專利名稱：基于虛擬位置域重復(fù)控制器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)控制的重復(fù)控制設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及基于虛擬位置域重復(fù)控制器的控制方法。
背景技術(shù)：
位置周期干擾(位置周期指令)是機(jī)械加工設(shè)備中普遍存在的一種干擾(指令)， 例如，電機(jī)(直線電機(jī))的力矩(推力)波動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)鏈中的偏心以及機(jī)器人手臂旋轉(zhuǎn)過程中的慣量波動(dòng)等均會(huì)引入位置周期干擾，而在凸輪加工過程中，進(jìn)給軸的進(jìn)給量需要根據(jù)主軸的旋轉(zhuǎn)角度而給定，即跟蹤位置周期變化的指令。一般而言，周期位置干擾(指令) 會(huì)產(chǎn)生周期性的運(yùn)動(dòng)偏差，從而降低系統(tǒng)的性能。研究抑制(跟蹤)位置周期干擾(指令) 的控制方法有助于提高系統(tǒng)的性能。迭代學(xué)習(xí)控制是一種能夠完全抑制(跟蹤)周期干擾(指令)的控制方法Steams H, Mishra S, Tomizuka Μ. Iterative tuning offeedforward controller with force ripple compensation for waferstage[M]. 2008 :239.，但是，由于迭代學(xué)習(xí)方法的學(xué)習(xí)過程要求嚴(yán)格的初始條件和運(yùn)動(dòng)過程，這限制了迭代學(xué)習(xí)的應(yīng)用范圍。重復(fù)控制也是利用歷史誤差數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)抑制(跟蹤)干擾(指令)的控制方法，但相對(duì)于迭代學(xué)習(xí)，重復(fù)控制器學(xué)習(xí)過程是一種閉環(huán)學(xué)習(xí)過程，不需要嚴(yán)格的初始條件。重復(fù)控制器是根據(jù)內(nèi)模原理而設(shè)計(jì)的，理論上可以完全抑制(跟蹤)周期干擾(指令)中野道雄等.重復(fù)控制(中文譯本)[M].長(zhǎng)沙中南工業(yè)大學(xué)出版社，1994。但是，重復(fù)控制器的設(shè)計(jì)過程是基于干擾信號(hào)有固定時(shí)間周期而設(shè)計(jì)的，而在很多機(jī)械設(shè)備中，位置周期干擾(指令)的時(shí)間周期是隨著設(shè)備運(yùn)行速度變化而變化的，對(duì)于時(shí)常需要調(diào)速的設(shè)備，重復(fù)控制器不能夠直接應(yīng)用于抑制(跟蹤)其位置周期干擾(指令)。針對(duì)上述問題，一些學(xué)者提出在“位置域”設(shè)計(jì)重復(fù)控制器可以有效抑制(跟蹤) 位置周期變化的干擾(指令)!"su-Chin T，Kin-CheokP. Spindle Speed Regulation And Tracking In Interrupted Cutting[Z]· 1992 ；Nakano Μ, She J H, Mastuo Y, et al. Elimination ofposition-dependent disturbances in constant-speed-rotation controlsystems [J]. CONTROL ENGINEERING PRACTICE. 1996,4(9) :1241-1248.。在“位置域”設(shè)計(jì)重復(fù)控制器需首先將時(shí)域的模型轉(zhuǎn)換為“位置域”模型。這種轉(zhuǎn)換最大的優(yōu)勢(shì)是 隨著位置周期變化的干擾(指令)的時(shí)間周期就是恒定的了(注意，此時(shí)周期變?yōu)榱宋恢昧?，理論上通過重復(fù)控制器可以完全抑制(跟蹤)干擾(指令)。這種位置域設(shè)計(jì)重復(fù)控制器的方法實(shí)際應(yīng)用中存在著一個(gè)重要的問題重復(fù)控制器可能僅是用來抑制(跟蹤)周期性的干擾(指令)，還需其它控制器以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，這些控制器可以采用傳統(tǒng)的時(shí)域采樣控制器，這是位置域設(shè)計(jì)重復(fù)控制器沒有考慮的問題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述問題，公開了基于虛擬位置域重復(fù)控制器的控制方法，所述控制器由時(shí)域控制器1、第一定時(shí)間采樣開關(guān)2、定位置采樣開關(guān)3、重復(fù)控制器4、存儲(chǔ)器5、插值器6、第二定時(shí)間采樣開關(guān)7和執(zhí)行部件8組成，其中，重復(fù)控制器4、存儲(chǔ)器5和定位置采樣開關(guān)3構(gòu)成虛擬位置域重復(fù)控制器9，該控制器的控制過程如下1)在系統(tǒng)輸入端，根據(jù)系統(tǒng)輸入指令r和反饋信號(hào)y得到誤差信號(hào)e ；2)每隔一個(gè)固定的位置Δ θ，定位置采樣開關(guān)3閉合，重復(fù)控制器4根據(jù)輸入的誤差信號(hào)e計(jì)算得出輸出值ur，并將輸出值ur保存在存儲(chǔ)器5里；3)每隔固定時(shí)間周期Ts，第一定時(shí)間采樣開關(guān)2和第二定時(shí)間采樣開關(guān)7閉合，根據(jù)存儲(chǔ)器5保存的輸出值ur，由插值器6估計(jì)得出補(bǔ)償值印，將ep和誤差信號(hào)e相加得到時(shí)域控制器1的總輸入ec ；時(shí)域控制器1根據(jù)總輸入ec計(jì)算輸出u，u即為執(zhí)行部件8輸入值；4)執(zhí)行部件8輸出反饋信號(hào)y ；5)將反饋信號(hào)y返回到系統(tǒng)輸入端，同時(shí)將反饋信號(hào)y返回到插值器6。所述第一定時(shí)間采樣開關(guān)2和第二定時(shí)間采樣開關(guān)7由主微處理器13控制，所述定位置采樣開關(guān)3由輔助微處理器15控制。所述第一定時(shí)間采樣開關(guān)2和第二定時(shí)間采樣開關(guān)7由多核微處理器17中的主計(jì)算內(nèi)核20控制，所述定位置采樣開關(guān)3由多核微處理器17中的輔助計(jì)算內(nèi)核18控制。本發(fā)明的有益效果包括1)虛擬位置域重復(fù)控制器可以看作為一個(gè)置入式的補(bǔ)償器，可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況禁止或者啟動(dòng)位置域重復(fù)控制器；幻虛擬位置域重復(fù)控制器能夠更好地抑制(跟蹤)位置周期干擾(指令)，同時(shí)時(shí)域控制器可以提高系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。


圖1為基于虛擬位置域重復(fù)控制器的的控制過程示意圖；圖2為一種基于虛擬位置域重復(fù)控制器的功能結(jié)構(gòu)圖；圖3為另一種基于虛擬位置域重復(fù)控制器的功能結(jié)構(gòu)圖；圖4為抑制直線電機(jī)推力波動(dòng)的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式如圖1所示為基于虛擬位置域重復(fù)控制器的的控制過程意圖，所述控制器由時(shí)域控制器1、第一定時(shí)間采樣開關(guān)2、定位置采樣開關(guān)3、重復(fù)控制器4、存儲(chǔ)器5、插值器6、第二定時(shí)間采樣開關(guān)7和執(zhí)行部件8組成，其中，重復(fù)控制器4、存儲(chǔ)器5和定位置采樣開關(guān)3 構(gòu)成虛擬位置域重復(fù)控制器9，該控制器的控制過程如下1)在系統(tǒng)輸入端，根據(jù)系統(tǒng)輸入指令r和反饋信號(hào)y得到誤差信號(hào)e ；2)每隔一個(gè)固定的位置Δ θ，定位置采樣開關(guān)3閉合，重復(fù)控制器4根據(jù)輸入的誤差信號(hào)e計(jì)算得出輸出值ur，并將輸出值ur保存在存儲(chǔ)器5里；3)每隔固定時(shí)間周期Ts，第一定時(shí)間采樣開關(guān)2和第二定時(shí)間采樣開關(guān)7閉合，根據(jù)存儲(chǔ)器5保存的輸出值ur，由插值器6估計(jì)得出補(bǔ)償值印，將印和誤差信號(hào)e相加得到時(shí)域控制器1的總輸入ec ；時(shí)域控制器1根據(jù)總輸入ec計(jì)算輸出u，u即為執(zhí)行部件8輸入值；4)執(zhí)行部件8輸出反饋信號(hào)y ；5)將反饋信號(hào)y返回到系統(tǒng)輸入端，同時(shí)將反饋信號(hào)y返回到插值器6。如圖2所示為一種基于虛擬位置域重復(fù)控制器的功能結(jié)構(gòu)圖，它由上位控制器 14、主微處理器13、輔助微處理器15、雙口 RAM16、驅(qū)動(dòng)器12、執(zhí)行器11和負(fù)載10構(gòu)成。上位控制器14與主微處理器13連接，主微處理器13經(jīng)驅(qū)動(dòng)器12和執(zhí)行器11連接，執(zhí)行器 11連接著主微處理器13、輔助微處理器15和負(fù)載。如圖3所示為另一種基于虛擬位置域重復(fù)控制器的功能結(jié)構(gòu)圖，它由上位控制器 14、多核微處理器17、驅(qū)動(dòng)器12、執(zhí)行器11和負(fù)載10構(gòu)成。上位控制器14與多核微處理器17連接，多核微處理器17由輔助計(jì)算內(nèi)核18、共享存儲(chǔ)區(qū)19和主計(jì)算內(nèi)核20組成，多核微處理器17經(jīng)驅(qū)動(dòng)器12和執(zhí)行器11連接，執(zhí)行器11連接著多核微處理器13和負(fù)載。所述第一定時(shí)間采樣開關(guān)2和第二定時(shí)間采樣開關(guān)7由主微處理器13控制，所述定位置采樣開關(guān)3由輔助微處理器15控制。所述第一定時(shí)間采樣開關(guān)2和第二定時(shí)間采樣開關(guān)7由多核微處理器17中的主計(jì)算內(nèi)核20控制，所述定位置采樣開關(guān)3由多核微處理器17中的輔助計(jì)算內(nèi)核18控制。如圖4所示為抑制直線電機(jī)推力波動(dòng)的實(shí)施例。本實(shí)施例采用圖2給出的功能結(jié)構(gòu)，包括主DSP21、工控機(jī)22、輔助DSP23、雙口 RAM16、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M、永磁同步直線電機(jī) 25、運(yùn)動(dòng)臺(tái)沈和直線光柵尺27。工控機(jī)22通過通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)主DSP21和輔助DSP23的設(shè)置，并發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。輔助DSP23利用QEP (正交編碼脈沖電路)模塊獲得來自直線光柵尺27的位置信號(hào)，并開啟QEP位置中斷，每隔一個(gè)固定的位置Δ Θ，計(jì)算輸出值ur，并通過輔助DSP23擴(kuò)展接口，將計(jì)算的結(jié)果寫入到雙口 RAM16中。主DSP21利用正交編碼脈沖電路QEP模塊獲得來自直線光柵尺27的位置信號(hào)，通過CAP (捕獲單元)模塊獲得來自永磁同步直線電機(jī)25的霍爾信號(hào)，通過模數(shù)AD轉(zhuǎn)換模塊獲得電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M驅(qū)動(dòng)電流，從而構(gòu)成反饋回路。通過定時(shí)器中斷保證每隔固定的時(shí)間Ts，主DSP21根據(jù)雙口 RAM16保存的數(shù)據(jù)，主DSP21估計(jì)補(bǔ)償值印，將印和誤差信號(hào)e相加得到ec，主DSP21計(jì)算輸出u，通過 PWM(脈沖寬度調(diào)制)接口將主DSP21輸出u作用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M上。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M采用IPM(智能功率模塊)作為放大元件，根據(jù)控制器的輸出調(diào)節(jié)到永磁同步直線電機(jī)25的電壓。永磁同步直線電機(jī)25拖動(dòng)著運(yùn)動(dòng)臺(tái)沈按指令運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)臺(tái)沈和直線光柵尺27固定在一起運(yùn)動(dòng)，它們之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。直線光柵尺27將運(yùn)動(dòng)臺(tái)的位置信號(hào)通過主DSP21和輔助DSP23的QEP (正交編碼脈沖電路)模塊反饋至主DSP21和輔助DSP23中；永磁同步直線電機(jī)25中的霍爾傳感器可以檢測(cè)當(dāng)前的電角度，并通過主DSP21的CAP (捕獲單元)模塊反饋到主DSP21中；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M中的電流傳感器用于檢測(cè)永磁同步直線電機(jī)25繞組電流，檢測(cè)得到的電流信號(hào)通過主DSP21的模數(shù)AD轉(zhuǎn)換模塊反饋到主DSP21中。以上所述，僅是本發(fā)明應(yīng)用于抑制永磁同步直線電機(jī)推力波動(dòng)的一個(gè)例子，并非對(duì)本發(fā)明做任何限制；凡根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，針對(duì)上述實(shí)施實(shí)例做簡(jiǎn)單修改、變更或者是等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于虛擬位置域重復(fù)控制器的控制方法，其特征在于，所述控制器由時(shí)域控制器 (1)、第一定時(shí)間采樣開關(guān)O)、定位置采樣開關(guān)(3)、重復(fù)控制器G)、存儲(chǔ)器(5)、插值器 (6)、第二定時(shí)間采樣開關(guān)(7)和執(zhí)行部件(8)組成，其中，重復(fù)控制器(4)、存儲(chǔ)器( 和定位置采樣開關(guān)C3)構(gòu)成虛擬位置域重復(fù)控制器(9)，該控制器的控制過程如下1)在系統(tǒng)輸入端，根據(jù)系統(tǒng)輸入指令r和反饋信號(hào)y得到誤差信號(hào)e；2)每隔一個(gè)固定的位置Δθ，定位置采樣開關(guān)(3)閉合，重復(fù)控制器(4)根據(jù)輸入的誤差信號(hào)e計(jì)算得出輸出值ur，并將輸出值ur保存在存儲(chǔ)器( 里；3)每隔固定時(shí)間周期Ts，第一定時(shí)間采樣開關(guān)⑵和第二定時(shí)間采樣開關(guān)(7)閉合， 根據(jù)存儲(chǔ)器( 保存的輸出值ur，由插值器(6)估計(jì)得出補(bǔ)償值ep，將ep和誤差信號(hào)e相加得到時(shí)域控制器(1)的總輸入ec ；時(shí)域控制器(1)根據(jù)總輸入ec計(jì)算輸出u，u即為執(zhí)行部件(8)輸入值；4)執(zhí)行部件⑶輸出反饋信號(hào)y;5)將反饋信號(hào)y返回到系統(tǒng)輸入端，同時(shí)將反饋信號(hào)y返回到插值器(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬位置域重復(fù)控制器的控制方法，其特征在于，所述第一定時(shí)間采樣開關(guān)( 和第二定時(shí)間采樣開關(guān)(7)由主微處理器(1 控制，所述定位置采樣開關(guān)(3)由輔助微處理器(15)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬位置域重復(fù)控制器的控制方法，其特征在于，所述第一定時(shí)間采樣開關(guān)( 和第二定時(shí)間采樣開關(guān)(7)由多核微處理器(17)中的主計(jì)算內(nèi)核00)控制，所述定位置采樣開關(guān)C3)由多核微處理器(17)中的輔助計(jì)算內(nèi)核(18)控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于工業(yè)控制的重復(fù)控制設(shè)備領(lǐng)域的基于虛擬位置域重復(fù)控制器的控制方法。重復(fù)控制器(4)、存儲(chǔ)器(5)和定位置采樣開關(guān)(3)構(gòu)成了虛擬位置域重復(fù)控制器(9)，時(shí)域控制器(1)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性，而虛擬位置域重復(fù)控制器(9)根據(jù)誤差信號(hào)e計(jì)算抑制位置周期干擾的補(bǔ)償值。本發(fā)明的有益效果包括1)虛擬位置域重復(fù)控制器可以看作為一個(gè)置入式的補(bǔ)償器，可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況禁止或者啟動(dòng)位置域重復(fù)控制器；2)虛擬位置域重復(fù)控制器能夠更好地抑制(跟蹤)位置周期干擾(指令)，同時(shí)時(shí)域控制器可以提高系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。
文檔編號(hào)G05B19/042GK102298347SQ20111013820
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者劉成穎, 孟凡偉, 李志軍, 王昊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)