置值及其对应的采集时间点，计算当前速度输出值的具体执行过程，如图3所示，包括如下步骤：

S201，依据当前位置值与目标位置值的差值和预设比例-积分-微分算法计算调节速率；

在执行步骤S201的过程中，通过将当前位置值与目标位置值的差值代入预设比例-积分-微分算法u(k)＝u(k-1)+A*e(k-1)+B*e(k-2)中计算调节速度值，其中，u(k)为调节速度值，u(k-1)为上一次的调节速度值，e(k-1)为当前位置值与目标位置值的差值，e(k-2)为上一次调节过程中e(k-1)的值，A为第一预设偏差系数，B为第二预设偏差系数，如果为第一次计算，则u(k-1)和e(k-2)均为0，并且每计算一次，k的值就加1。

S202，根据最小二乘法对采集的各个位置值及其对应的采集时间点进行拟合计算，得到拟合速率；

S203，基于调节速率、拟合速率及其各自对应的权重值计算当前速度输出值；

在执行步骤S203的过程中，调节速率与拟合速率的权重值可根据实际需要具体设置，两者的权重值之和为1，假设调节速度值为u，拟合速度值为m，并且各自对应的权重值分别为a和1-a，则当前速度输出值为u*a+m*(1-a)。

本发明实施例公开的一种位置闭环控制方法，在判断控制对象未运动到位时，根据当前位置值与目标位置值的差值计算调节速率、依据采集的各个位置值及其对应的采集时间点计算拟合速率，最终根据调节速率、拟合速率及其各自对应的权重值计算当前速度输出值，并引入速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定得到实际速度输出值，最后通过预加速度值控制控制对象运动。基于本发明公开的方法，实现了提前规划控制对象的运动路径，从而有效降低出现控制对象超调甚至飞车现象的可能性。

结合上述本发明实施例二公开的位置闭环控制方法，如图3所示出的步骤S202中根据最小二乘法对采集的各个位置值及其对应的采集时间点进行拟合计算，得到拟合速率的具体执行过程，如图4所示，包括如下步骤：

S301，根据采集的各个位置值及其对应的采集时间点，绘制相应的坐标点；

在执行步骤S301的过程中，可根据采集的各个位置值及其对应的采集时间点构建坐标系，具体可将位置设置为y轴，将时间设置为x轴，进而绘制相应的坐标点。

S302，对各个坐标点进行拟合处理，得到拟合曲线；

S303，计算拟合曲线的斜率；

在执行步骤S303的过程中，如果坐标系y轴为位置，x轴为时间的话，那么拟合曲线的斜率即是当前拟合速度值。

S304，根据斜率和预设拟合系数计算拟合速率。

本发明实施例公开的一种位置闭环控制方法，在判断控制对象未运动到位时，根据当前位置值与目标位置值的差值计算调节速率、依据采集的各个位置值及其对应的采集时间点计算拟合速率，最终根据调节速率、拟合速率及其各自对应的权重值计算当前速度输出值，并引入速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定得到实际速度输出值，最后通过预加速度值控制控制对象运动。基于本发明公开的方法，实现了提前规划控制对象的运动路径，从而有效降低出现控制对象超调甚至飞车现象的可能性。

结合上述本发明实施例一公开的位置闭环控制方法，如图2所示出的步骤S104中根据速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定，得到实际速度输出值的具体执行过程，如图5所示，包括如下步骤：

S401，比较当前速度输出值与速度阈值；

S402，当当前速度输出值大于等于速度阈值时，将速度阈值确定为实际速度输出值；

S403，当当前速度输出值小于速度阈值时，将当前速度输出值确定为实际速度输出值。

本发明实施例公开的一种位置闭环控制方法，在判断控制对象未运动到位时，根据当前伺服周期内采集的各个位置值及其对应的采集时间点计算当前速度输出值，并引入速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定得到实际速度输出值，最后通过预加速度值控制控制对象运动。基于本发明公开的方法，实现了提前规划控制对象的运动路径，从而有效降低出现控制对象超调甚至飞车现象的可能性。

结合上述本发明实施例一公开的位置闭环控制方法，如图2所示出的步骤S105中依据当前位置值与目标位置值的差值、实际速度输出值和预设加速度值，控制控制对象运动的具体执行过程，如图6所示，包括如下步骤：

S501，根据实际速度输出值和预设加速度值计算减速位移值，减速位移值是当控制对象以实际速度输出值为初始速率，并以预设加速度值为减速运动到停止的位移值；

s＝v_a²/2a

其中，s为减速位移值，v_a为实际速度输出值，a为预设加速度值。

S502，比较当前位置值与目标位置值的差值与减速位移值；

S503，当当前位置值与目标位置值的差值大于减速位移值时，判断实际速度输出值是否为速度阈值；

S504，若是，控制控制对象按照实际速度输出值匀速运动；

S505，若否，控制控制对象以实际速度输出值为初始速率，并以预设加速度值加速运动；

S506，当当前位置值与目标位置值的差值小于等于减速位移值时，控制控制对象以实际速度输出值为初始速率，并以预设加速度值减速运动。

本发明实施例公开的一种位置闭环控制方法，在判断控制对象未运动到位时，根据当前伺服周期内采集的各个位置值及其对应的采集时间点计算当前速度输出值，并引入速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定得到实际速度输出值，最后通过预加速度值控制控制对象运动。基于本发明公开的方法，实现了提前规划控制对象的运动路径，从而有效降低出现控制对象超调甚至飞车现象的可能性。

实施例三

基于上述本发明实施例一和实施例二公开的位置闭环控制方法，本发明实施例则对应公开了执行方法的位置闭环控制装置，其结构示意图如图7所示，位置闭环控制装置200，包括：采集记录模块201、运动到位判断模块202、当前速度输出值计算模块203、实际速度输出值获取模块204和运动控制模块205；

采集记录模块201，用于在当前伺服周期内，按照预设时间间隔依次采集控制对象的位置值并记录采集时间点；

运动到位判断模块202，用于根据当前位置值与目标位置值判断控制对象是否运动到位，当前位置值为当前伺服周期内最后一次采集的位置值；

当前速度输出值计算模块203，用于若未运动到位，根据当前位置值与目标位置值的差值、采集的各个位置值及其对应的采集时间点，计算当前速度输出值；

实际速度输出值获取模块204，用于根据速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定，得到实际速度输出值；

运动控制模块205，用于依据当前位置值与目标位置值的差值、实际速度输出值和预设加速度值，控制控制对象运动。

需要说明的是，当前速度输出值计算模块203，具体用于：

依据当前位置值与目标位置值的差值和预设比例-积分-微分算法计算调节速率；根据最小二乘法对采集的各个位置值及其对应的采集时间点进行拟合计算，得到拟合速率；基于调节速率、拟合速率及其各自对应的权重值计算当前速度输出值。

还需要说明的是，根据最小二乘法对采集的各个位置值及其对应的采集时间点进行拟合计算，得到拟合速率的当前速度输出值计算模块203，具体用于：

根据采集的各个位置值及其对应的采集时间点，绘制相应的坐标点；对各个坐标点进行拟合处理，得到拟合曲线；计算拟合曲线的斜率；根据斜率和预设拟合系数计算拟合速率。

还需要说明的是，实际速度输出值获取模块204，具体用于：

比较当前速度输出值与速度阈值；当当前速度输出值大于等于速度阈值时，将速度阈值确定为实际速度输出值；当当前速度输出值小于速度阈值时，将当前速度输出值确定为实际速度输出值。

还需要说明的是，运动控制模块205，具体用于：

根据实际速度输出值和预设加速度值计算减速位移值，减速位移值是当控制对象以实际速度输出值为初始速率，并以预设加速度值为减速运动到停止的位移值；比较当前位置值与目标位置值的差值与减速位移值；当当前位置值与目标位置值的差值大于减速位移值时，判断实际速度输出值是否为速度阈值；若是，控制控制对象按照实际速度输出值匀速运动；若否，控制控制对象以实际速度输出值为初始速率，并以预设加速度值加速运动；当当前位置值与目标位置值的差值小于等于减速位移值时，控制控制对象以实际速度输出值为初始速率，并以预设加速度值减速运动。

本发明实施例公开的一种位置闭环控制装置，根据当前伺服周期内最后一次采集的当前位置值判断控制对象是否运动到位，并且，当未运动到位时，根据当前伺服周期内采集的各个位置值及其对应的采集时间点计算当前速度输出值，并引入速度阈值对当前速度输出值进行阈值限定得到实际速度输出值，最后通过预加速度值控制控制对象运动。基于本发明公开的装置，实现了提前规划控制对象的运动路径，从而有效降低出现控制对象超调甚至飞车现象的可能性。

以上对本发明所提供的一种位置闭环控制方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。