最优鲁棒输入整形器、设计方法、控制系统结构及应用技术方案

本发明专利技术属于多轴运动控制技术领域，公开了最优鲁棒输入整形器、设计方法、控制系统结构及应用。该方法包括：建立固有频率和阻尼比参数同时变化下输入整形器鲁棒性评价指标；设计改进的脉冲限制约束，选择加入脉冲校正系数的个数；建立包含待求校正系数组的目标函数最优化模型；利用粒子群算法计算脉冲校正系数的最大化区域面积，搜索脉冲校正系数组；更新输入整形器的幅值，获得相应的最优鲁棒输入整形器。本发明专利技术提高了输入整形器的鲁棒性，不影响多轴运动设备的生产效率。建立了关于固有频率和阻尼比双参数同时变化的鲁棒性评价指标，有利于对输入整形器在鲁棒性上的定量分析和鲁棒输入整形器的设计。棒输入整形器的设计。棒输入整形器的设计。

【技术实现步骤摘要】
最优鲁棒输入整形器、设计方法、控制系统结构及应用


[0001]本专利技术属于多轴运动控制
，尤其涉及一种最优鲁棒输入整形器、设计方法、控制系统结构及应用。

技术介绍

[0002]多轴运动平台是实现工业自动化生产的基础。然而，由于大多数多轴运动平台的机械传动装置中存在联轴器、减速器、传动轴等具备柔性的部件，使得在快速定位运动结束后机械装备负载侧容易产生残余振动现象这不仅会影响加工产品表面的质量，还会降低零件的使用寿命和生产效率。
[0003]为了抑制残余振动，现有技术有很多，其中输入整形技术因其具备结构简单、可扩展性强、减振效果好等优点被广泛应用于工业生产中。由输入整形技术设计出来的滤波器称为输入整形器，多轴运动设备常用的输入整形器有ZV、ZVD、EI整形器等，在此基础上更鲁棒的输入整形器包括ZVDD、ZVDDD、多鼓峰EI(两鼓峰、三鼓峰等等)，但现有技术的缺点或不足：
[0004](1)当前的ZV、ZVD、EI等传统输入整形器在鲁棒性设计上主要考虑的是对系统固有频率的约束，然而在实际工业应用中，多轴运动平台的负载变化会使系统固有频率和阻尼比(用“双参数”表示)同时变化，二者的同时变化会使传统输入整形器的残余振动抑制效果变差，因此传统输入整形器不能很好满足双参数变化的鲁棒性，且未对双参数变化的鲁棒性做作最优设计；
[0005](2)传统设计方法为了提高ZV、ZVD、EI整形器对固有频率参数变化的鲁棒性，又设计出了ZVDD、ZVDDD、多鼓峰EI等整形器，它们的最大缺点在于提高鲁棒性的同时增加了输入整形器的滞后时间，这使得运动的总时间增加，极大地降低了生产效率。

技术实现思路

[0006]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种最优鲁棒输入整形器、设计方法、控制系统结构及应用，具体涉及一种用于多轴运动平台残余振动抑制的最优鲁棒输入整形器及设计方法。
[0007]所述技术方案如下：最优鲁棒输入整形器的设计方法，包括以下步骤：
[0008]S1，对多轴运动平台机械传动装置的振动模态参数进行辨识，获取建模固有频率以及建模阻尼比；
[0009]S2，计算出传统输入整形器各脉冲的幅值和时间位置；
[0010]S3，获取输入整形器的双参数鲁棒性评价指标公式所示的建模固有频率和建模阻尼比参数同时变化下的传统输入整形器的鲁棒性评价指标；
[0011]S4，利用优化脉冲幅值约束条件公式设计改进的脉冲限制约束，选择加入脉冲校正系数的个数；
[0012]S5，建立输入整形器的鲁棒性优化模型公式所示的包含待求校正系数组的目标函
数最优化模型；
[0013]S6，利用粒子群算法计算脉冲校正系数的最大化区域面积，搜索出满足输入整形器的鲁棒性优化模型公式目标函数最大化区域面积所对应的脉冲校正系数组；
[0014]S7，将脉冲校正系数组带入到优化脉冲幅值约束条件公式中更新输入整形器的幅值，获得相应的最优鲁棒输入整形器。
[0015]在步骤S3中，输入整形器的双参数鲁棒性评价指标公式为：
[0016][0017]式中，V
tol
为工业应用中容许的最大残余振动百分比，D
tol
为不大于残余振动百分比V
tol
下系统固有频率和阻尼比变化范围的区域，S为D
tol
不规则区域的面积，dω为关于ω的微元，dζ为ζ的微元，ω为系统实际固有频率，ζ为系统实际阻尼比，V(ω,ζ)为残余振动百分比。
[0018]在步骤S4中，优化脉冲幅值约束条件公式为：
[0019]A
ORIS,i
＝A
i
+T
i
(a),i＝1,2,3
…
n公式(13)
[0020]式中，A
ORIS,i
为最优鲁棒输入整形器第i个脉冲的幅值，T
i
(a)为关于任意多个脉冲校正系数的函数，n是输入整形器脉冲个数；最优鲁棒输入整形器的幅值由传统输入整形器的幅值和一系列脉冲校正系数a组成，a＝[a1,a2…
a
r
]，r为加入脉冲校正系数的个数，A
i
为传统输入整形器的脉冲幅值。
[0021]在步骤S4中，选择加入脉冲校正系数的个数包括：
[0022]令加入脉冲校正系数的个数r的初始值为n
‑
2，其中n≥2，跳到步骤S5
‑
步骤S6进行后续最优化设计，则第一次获得的区域面积最大值为S1＝max{S(a)}，接着个数r+1，跳到步骤S5
‑
步骤S6进行后续最优化设计第二次获得的区域面积最大值为S2，计算后一次区域面积的最大值相对前一次面积最大值的增长率，表达式为：
[0023][0024]式中，μ1为后一次区域面积的最大值相对前一次面积最大值的增长率，S1为第一次获得的区域面积最大值，S2为第二次获得的区域面积最大值；
[0025]循环计算获得μ
m
，终止条件是μ
m
≤μ
s
，μ
s
根据不同工况需求自行设置，不大于5％，默认值是1％，μ
m
为第m次循环后的增长率，μ
s
为符合该工况要求下的增长率。
[0026]在步骤S5中，建立输入整形器的鲁棒性优化模型公式所示的包含待求校正系数组的目标函数最优化模型包括：
[0027]将优化脉冲幅值约束条件公式带入输入整形器的双参数鲁棒性评价指标公式中，得到变化脉冲幅值约束下，传统输入整形器关于双参数变化的鲁棒性评价函数公式为：
[0028][0029]式中，S(a)为包含待求校正系数组的目标函数最优化模型，D
tol
为不大于残余振动百分比V
tol
下系统固有频率和阻尼比变化范围的区域，dω为关于ω的微元，dζ为ζ的微元，ω为系统实际固有频率，ζ为系统实际阻尼比，(ω,ζ)为系统固有频率和阻尼比变化范围的区域内所有的变化点，V(ω,ζ,a)为加入脉冲幅值约束后的残余振动百分比；基于公式(15)
建立输入整形器的鲁棒性优化模型公式(16)：
[0030][0031]s.t.D
tol
＝{(w,ζ)|V(w,ζ,a)≤V
tol
}
[0032]ω
min
≤ω≤ω
max
,0≤ζ≤ζ
max
[0033]‑
0.5<a
i,min
<a<a
i,max
<0.5
[0034]式中，i＝1,2
…
r，a
i,min
为校正系数a的上边界值，a
i,max
为校正系数a的下边界值，各脉冲幅值之和等于1，系数a
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种最优鲁棒输入整形器的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，对多轴运动平台机械传动装置的振动模态参数进行辨识，获取建模固有频率以及建模阻尼比；S2，计算出传统输入整形器各脉冲的幅值和时间位置；S3，获取输入整形器的双参数鲁棒性评价指标公式所示的建模固有频率和建模阻尼比参数同时变化下的传统输入整形器的鲁棒性评价指标；S4，利用优化脉冲幅值约束条件公式设计改进的脉冲限制约束，选择加入脉冲校正系数的个数；S5，建立输入整形器的鲁棒性优化模型公式所示的包含待求校正系数组的目标函数最优化模型；S6，利用粒子群算法计算脉冲校正系数的最大化区域面积，搜索出满足输入整形器的鲁棒性优化模型公式目标函数最大化区域面积所对应的脉冲校正系数组；S7，将脉冲校正系数组带入到优化脉冲幅值约束条件公式中更新输入整形器的幅值，获得相应的最优鲁棒输入整形器。2.根据权利要求1所述的最优鲁棒输入整形器的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，输入整形器的双参数鲁棒性评价指标公式为：式中，V
tol
为工业应用中容许的最大残余振动百分比，D
tol
为不大于残余振动百分比V
tol
下系统固有频率和阻尼比变化范围的区域，S为D
tol
不规则区域的面积，dω为关于ω的微元，dζ为ζ的微元，ω为系统实际固有频率，ζ为系统实际阻尼比，V(ω,ζ)为残余振动百分比。3.根据权利要求1所述的最优鲁棒输入整形器的设计方法，其特征在于，在步骤S4中，优化脉冲幅值约束条件公式为：A
ORIS,i
＝A
i
+T
i
(a),i＝1,2,3
…
n
ꢀꢀꢀ
公式(13)式中，A
ORIS,i
为最优鲁棒输入整形器第i个脉冲的幅值，T
i
(a)为关于任意多个脉冲校正系数的函数，n是输入整形器脉冲个数；最优鲁棒输入整形器的幅值由传统输入整形器的幅值和一系列脉冲校正系数a组成，a＝[a1,a2…
a
r
]，r为加入脉冲校正系数的个数，A
i
为传统输入整形器的脉冲幅值。4.根据权利要求1所述的最优鲁棒输入整形器的设计方法，其特征在于，在步骤S4中，选择加入脉冲校正系数的个数包括：令加入脉冲校正系数的个数r的初始值为n
‑
2，其中n≥2，跳到步骤S5
‑
步骤S6进行后续最优化设计，则第一次获得的区域面积最大值为S1＝max{S(a)}，接着个数r+1，跳到步骤S5
‑
步骤S6进行后续最优化设计第二次获得的区域面积最大值为S2，计算后一次区域面积的最大值相对前一次面积最大值的增长率，表达式为：式中，μ1为后一次区域面积的最大值相对前一次面积最大值的增长率，S1为第一次获得的区域面积最大值，S2为第二次获得的区域面积最大值；
循环计算获得μ
m
，终止条件是μ
m
≤μ
s
，μ
s
根据不同工况需求自行设置，不大于5％，默认值是1％，μ
m
为第m次循环后的增长率，μ
s
为符合该工况要求下的增长率。5.根据权利要求1所述的最优鲁棒输入整形器的设计方法，其特征在于，在步骤S5中，建立输入整形器的鲁棒性优化模型公式所示的包含待求校正系数组的目标函数最优化模型包括：将优化脉冲幅值约束条件公式带入输入整形器的双参数鲁棒性评价指标公式中，得到变化脉冲幅值约束下，传统输入整形器关于双参数变化的鲁棒性评价函数公式为：式中，S(a)为包含待求校正系数组的目标函数最优化模型，D
tol
为不大于残余振动百分比V
tol
下系统固有频率和阻尼比变化范围的区域，dω为关于ω的微元，dζ为ζ的微元，ω为系统实际固有频率，ζ为系统实际阻尼比，(ω,ζ)为系统固有频率和阻尼比变化范围的区域内所有的变化点，V(ω,ζ,a)为加入脉冲幅值约束后的残余振动百分比；基于公式(15)建立输入整形器的鲁棒性优化模型公式(16)：s.t.D
tol
＝{(w,ζ)|V(w,ζ,a)≤V
tol
}ω
min
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李珊瑚，付威威，陶友瑞，韩旭，胡俊宇，
申请(专利权)人：常州铭赛机器人科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：