专利名称：基于继电反馈的伺服系统控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种运动控制技术领域的方法，具体是一种基于继电反馈的伺服系统控制方法。
背景技术：
伺服系统已广泛地应用于现代工业，其闭环控制结构可得到精确的位置和速度控制。传统的伺服系统控制采用级联PID控制方法，其参数调试有两类基本方法一、直接调试法，如ZN法和改进ZN法；二、基于模型的方法，如幅相裕度法和极点配置法等。在基于模型的方法中，首先将包含外界干扰在内的系统近似成线性模型，然后根据此模型调试控制参数，在精度要求不高的情况下此方法是有效的。但当精度要求提高时，就需要对干扰进行补偿。
摩擦力是伺服系统最主要的外界干扰，特别是干摩擦力部分具有很强的非线性，对伺服系统的性能有很大的影响。静摩擦加粘滞摩擦的模型在一定程度上能反应摩擦力的特性，依此进行摩擦力补偿可实现伺服系统一定精度的提高。为了实现伺服系统的高性能控制，关键问题是如何确定系统模型和摩擦力模型的参数。针对某一特定的设备，其摩擦力模型的参数可通过多次实验测得，但这种方法需要花费大量的时间和人力，而且对于不同的设备或工况都需要重复进行这一过程，给实际生产带来了很大的麻烦。快速地辨识系统模型和摩擦力模型参数对提高伺服系统性能具有重要的应用价值。
经对现有文献检索发现，中国专利申请号为200810018783.0，名称为“交流伺服系统的传动惯量辨识方法”，该技术公开了利用伺服系统加减速运动辨识负载惯量，但忽略了系统的其他特性参数。
又经检索发现，中国专利申请号为200910051179.2，名称为“基于继电反馈的交流伺服系统自整定方法”，该技术将伺服系统的速度环近似为一阶加延时模型，并利用继电反馈来辨识此模型的参数。但其将具有非线性的摩擦力近似到线性模型中，无法进行摩擦力补偿。
经检索还发现，Si-Lu Chen等在文献“Friction Modeling and Compensation ofServomechanical Systems With Dual Relay Feedback Approach(基于双继电反馈方法的伺服系统摩擦力建模和补偿方法)”(IEEE Transactions on Control Systems Technology，2009)中使用并行的继电反馈来辨识摩擦力模型，取得了很好的效果。但此方法对辨识算法的参数选择有一定的要求，对实际应用不利。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于继电反馈的伺服系统控制方法。本发明通过智能选择两组继电器参数并以此参数两次控制伺服系统运动的方法，实现了伺服系统干摩擦力和模型参数的离线辨识，并基于此实现控制参数优化及摩擦力补偿，具有继电器参数智能选择、控制参数快速优化和干摩擦力有效补偿的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤 步骤一，设置伺服系统为力矩控制模式，并设定伺服系统的运行速度上限ωu、伺服系统的运动速度下限ωl，继电器的延时d、初始幅值h0以及初始运动时间t0。
步骤二，在初始运动时间t0内，利用初始幅值为h0的继电器对伺服系统进行第一次运动控制，得到伺服系统在第一次运动控制结束时刻的转速ω0。
步骤三，给伺服系统一个脉冲命令使伺服系统微动，在继电器的延时d内，利用第二次幅值为hu的继电器对伺服系统进行第二次运动控制，使伺服系统得到稳定的振荡，并记录该振荡中的响应幅值au和响应周期tu。
所述的第二次幅值hu，具体是 其中ωu是运行速度上限，h0是初始幅值，t0是初始运动时间，d是继电器的延时，ω0是第一次运动控制结束时刻的转速。
步骤四，给伺服系统一个脉冲命令使伺服系统微动，在继电器的延时d内，利用第三次幅值为hl的继电器对伺服系统进行第三次运动控制，使伺服系统得到稳定的振荡，并记录该振荡中的响应幅值al和响应周期tl。
所述的第三次幅值hl，具体是 其中ωl是运动速度下限，h0是初始幅值，t0是初始运动时间，d是继电器的延时，ω0是第一次运动控制结束时刻的转速。
步骤五，使用一阶模型近似伺服系统的速度响应，并使用库仑摩擦加粘滞摩擦力模型来近似伺服系统的摩擦力干扰，从而得到伺服系统的模型参数，即时间常数τ、静态增益k和静摩擦力f。
所述的时间常数τ，具体是 其中
k是静态增益，ωu是运行速度上限，ωl是运动速度下限，d是继电器的延时，hu是第二次幅值，hl是第三次幅值，au是第二次运动控制得到的响应幅值，tu是第二次运动控制得到的响应周期，al是第三次运动控制得到的响应幅值，tl是第三次运动控制得到的响应周期。
所述的静态增益k，具体是 其中
au是第二次运动控制得到的响应幅值，al是第三次运动控制得到的响应幅值，d是继电器的延时，hu是第二次幅值，hl是第三次幅值，tu是第二次运动控制得到的响应周期，tl是第三次运动控制得到的响应周期。
所述的静摩擦力f，具体是 其中
au是第二次运动控制得到的响应幅值，al是第三次运动控制得到的响应幅值，d是继电器的延时，hu是第二次幅值，hl是第三次幅值，tu是第二次运动控制得到的响应周期，tl是第三次运动控制得到的响应周期。
步骤六，根据已辨识的模型参数，利用极点配置法或幅相裕度法等现有的PID参数设计原则优化PID控制参数，并在控制器中增加前馈项，利用干摩擦力辨识参数进行摩擦力补偿。
所述的摩擦力补偿，具体是 其中u是控制量，e＝xd-x，
kp、ki、kd分别是比例常数、积分常数和微分常数，xd、
分别是指令位移和指令速度，x、
分别是输出位移和输出速度，
是摩擦力前馈补偿项，f是静摩擦力，
是符号函数，即当
时，
当
时，
与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明只需要用户提供其实际生产中伺服系统的转动速度范围即可快速地辨识出系统的模型参数以及摩擦力中非线性的库仑摩擦力大小，为伺服系统的控制参数选择和摩擦力的补偿提供依据，最终提高对伺服系统的控制精度，即具有继电器参数智能选择、控制参数快速优化和干摩擦力有效补偿的优点。
图1是实施例第一次运动控制的振动响应图； 其中(a)是实施例第一次运动控制的输入曲线；(b)是实施例第一次运动控制的响应曲线。
图2是实施例第二次运动控制的振动响应图； 其中(a)是实施例第二次运动控制的输入曲线；(b)是实施例第二次运动控制的响应曲线。
图3是实施例第三次运动控制的振动响应图； 其中(a)是实施例第三次运动控制的输入曲线；(b)是实施例第三次运动控制的响应曲线。
图4是实施例的位移曲线和速度曲线； 其中(a)是实施例的位移曲线；(b)是实施例的速度曲线。
图5是现有技术(无摩擦力补偿)得到的位移跟踪曲线。
图6是实施例方法(有摩擦力补偿)得到的位移跟踪曲线。
具体实施例方式 以下结合附图对本发明的方法进一步描述本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例 本实施例的伺服系统是安川SGMAH-A5AAA41交流伺服电机及配套伺服控制器SGDM-A5ADA，本实施例包括以下步骤 步骤一设置伺服系统为力矩控制模式，并设定伺服系统的运行速度上限ωu＝3000rpm、伺服系统的运动速度下限ωl＝600rpm，继电器的延时d＝25ms、初始幅值h0＝5000和初始运动时间t0＝10ms。
步骤二，在初始运动时间t0＝10ms内，利用初始幅值为h0＝5000的继电器对伺服系统进行第一次运动控制，得到伺服系统在第一次运动控制结束时刻的转速ω0＝500rpm。
本次运动控制中得到的输入曲线如图1(a)所示，响应曲线如图1(b)所示。
步骤三，给伺服系统一个脉冲命令使伺服系统微动，在继电器的延时d＝25ms内，利用第二次幅值为hu的继电器对伺服系统进行第二次运动控制，使伺服系统得到稳定的振荡，并记录该振荡中的响应幅值au＝2900rpm和响应周期tu＝90ms。
所述的第二次幅值hu，具体是 本次运动控制中得到的输入曲线如图2(a)所示，响应曲线如图2(b)所示。
步骤四，给伺服系统一个脉冲命令使伺服系统微动，在继电器的延时d＝25ms内，利用第三次幅值为hl的继电器对伺服系统进行第三次运动控制，使伺服系统得到稳定的振荡，并记录该振荡中的响应幅值al＝486rpm和响应周期tl＝76ms。
所述的第三次幅值hl，具体是 本次运动控制中得到的输入曲线如图3(a)所示，响应曲线如图3(b)所示。
步骤五，使用一阶模型近似伺服系统的速度响应，并使用库仑摩擦加粘滞摩擦力模型来近似伺服系统的摩擦力干扰，从而得到伺服系统的模型参数，即时间常数τ、静态增益k和静摩擦力f。
本实施例中第二次运动控制的响应频率ωu，具体是 本实施例中第三次运动控制的响应频率ωl，具体是 所述的静态增益k，具体是 所述的时间常数τ，具体是 所述的静摩擦力f，具体是 步骤六，根据已辨识的模型参数，在位置环中使用PD控制器，并采用极点配置法设置控制系统的闭环极点为复根-30，并在控制器中增加前馈项，利用干摩擦力辨识参数进行摩擦力补偿。
在PD控制下，闭环系统的传递函数为 将时间常数τ化成标准单位，即τ＝0.1422s。由特征方程和特征根得到 kkp/τ＝-30*(-30) -(1+kdk)/τ＝-30-30 从而得到控制参数kp＝50.8，kd＝2.99。
最终得到系统的控制量为 其中e＝xd-x，
xd、
分别是指令位移和指令速度，x、
分别是输出位移和输出速度，
是摩擦力前馈补偿项，
是符号函数，即当
时，
当
时，
本实施例的平台命令曲线的位移曲线如图4(a)所示，速度曲线如图4(b)所示。
采用现有技术方法，使用上述PD控制(无摩擦力补偿)时的响应曲线如图5所示，从图5中可以看出由于干摩擦力的影响，位移跟踪误差随速度方向的改变有明显的偏差，且最大跟踪误差约0.0062转，误差的均方值为9.7×10-5转；在相同的PD控制器下，使用实施例方法(增加干摩擦力的前馈补偿)时得到的响应曲线如图6所示，从图6中可以看出最大跟踪误差约0.004转，误差的均方值为2.1×10-5转，与图5比较，最大跟踪误差降低了30％，误差的均方值降低了70％，从而充分证明了本实施例方法大大提高了对伺服系统的控制精度。
权利要求
1.一种基于继电反馈的伺服系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤一，设置伺服系统为力矩控制模式，并设定伺服系统的运行速度上限ωu、伺服系统的运动速度下限ωl，继电器的延时d、初始幅值h0以及初始运动时间t0；
步骤二，在初始运动时间t0内，利用初始幅值为h0的继电器对伺服系统进行第一次运动控制，得到伺服系统在第一次运动控制结束时刻的转速ω0；
步骤三，给伺服系统一个脉冲命令使伺服系统微动，在继电器的延时d内，利用第二次幅值为hu的继电器对伺服系统进行第二次运动控制，使伺服系统得到稳定的振荡，并记录该振荡中的响应幅值au和响应周期tu；
步骤四，给伺服系统一个脉冲命令使伺服系统微动，在继电器的延时d内，利用第三次幅值为hl的继电器对伺服系统进行第三次运动控制，使伺服系统得到稳定的振荡，并记录该振荡中的响应幅值al和响应周期tl；
步骤五，使用一阶模型近似伺服系统的速度响应，并使用库仑摩擦加粘滞摩擦力模型来近似伺服系统的摩擦力干扰，从而得到伺服系统的模型参数，即时间常数τ、静态增益k和静摩擦力f；
步骤六，根据已辨识的模型参数，利用极点配置法或幅相裕度法等现有的PID参数设计原则优化PID控制参数，并在控制器中增加前馈项，利用干摩擦力辨识参数进行摩擦力补偿。
2.根据权利要求1所述的基于继电反馈的伺服系统控制方法，其特征是，所述的第二次幅值hu，具体是
其中ωu是运行速度上限，h0是初始幅值，t0是初始运动时间，d是继电器的延时，ω0是第一次运动控制结束时刻的转速。
3.根据权利要求1所述的基于继电反馈的伺服系统控制方法，其特征是，所述的第三次幅值hl，具体是
其中ωl是运动速度下限，h0是初始幅值，t0是初始运动时间，d是继电器的延时，ω0是第一次运动控制结束时刻的转速。
4.根据权利要求1所述的基于继电反馈的伺服系统控制方法，其特征是，所述的时间常数τ，具体是
其中
k是静态增益，ωu是运行速度上限，ωl是运动速度下限，d是继电器的延时，hu是第二次幅值，hl是第三次幅值，au是第二次运动控制得到的响应幅值，tu是第二次运动控制得到的响应周期，al是第三次运动控制得到的响应幅值，tl是第三次运动控制得到的响应周期。
5.根据权利要求1所述的基于继电反馈的伺服系统控制方法，其特征是，所述的静态增益k，具体是
其中
au是第二次运动控制得到的响应幅值，al是第三次运动控制得到的响应幅值，d是继电器的延时，hu是第二次幅值，hl是第三次幅值，tu是第二次运动控制得到的响应周期，tl是第三次运动控制得到的响应周期。
6.根据权利要求1所述的基于继电反馈的伺服系统控制方法，其特征是，所述的静摩擦力f，具体是
其中
au是第二次运动控制得到的响应幅值，al是第三次运动控制得到的响应幅值，d是继电器的延时，hu是第二次幅值，hl是第三次幅值，tu是第二次运动控制得到的响应周期，tl是第三次运动控制得到的响应周期。
7.根据权利要求1所述的基于继电反馈的伺服系统控制方法，其特征是，所述的摩擦力补偿，具体是
其中u是控制量，e＝xd-x，
kp、ki、kd分别是比例常数、积分常数和微分常数，xd、
分别是指令位移和指令速度，x、
分别是输出位移和输出速度，
是摩擦力前馈补偿项，f是静摩擦力，
是符号函数，即当
时，
当
时，
全文摘要
一种运动控制技术领域的基于继电反馈的伺服系统控制方法，使用初始幅值的继电器第一次控制伺服系统，得到初始运动时间后的转速；根据第一次运动信息，得到对应于转速上下限的继电器幅值，并以此幅值分别对伺服系统进行继电器加延时的第二次和第三次运动控制，得到稳定的响应振幅和周期；根据第二、三次的运动信息，辨识系统模型参数和干摩擦力大小；基于辨识的参数，进行控制参数优化和干摩擦力前馈补偿。本发明能快速优化控制器参数，实现对摩擦力的有效补偿，从而提高对伺服系统的控制精度。
文档编号H02P29/00GK101807878SQ20101013184
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月25日 优先权日2010年3月25日
发明者吴建华, 熊振华, 丁汉, 盛鑫军, 刘佳, 朱向阳 申请人:上海交通大学