两自由度控制系统、控制方法、控制设备及存储介质
技术领域
[0001] 本
发明涉及
控制器领域，特别是涉及一种两自由度控制系统、控制方法、控制设备及存储介质。
背景技术
[0002] 随着交流伺服系统应用的日趋广泛，工业生产线上的自动化装配、加工过程中，往往要求末端执行机构具备较强的快速
定位能
力。但是由于
末端执行器的柔性连接，导致其在运动结束后出现长时间的残余振动，并且高速、高
加速运动的情况下更为明显，大幅降低了末端执行器的定位
精度和速度，甚至会影响控制系统的
稳定性。同时，一些末端执行器抓取
工件的
质量或惯量变化，会导致残余振动的
频率发生变化。
[0003] 输入指令整形
滤波器是一种能够有效抑制执行机构末端残余振动的控制方法，由于其不需要改变系统的结构，也不会影响系统稳定性，在工业上得到了广泛的应用。但是，输入指令整形滤波器的引入，会导致输入指令发生
变形，对于点到点的运动场合，这一点影响不大；但是对于讲求轮廓误差的场合，会导致轮廓误差过大。
发明内容
[0004] 基于此，有必要针对执行机构末端存在残余振动和输入指令发生变形的问题，提供一种新的两自由度控制系统、控制方法、控制设备及存储介质。
[0005] 一种两自由度控制系统，包括：轨迹滤波器、整形滤波器、前馈控制器和反馈控制器，其中：所述轨迹滤波器根据输入指令原始轨迹进行防止所述原始轨迹变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹；所述整形滤波器根据所述第一滤波轨迹进行抑制被控对象残余振动的第二次滤波获得第二滤波轨迹；所述两自由度控制系统根据所述第二滤波轨迹和所述被控对象输出的
编码器位置获得当前周期的跟随误差，所述反馈控制器根据所述当前周期的跟随误差获得用于决定下一周期的跟随误差的第一控制指令；所述前馈控制器根据所述第一滤波轨迹获得用于降低跟随误差的第二控制指令；所述被控对象根据所述第一控制指令和所述第二控制指令受控运动。
[0006] 在其中一个
实施例中，所述整形滤波器为最小
相位系统，所述轨迹滤波器的传递函数为所述整形滤波器的传递函数的逆。
[0007] 在其中一个实施例中，所述整形滤波器的传递函数为：
[0008]
[0009] 其中：-d为滞后的伺服周期数，Bc为分子表达式，Ac为分母表达式：
[0010]
[0011] 其中：m为分子的阶数，n为分母的阶数，b0、b1、……、bm为分子各项系数，a1、a2、……、an为分母各项系数；
[0012] 所述轨迹滤波器的传递函数为：
[0013]
[0014] 在其中一个实施例中，所述前馈控制器的模型是所述被控对象的模型的逆。
[0015] 在其中一个实施例中，所述被控对象是末端执行器。
[0016] 一种两自由度控制方法，所述方法包括：
[0017] 根据输入指令原始轨迹进行防止所述原始轨迹变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹；
[0018] 根据所述第一滤波轨迹进行抑制被控对象残余振动的第二次滤波获得第二滤波轨迹；
[0019] 根据所述第二滤波轨迹和所述被控对象输出的编码器位置获得当前周期的跟随误差；
[0020] 根据所述当前周期的跟随误差获得用于决定下一周期的跟随误差的第一控制指令；
[0021] 根据所述第一滤波轨迹获得用于降低跟随误差的第二控制指令；
[0022] 根据所述第一控制指令和第二控制指令控制被控对象的运动；
[0023] 所述被控对象根据所述第一控制指令和所述第二控制指令输出所述编码器位置。
[0024] 在其中一个实施例中，所述根据输入指令原始轨迹进行防止所述原始轨迹变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹的步骤包括：
[0025] 根据输入指令原始轨迹通过第一传递函数进行防止所述原始轨迹变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹；
[0026] 所述根据所述第一滤波轨迹进行抑制被控对象残余振动的第二次滤波获得第二滤波轨迹的步骤包括：
[0027] 根据所述第一滤波轨迹通过第二传递函数进行抑制被控对象残余振动的第二次滤波获得第二滤波轨迹；
[0028] 其中，所述第一传递函数为所述第二传递函数的逆。
[0029] 在其中一个实施例中，所述第二传递函数为：
[0030]
[0031] 其中：-d为滞后的伺服周期数，Bc为分子表达式，Ac为分母表达式：
[0032]
[0033] 其中：m为分子的阶数，n为分母的阶数，b0、b1、……、bm为分子各项系数，a1、a2、……、an为分母各项系数；
[0034] 所述第一传递函数为：
[0035]
[0036] 在其中一个实施例中，所述根据所述第一滤波轨迹获得用于降低跟随误差的第二控制指令的步骤包括：
[0037] 根据所述第一滤波轨迹通过第一模型获得用于降低跟随误差的第二控制指令；
[0038] 所述被控对象根据所述第一控制指令和所述第二控制指令输出所述编码器位置的步骤包括：
[0039] 所述被控对象根据所述第一控制指令和所述第二控制指令以及通过第二模型输出所述编码器位置；
[0040] 其中，所述第一模型是所述第二模型的逆。
[0041] 一种两自由度控制设备，包括存储单元和处理单元，所述存储单元中存储有可在所述处理单元执行的
计算机程序，且所述处理单元执行所述计算机程序时实现如上所述的两自由度控制方法的步骤。
[0042] 一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的两自由度控制方法的步骤。
[0043] 上述两自由度控制系统、控制方法、控制设备及存储介质，通过轨迹滤波器进行防止原始轨迹变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹，和整形滤波器根据第一滤波轨迹进行抑制被控对象残余振动的第二次滤波，再通过前馈控制器和反馈控制器的控制，既抑制了被控对象的残余振动，又能保证轨迹没有变形，使被控对象输出的编码器位置具备较强的快速定位能力。
附图说明
[0044] 为了更清楚地说明本发明实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
[0045] 图1是本发明提供的两自由度控制系统示意图；
[0046] 图2是本发明提供的两自由度控制方法的流程示意图；
[0047] 图3是本发明提供的两自由度控制设备示意图。
具体实施方式
[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的
说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0050] 如图1所示，是本发明提供的两自由度控制系统示意图，两自由度控制系统表示包括可以同时调节反馈控制器和前馈控制器的控制系统，在其中一个实施例中，该两自由度控制系统具体可包括：轨迹滤波器100、整形滤波器200、前馈控制器300和反馈控制器400，其中：轨迹滤波器100根据输入指令原始轨迹r进行防止原始轨迹r变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹r1；整形滤波器200根据第一滤波轨迹r1进行抑制被控对象P残余振动的第二次滤波获得第二滤波轨迹ry；上述两自由度控制系统根据第二滤波轨迹ry和被控对象P输出的编码器位置y获得当前周期的跟随误差ey，反馈控制器400根据当前周期的跟随误差ey获得用于决定下一周期的跟随误差的第一控制指令uff；前馈控制器300根据第一滤波轨迹r1获得用于降低跟随误差ey的第二控制指令ufb；被控对象P根据第一控制指令uff和第二控制指令ufb受控运动，并输出编码器位置y。
[0051] 上述实施例提供的两自由度控制系统通过轨迹滤波器100进行防止原始轨迹变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹，和整形滤波器200根据第一滤波轨迹进行抑制被控对象残余振动的第二次滤波，再通过前馈控制器300和反馈控制器400的控制，既抑制了被控对象的残余振动，又能保证轨迹没有变形，使被控对象输出的编码器位置具备较强的快速定位能力，使编码器位置与期望的输入指令在动态中达到协调。
[0052] 在其中一个实施例中，上述被控对象可以是末端执行器。
[0053] 在其中一个实施例中，上述整形滤波器200可以选择为可逆的最小相位系统，这样上述轨迹滤波器100的传递函数就可以为整形滤波器200的传递函数的逆。
[0054] 在其中一个实施例中，上述整形滤波器200的传递函数可以为：
[0055]
[0056] 其中：-d为滞后的伺服周期数，Bc为分子表达式，Ac为分母表达式：
[0057]
[0058] 其中：m为分子的阶数，n为分母的阶数，b0、b1、……、bm为分子各项系数，a1、a2、……、an为分母各项系数。
[0059] 那么上述轨迹滤波器100的传递函数就可以为：
[0060]
[0061] 上述实施例提供的两自由度控制系统，通过整形滤波器200的引入，并将整形滤波器200的传递函数与轨迹滤波器100的传递函数设置为互逆，避免了传统的只输入整形滤波器进行抑制执行机构末端残余振动的控制方法导致的输入指令发生变形的问题，既抑制了被控对象的残余振动，又能保证轨迹没有变形，使被控对象输出的编码器位置具备较强的快速定位能力。
[0062] 在其中一个实施例中，上述前馈控制器300的模型可以优选为被控对象P的模型的逆，其本质是根据已知输入原始轨迹r，预先将能够使跟随误差ey降低到最小的第二控制指令ufb输入给被控对象P。
[0063] 本发明还提供一种两自由度控制方法，可适用于如上所述的两自由度控制系统，该两自由度控制系统具体可包括轨迹滤波器、整形滤波器、前馈控制器和反馈控制器，如图2所示，是本发明提供的两自由度控制方法的流程示意图，该两自由度控制方法具体可包括以下步骤：
[0064] 步骤S100：根据输入指令原始轨迹进行防止原始轨迹变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹。此步骤可在上述轨迹滤波器中进行。
[0065] 步骤S200：根据第一滤波轨迹进行抑制被控对象残余振动的第二次滤波获得第二滤波轨迹。此步骤可在上述整形滤波器中进行。
[0066] 步骤S300：根据第二滤波轨迹和被控对象输出的编码器位置获得当前周期的跟随误差。此步骤可在上述两自由度控制系统中进行。
[0067] 步骤S400：根据当前周期的跟随误差获得用于决定下一周期的跟随误差的第一控制指令。此步骤可在上述反馈控制器中进行。
[0068] 步骤S500：根据第一滤波轨迹获得用于降低跟随误差的第二控制指令。此步骤可在上述前馈控制器中进行。
[0069] 步骤S600：根据第一控制指令和第二控制指令控制被控对象的运动。此步骤可在上述两自由度控制系统中进行。
[0070] 步骤S700：被控对象根据第一控制指令和第二控制指令输出编码器位置。
[0071] 上述两自由度控制方法，通过轨迹滤波器进行防止原始轨迹变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹，和整形滤波器根据第一滤波轨迹进行抑制被控对象残余振动的第二次滤波，再通过前馈控制器和反馈控制器的控制，既抑制了被控对象的残余振动，又能保证轨迹没有变形，使被控对象输出的编码器位置具备较强的快速定位能力，使编码器位置与期望的输入指令在动态中达到协调。
[0072] 在其中一个实施例中，上述步骤S100具体可包括：
[0073] 根据输入指令原始轨迹通过第一传递函数进行防止原始轨迹变形的第一次滤波获得第一滤波轨迹。
[0074] 上述步骤S200具体可包括：
[0075] 根据第一滤波轨迹通过第二传递函数进行抑制被控对象残余振动的第二次滤波获得第二滤波轨迹。
[0076] 其中，上述第一传递函数可以选择为第二传递函数的逆。
[0077] 在其中一个实施例中，上述第二传递函数具体可以为：
[0078]
[0079] 其中：-d为滞后的伺服周期数，Bc为分子表达式，Ac为分母表达式：
[0080]
[0081] 其中：m为分子的阶数，n为分母的阶数，b0、b1、……、bm为分子各项系数，a1、a2、……、an为分母各项系数；
[0082] 即第一传递函数可以为：
[0083]
[0084] 上述实施例提供的两自由度控制方法，通过将第一传递函数选择为第二传递函数的逆，避免了传统的只输入整形滤波器进行抑制执行机构末端残余振动的控制方法导致的输入指令发生变形的问题，既抑制了被控对象的残余振动，又能保证轨迹没有变形，使被控对象输出的编码器位置具备较强的快速定位能力。
[0085] 在其中一个实施例中，上述步骤S500具体可包括：
[0086] 根据第一滤波轨迹通过第一模型获得用于降低跟随误差的第二控制指令。
[0087] 上述步骤S700具体可包括：
[0088] 被控对象根据第一控制指令和第二控制指令以及通过第二模型输出编码器位置。
[0089] 其中，上述第一模型是第二模型的逆，其本质是根据已知输入原始轨迹，预先将能够使跟随误差降低到最小的第二控制指令输入给被控对象。
[0090] 本发明还提供一种两自由度控制设备，如图3所示，是本发明提供的两自由度控制设备示意图；该两自由度控制设备具体可包括存储单元500和处理单元600，存储单元500中存储有可在处理单元600执行的计算机程序，且处理单元600执行计算机程序时实现如上所述的两自由度控制方法的步骤。
[0091] 本发明还提供一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的两自由度控制方法的步骤。
[0092] 在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0093] 在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0094] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0095] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明
专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附
权利要求为准。
