一种伺服驱动控制器参数整定方法技术

本发明专利技术公开了一种伺服驱动控制器参数整定方法。本发明专利技术通过对系统的机械参数进行辨识，在辨识的机械参数的基础上计算系统振荡角频率ωo，设计系统带宽调节系数α的值，从而可以获得剪切频率ωc的值，并进而建立比例系数kp与积分系数ki的第一关系式；设计系统相位裕度γ的值，从而基于系统剪切频率ωc以及系统相位裕度γ，建立比例系数kp与积分系数ki的第二关系式，根据所述第一关系式和第二关系式，求解出比例系数kp与积分系数ki的值，完成驱动控制器参数整定。本发明专利技术的伺服驱动控制器参数整定方法普适于单/双惯量结构的驱动系统，可以在保证系统传动安全的基础上，最大程度地增大系统带宽，并实现特定的动态指标要求。

A parameter setting method of servo drive controller

【技术实现步骤摘要】
一种伺服驱动控制器参数整定方法
本专利技术涉及一种伺服驱动控制器参数整定方法，该方法普适于单惯量系统以及双惯量系统，属于伺服驱动控制器参数整定领域。
技术介绍
在工业控制领域中，尽管大量新颖的人工智能算法不断涌现，大部分的控制环路仍旧采用经典比例微分积分(PID)控制。PID控制器参数整定的目标就是使系统运行在单惯量刚性传动模式下，避免机械振荡，使驱动侧的力矩输出尽可能无损地传递到负载侧，从而最大程度的保证传动的精确性与快速性。传统的PID控制器参数整定的方法依赖于工程经验。在工程实际中，往往需要经验丰富的工程师进行二次调试。这样既费时又费力，不能满足现代工业生产的需求。因此，许多控制环路并不能达到用户所期望的响应性能。从上世纪八十年代初期开始，市场上相继出现了具有控制器参数整定功能的商业化伺服产品，从而通过控制器参数整定来克服控制器调参机制过多依赖于工程经验的缺陷，以满足现代工业生产的需求。PID控制器的核心在于控制参数的整定，伺服系统是否具有在线控制器参数整定能力，其整定过程是否快速、准确，是评价伺服技术优劣的重要指标之一。因此，参数整定技术的普适性与高效性两方面受到越来越广泛的关注。PID参数整定方法大致分为两类：基于模型的整定法和基于规则的整定法。但是，现有的PID参数整定方法都存在一定的缺陷。比如，模型法虽然控制效果较好，但是，对系统模型的精确度提出了较高的要求，通常需要结合系统辨识来实现，计算量大。而规则整定法虽然无需系统数学模型，以系统实际响应性能为依据，通过使某一性能指标评价函数最小来改变控制参数，但是，其整定过程类似有经验的操作者手动整定，因此，整定规则和控制参数预置范围的设定至关重要也尤为困难。而且，由于规则法存在一定程度的随机性，导致整定过程中引起系统振荡或整定过程无法结束，因此，此类方法并不具有技术优势。因此，有必要设计一套针对伺服系统的参数整定方案，以克服上述缺陷。而且，现有的伺服PI控制器参数整定技术均以单惯量模型为被控对象，调参过程存在随机性与不可靠性，并不能完全避免机械振动的激发。而伺服驱动系统中弹性传动装置的引入不可避免导致机械振荡现象，这一弊端对控制系统的性能要求首先提出了安全性指标。由于控制系统的安全性作为追求其他伺服性能的基本保证和重要前提，是评定控制策略优劣的首要指标，因此，有必要设计一套针对伺服系统具有普适性的参数整定方案，使其不仅适用于单惯量模型，也适用于双惯量模型，以期提高控制系统的安全性。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种伺服驱动控制器参数整定方法，以改进传统基于单惯量系统的模型法频域控制器参数整定技术中，调参复杂、不确定性大且难以保证系统安全等问题，同时兼顾伺服传动安全与动态指标，普适于单惯量系统以及双惯量系统。本专利技术公开一种普适于单惯量系统以及双惯量系统的控制器参数整定方法。该方法根据系统速度环开环频率特性，分析振荡频率与系统带宽的关系以及系统传动安全的临界条件，并重点研究剪切频率和相位裕度的设计方案，使系统等效为不激发振荡的单惯量刚性结构，以满足动态指标要求。本专利技术公开了一种伺服驱动控制器参数整定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：计算系统的振荡角频率ωo；设计系统的带宽调节系数α的数值；基于带宽调节系数α和系统振荡角频率ωo，计算系统的剪切频率ωc；基于系统剪切频率ωc，建立比例系数kp与积分系数ki的第一关系式；设计系统的相位裕度γ的数值；基于系统剪切频率ωc以及系统相位裕度γ，建立比例系数kp与积分系数ki的第二关系式；根据比例系数kp与积分系数ki的第一关系式以及第二关系式，求解比例系数kp与积分系数ki的值。可选的，所述带宽调节系数α的设计原则为：当需要提高系统的传动安全性的时候，则带宽调节系数α的取值范围为0<α<1；当需要提高系统的响应速度的时候，则应提高带宽调节系数α的取值；若既需要提高系统的传动安全性、又需要保证系统的响应速度的时候，则0<α<1并且α尽量接近于1。可选的，所述比例系数kp与积分系数ki的第一关系式为：其中，j为虚数单位，D(jαωo)、A(jαωo)分别为函数D(s)、A(s)在s＝jαωo时的取值，函数D(s)、A(s)的表达式如下：其中，J1为电机转动惯量，J2为负载转动惯量，Ks为轴刚度，cs为轴阻尼，b1为电机阻尼，b2为负载阻尼。可选的，所述相位裕度γ的设计原则为：按照与所需的阻尼系数的变化情况的正相关方向调整相位裕度γ的值；按照与所需的超调量的变化情况的负相关方向调整相位裕度γ的值。可选的，所述比例系数kp与积分系数ki的第二关系式为：其中，J1为电机转动惯量，J2为负载转动惯量，b1为电机阻尼，b2为负载阻尼，j为虚数单位。本专利技术还公开了一种伺服驱动控制器参数整定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：设计系统的带宽调节系数α的数值；设计系统的相位裕度γ的数值；根据所设计的所述带宽调节系数α的数值、所述相位裕度γ的数值、以及所述控制器的比例系数kp与积分系数ki的第一关系式以及第二关系式，求解比例系数kp与积分系数ki的值；其中，所述第一关系式与所述带宽调节系数α相关，所述第一关系式与所述相位裕度γ相关。可选的，所述带宽调节系数α的设计原则为：当需要提高系统的传动安全性的时候，则带宽调节系数α的取值范围为0<α<1；当需要提高系统的响应速度的时候，则应提高带宽调节系数α的取值；若既需要提高系统的传动安全性、又需要保证系统的响应速度的时候，则0<α<1并且α尽量接近于1。可选的，所述比例系数kp与积分系数ki的第一关系式为：其中，j为虚数单位，D(jαωo)、A(jαωo)分别为函数D(s)、A(s)在s＝jαωo时的取值，函数D(s)、A(s)的表达式如下：所述比例系数kp与积分系数ki的第二关系式为：其中，J1为电机转动惯量，J2为负载转动惯量，Ks为轴刚度，cs为轴阻尼，b1为电机阻尼，b2为负载阻尼，j为虚数单位，ωo为系统的振荡角频率。可选的，所述相位裕度γ的设计原则为：按照与所需的阻尼系数的变化情况的正相关方向调整相位裕度γ的值；按照与所需的超调量的变化情况的负相关方向调整相位裕度γ的值。本专利技术还公开了一种计算机可读取存储介质，其特征在于，所述计算机可读取存储介质存储有用于执行如以上任一技术方案所述的方法的程序。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1是本专利技术的伺服驱动控制器参数整定方法流程图。图2是不同带宽调节系数的频率响应图。图3是不同带宽调节系数的零极点分布示意图。图4是相位裕度与系统动态指标的关系示意图。具体实施方式PI速度控制器包含两个参数，比例系数kp与积分系数ki。但是，若是直接以比例系数kp与积分系数ki来作为调整的参数，则由于比例系数kp与积分系数ki并无法直接对应到系统性能指标上，比如并无法直接对应到系统的机械振荡、系统超调量、阻尼系数等性能指标，因此，需要借由其他指标以便使得比例系数kp与积分系数ki能够对应到系统的性能指标上，从而使得比例系数kp与积分系数ki的调整达到用户所期望的响应性能。因此，需要搭建两个关于控制器参数与所期望的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种伺服驱动控制器参数整定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：计算系统的振荡角频率ωo；设计系统的带宽调节系数α的数值；基于带宽调节系数α和系统振荡角频率ωo，计算系统的剪切频率ωc；基于系统剪切频率ωc，建立比例系数kp与积分系数ki的第一关系式；设计系统的相位裕度γ的数值；基于系统剪切频率ωc以及系统相位裕度γ，建立比例系数kp与积分系数ki的第二关系式；根据比例系数kp与积分系数ki的第一关系式以及第二关系式，求解比例系数kp与积分系数ki的值。

【技术特征摘要】
1.一种伺服驱动控制器参数整定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：计算系统的振荡角频率ωo；设计系统的带宽调节系数α的数值；基于带宽调节系数α和系统振荡角频率ωo，计算系统的剪切频率ωc；基于系统剪切频率ωc，建立比例系数kp与积分系数ki的第一关系式；设计系统的相位裕度γ的数值；基于系统剪切频率ωc以及系统相位裕度γ，建立比例系数kp与积分系数ki的第二关系式；根据比例系数kp与积分系数ki的第一关系式以及第二关系式，求解比例系数kp与积分系数ki的值。2.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所述带宽调节系数α的设计原则为：当需要提高系统的传动安全性的时候，则带宽调节系数α的取值范围为0<α<1；当需要提高系统的响应速度的时候，则应提高带宽调节系数α的取值；若既需要提高系统的传动安全性、又需要保证系统的响应速度的时候，则0<α<1并且α尽量接近于1。3.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所述比例系数kp与积分系数ki的第一关系式为：其中，j为虚数单位，D(jαωo)、A(jαωo)分别为函数D(s)、A(s)在s＝jαωo时的取值，函数D(s)、A(s)的表达式如下：其中，J1为电机转动惯量，J2为负载转动惯量，Ks为轴刚度，cs为轴阻尼，b1为电机阻尼，b2为负载阻尼。4.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所述相位裕度γ的设计原则为：按照与所需的阻尼系数的变化情况的正相关方向调整相位裕度γ的值；按照与所需的超调量的变化情况的负相关方向调整相位裕度γ的值。5.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所述比例系数kp与积分系数ki的第二关系式为：其中，J1为电机转动惯量，J2为负载转动惯量，b1为电机阻尼...

【专利技术属性】
技术研发人员：王璨，潘剑飞，刘云，洪岳，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44