一种多轴运动系统的轮廓误差控制器及其控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110488749A(43)申请公布日2019.11.22(21)申请号201910856025.4(22)申请日2019.09.11(71)申请人台州学院地址318000浙江省台州市市府大道1139号(72)发明人王三秀崔跃利陈光汪洋邬玲伟陈月芬(74)专利代理机构南京申云知识产权代理事务所(普通合伙)32274代理人于贺贺王云(51)Int.Cl.G05B19/19(2006.01)G05B19/408(2006.01)权利要求书2页说明书10页附图7页(54)发明名称一种多轴运动系统的轮廓误差控制器及其控制方法(57)摘要本发明公开了一种多轴运动系统的轮廓误差控制器，包括多轴运动系统，该多轴运动系统中各轴均设置有滑模变结构控制器以及扩张状态观测器；滑模变结构控制器可由各轴跟踪误差获得控制信号；扩张状态观测器可观测产生各轴位置信号、速度信号以及扰动信号的观测量。本发明针对三轴永磁直线同步电机伺服驱动的多轴联动控制系统，提出了基于扩张状态扰动观测的轮廓误差控制算法，有效地减小了跟踪误差和轮廓误差。运用扩张状态观测器对扰动信号进行观测，降低扰动的影响，并与滑模变结构控制算法相结合作为单轴轨迹跟踪控制器，保证单轴跟踪精度和鲁棒性；并且再运用交叉耦合控制器，解决多轴之间的协调运动，提高多轴轮廓控制精度。CN110488749ACN110488749A权利要求书1/2页1.一种多轴运动系统的轮廓误差控制器，其特征在于：包括多轴运动系统；通过该多轴运动系统中各轴的实际输出值与参考输入值可获得各轴的跟踪误差，并且该多轴运动系统中各轴均设置有滑模变结构控制器以及扩张状态器；所述的滑模变结构控制器可通过输入各轴跟踪误差获得控制信号；所述的扩张状态器可产生各轴位置信号、速度信号以及扰动信号的量；并且多轴运动系统中各轴端还设置有相关联的交叉耦合控制器。2.如权利要求1所述的一种多轴运动系统的轮廓误差控制器，其特征在于：所述的多轴运动系统设置为由两两垂直的永磁直线同步电机PMLSM进行轮廓控制，其机械运动方程为：其中，Fe为电磁推力，Kf为电磁推力系数，M为动子和动子所带负载的总质量；B为粘滞摩擦系数；v为电机动子速度；为电机动子加速度，d为外部扰动；选取电机位置q和电机速度v为系统状态变量，PMLSM状态方程可写为：u＝iq为电机控制输入量。直驱三轴运动平台系统模型可以用三个二阶微分方程表示：3.如权利要求2所述的一种多轴运动系统的轮廓误差控制器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：1)通过各轴的参考输入值qxd，qyd，qzd和实际输出值qx，qy，qz.获得各轴的跟踪误差ex，ey，ez；2)将各轴的跟踪误差ex，ey，ez通过轮廓误差增益Cx，Cy，Cz获得轮廓误差ε；3)将步骤1)中获得的各轴的跟踪误差ex，ey，ez经过x，y，z轴的滑模变结构控制器处理，获得控制信号ux，uy，uz；4)将步骤2)中的轮廓误差ε经过交叉耦合控制器处理后，再经轮廓误差增益Cx，Cy，Cz获得各轴的轮廓误差补偿量；5)将步骤3)中滑模变结构控制器获得的控制信号ux，uy，uz和各轴实际输出位置qx，qy，qz作为扩张状态器的输入信号，产生各轴位置信号速度信号以及扰动信号的量，之后再将位置信号速度信号以及扰动信号反馈给滑模变结构控制器产生新的控制信号ux，uy，uz；6)将步骤4)中的轮廓误差补偿量以及步骤5)中获得的新的控制信号ux，uy，uz叠加，作为总的控制量，作用于具有扰动的各轴执行机构进行轮廓运动控制。4.根据权利要求3所述的一种多轴运动系统的轮廓误差控制器的控制方法，其特征在2CN110488749A权利要求书2/2页于：所述的步骤2)中的轮廓误差ε通过在三维空间运动轮廓误差向量图中推演获得。5.根据权利要求3所述的一种多轴运动系统的轮廓误差控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤5)中的扩张状态器是将系统中的扰动量作为一个状态量，结合原有的状态变量，构造扩张状态量，利用系统模型中少量可测的信息，估计出系统不可测的外部扰动以及系统状态信息，从而补偿扰动对系统的影响，提高系统的抗扰动性以及鲁棒性；其具体设计如下：设状态变量x1＝q，则系统(15)可写为如下状态方程：其中C＝[10]；设计扩张状态器设计为：6.根据权利要求3所述的一种多轴运动系统的轮廓误差控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中的滑模变结构控制器中针对被控对象，设计滑模函数为：其中c>0，e＝q-qd基于扩张器的滑模变结构控制器设计为：其中，则滑模变结构控制器可写为：7.根据权利要求3所述的一种多轴运动系统的轮廓误差控制器的控制方法，其特征在于：所述的交叉耦合控制器采用PID控制算法。3CN110488