本發明涉及(ji)數控(kong)領域，尤其涉及(ji)工業機器人(ren)的運動控(kong)制。

背景技術：

在數控(kong)機床、工業機器(qi)人領(ling)域，空間運動控(kong)制(zhi)由多個(ge)獨立運動軸(zhou)的伺服系(xi)統協(xie)同完(wan)成。

要實現較高的(de)多(duo)維空間曲線(xian)跟蹤精(jing)(jing)度，不僅要求各運(yun)動軸(zhou)的(de)伺服系(xi)統本身具有較高的(de)一維曲線(xian)跟蹤精(jing)(jing)度，還要求各運(yun)動軸(zhou)的(de)伺服系(xi)統的(de)動、靜(jing)態性能(neng)指標相互匹(pi)配。

各運(yun)動軸的伺服系(xi)(xi)統結構(gou)和普通伺服系(xi)(xi)統相同，由控制(zhi)器(qi)和控制(zhi)對象(xiang)組成，對于(yu)實際伺服系(xi)(xi)統裝(zhuang)置，系(xi)(xi)統還包括運(yun)動傳感器(qi)等信號(hao)反饋元件。

控(kong)制器的作用是根(gen)據(ju)性(xing)能(neng)指標要求，在存在負載(zai)及擾(rao)動(dong)的情況下完成對該運動(dong)軸加速(su)度(du)（電流、轉矩）、速(su)度(du)（轉速(su)）或位移（角度(du)）的控(kong)制。

單(dan)運(yun)動(dong)(dong)軸伺(si)服(fu)系統中的(de)控制器并不(bu)考慮各運(yun)動(dong)(dong)軸之間(jian)的(de)匹配問題，各運(yun)動(dong)(dong)軸伺(si)服(fu)系統之間(jian)往往是(shi)獨立的(de)。

然而對于數控系統、工業(ye)機器人等需要實現空(kong)間(jian)運(yun)動的復(fu)雜設備，多維空(kong)間(jian)運(yun)動曲線的高跟(gen)蹤(zong)精(jing)度(du)并(bing)不能通過各運(yun)動軸(zhou)的獨(du)立伺服系統的高精(jing)度(du)實現。

這是(shi)因(yin)為各運(yun)動(dong)(dong)軸伺服系統通過設備的(de)(de)機械或者任務對象之間存在耦合，且耦合關系隨(sui)著設備的(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)狀(zhuang)態和姿態改變(bian)而改變(bian)。因(yin)此，采用可能處理運(yun)動(dong)(dong)軸之間耦合擾動(dong)(dong)的(de)(de)控制器是(shi)實現多(duo)維(wei)空(kong)間高運(yun)動(dong)(dong)跟蹤精度(du)的(de)(de)關鍵。

目(mu)前(qian)，國(guo)內、外(wai)已有多(duo)(duo)種(zhong)方(fang)案實現(xian)多(duo)(duo)個伺(si)服(fu)系(xi)(xi)統(tong)的協同控制，多(duo)(duo)伺(si)服(fu)系(xi)(xi)統(tong)成為現(xian)有技術。

由最初由美國(guo)密西根大(da)學的(de)(de)yoramkoren在(zai)1980年提出的(de)(de)雙軸(zhou)交叉(cha)耦(ou)合(he)控制方法(fa)（cross-coupledcontrol，ccc）及(ji)實(shi)現該方法(fa)的(de)(de)相應設備，發展(zhan)到ccc與(yu)各(ge)種算(suan)法(fa)相結合(he)得到的(de)(de)控制方法(fa)，如(ru)多軸(zhou)耦(ou)合(he)補償(chang)控制、自適應前饋控制、變增益(yi)控制、輪廓誤差補償(chang)器、任務(wu)坐標系、無(wu)源(yuan)性等算(suan)法(fa)與(yu)傳統交叉(cha)耦(ou)合(he)控制結合(he)產生的(de)(de)各(ge)類(lei)新(xin)算(suan)法(fa)，將這些新(xin)算(suan)法(fa)應用于計算(suan)機（上位機和下(xia)位機）中，成(cheng)為(wei)能(neng)夠實(shi)現協同(tong)控制的(de)(de)多伺服系統。

這(zhe)類協(xie)同控制方(fang)法(fa)的(de)(de)(de)共(gong)同特征是，其軟(ruan)件中包(bao)含多(duo)運動軸(zhou)(zhou)多(duo)伺(si)服(fu)系(xi)(xi)統模(mo)(mo)型，各(ge)運動軸(zhou)(zhou)伺(si)服(fu)系(xi)(xi)統受(shou)到的(de)(de)(de)負載或擾動信息可以(yi)直接(jie)或間接(jie)的(de)(de)(de)反饋到其它(ta)運動軸(zhou)(zhou)的(de)(de)(de)伺(si)服(fu)系(xi)(xi)統。多(duo)運動軸(zhou)(zhou)多(duo)伺(si)服(fu)系(xi)(xi)統模(mo)(mo)型的(de)(de)(de)構建(jian)隨著這(zhe)類協(xie)同控制方(fang)法(fa)的(de)(de)(de)研究和應(ying)用成為本領(ling)域(yu)技(ji)術人員的(de)(de)(de)常規能(neng)力。

交叉耦合控(kong)(kong)制(zhi)器通(tong)過多軸共同(tong)調(diao)節克服(fu)負載(zai)及擾動(dong)(dong)(dong)對(dui)多維空間曲(qu)線跟蹤精(jing)度(du)的(de)(de)影響，采用(yong)的(de)(de)是被動(dong)(dong)(dong)、同(tong)步(bu)調(diao)節方法(fa)來克服(fu)擾動(dong)(dong)(dong)提(ti)高空間曲(qu)線跟蹤相對(dui)精(jing)度(du)的(de)(de)方法(fa)，即(ji)擾動(dong)(dong)(dong)出現(xian)后再進行協同(tong)控(kong)(kong)制(zhi)，控(kong)(kong)制(zhi)器的(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)作用(yong)和控(kong)(kong)制(zhi)對(dui)象的(de)(de)運行時同(tong)步(bu)的(de)(de)方法(fa)。

在工(gong)業控制(zhi)中，上位(wei)(wei)(wei)機和(he)下(xia)位(wei)(wei)(wei)機的架構得到了廣泛地應用。上位(wei)(wei)(wei)機和(he)下(xia)位(wei)(wei)(wei)機均屬于計算機，人機交互軟(ruan)件運行(xing)在上位(wei)(wei)(wei)機，下(xia)位(wei)(wei)(wei)機即控制(zhi)器(qi)，下(xia)位(wei)(wei)(wei)機直接控制(zhi)被(bei)控對象。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供(gong)一種多伺服(fu)系(xi)統預演(yan)協同控制系(xi)統及相應的控制方(fang)法，能(neng)夠通過主動預先調節的方(fang)法來提高空間(jian)曲線(xian)跟(gen)蹤相對(dui)精度(du)。

為實現上述目的(de)(de)，本(ben)發明的(de)(de)多(duo)伺服系(xi)統(tong)預演協同(tong)控制系(xi)統(tong)包(bao)括用于人(ren)機交互的(de)(de)上位(wei)(wei)(wei)機和用于控制被控對(dui)(dui)象的(de)(de)下(xia)位(wei)(wei)(wei)控制器(qi)，上位(wei)(wei)(wei)機內(nei)置(zhi)有(you)運動控制器(qi)；上位(wei)(wei)(wei)機通(tong)過通(tong)訊裝(zhuang)置(zhi)與下(xia)位(wei)(wei)(wei)控制器(qi)相(xiang)連接，下(xia)位(wei)(wei)(wei)控制器(qi)連接有(you)作為被控對(dui)(dui)象的(de)(de)功率放大器(qi)、伺服電機、運動傳感器(qi)和變送器(qi)。

所述(shu)通(tong)(tong)訊裝置(zhi)為(wei)通(tong)(tong)訊線路或wifi模(mo)塊(kuai)(kuai)或藍牙模(mo)塊(kuai)(kuai)或zigbee模(mo)塊(kuai)(kuai)。

采用上(shang)述控制系統實現的控制方法(fa)依次按(an)以(yi)下步驟(zou)進行(xing)：

第一步驟是獲得空間期(qi)望曲線；

上位(wei)機有兩個任(ren)務來(lai)源，第一任(ren)務來(lai)源是用(yong)(yong)戶(hu)，用(yong)(yong)戶(hu)為上位(wei)機設置(zhi)任(ren)務；第二任(ren)務來(lai)源是算法，上位(wei)機內置(zhi)的任(ren)務軟(ruan)件通(tong)過計算產生任(ren)務；

上位(wei)機的(de)運動控制器通接受第一任務來(lai)源(yuan)(yuan)或第二任務來(lai)源(yuan)(yuan)產生的(de)任務計算出被控對象實現(xian)任務的(de)最(zui)佳空間(jian)曲線，即空間(jian)期望曲線；

第二步驟是分段；

下位控制器根據(ju)空(kong)間(jian)期(qi)望曲線(xian)的(de)曲率變化情況，以(yi)空(kong)間(jian)期(qi)望曲線(xian)的(de)各轉折處為界，對(dui)空(kong)間(jian)期(qi)望曲線(xian)進行分(fen)段；

第三步驟是產生模(mo)型輸出空間曲線；

下位(wei)控制器將分段(duan)后的(de)空間(jian)期望(wang)曲線(xian)作(zuo)為輸入參數輸入下位(wei)控制器內(nei)置的(de)被控對象(xiang)仿(fang)真模型(xing)(xing)，經過被控對象(xiang)仿(fang)真模型(xing)(xing)算(suan)法的(de)計算(suan)，得出各段(duan)模型(xing)(xing)輸出空間(jian)曲線(xian)；被控對象(xiang)仿(fang)真模型(xing)(xing)采用(yong)多運動軸多伺服系統(tong)模型(xing)(xing)；

第四(si)步驟是對各段空間(jian)期望(wang)曲線進行修正；

下位控制器將各(ge)段(duan)模型輸出(chu)空間(jian)曲線與相應的各(ge)段(duan)空間(jian)期望曲線進(jin)(jin)行對(dui)比，按照(zhao)最小誤差原則對(dui)各(ge)段(duan)空間(jian)期望曲線進(jin)(jin)行修正；

第五步(bu)驟是得出修(xiu)正后(hou)的空間期望曲線；

下位控(kong)制器將修正后(hou)的各段空間(jian)期望曲線組合在一起，經過(guo)平滑濾波(bo)得到修正后(hou)的空間(jian)期望曲線；

第六步驟是被控對象(xiang)響(xiang)應；

下位控(kong)制器向被(bei)控(kong)對象發出指令(ling)，根據修(xiu)正后的空間(jian)期望曲線控(kong)制被(bei)控(kong)對象響應(ying)，通過運動傳感器獲得被(bei)控(kong)對象的真實運動曲線；

第七步驟是修正被控對象仿真(zhen)模型；

下位(wei)(wei)控制(zhi)器將真實運動曲(qu)線與(yu)原(yuan)空間(jian)期(qi)望曲(qu)線進行對比，通過參數識別修正下位(wei)(wei)控制(zhi)器內置的被(bei)控對象仿真模型；

重復第(di)一至(zhi)第(di)七步驟，實(shi)現(xian)對被控(kong)對象的預演(yan)協同控(kong)制。

本發明具有如(ru)下(xia)的優點：

由于本控(kong)(kong)(kong)制系統和控(kong)(kong)(kong)制方法具有被(bei)(bei)控(kong)(kong)(kong)對(dui)(dui)象仿真(zhen)模(mo)型(xing)，使得該(gai)方法中基(ji)于被(bei)(bei)控(kong)(kong)(kong)對(dui)(dui)象仿真(zhen)模(mo)型(xing)的(de)預演與控(kong)(kong)(kong)制對(dui)(dui)象對(dui)(dui)于下位控(kong)(kong)(kong)制器的(de)指令的(de)實(shi)際(ji)(ji)執(zhi)行(xing)(xing)是不同(tong)步(bu)的(de)，可以在被(bei)(bei)控(kong)(kong)(kong)對(dui)(dui)象實(shi)際(ji)(ji)執(zhi)行(xing)(xing)指令前進(jin)行(xing)(xing)內部仿真(zhen)動(dong)作。

由(you)(you)于本(ben)發明的(de)(de)(de)控(kong)制方(fang)(fang)法(fa)可(ke)(ke)以(yi)(yi)實(shi)現預(yu)演，使(shi)得(de)系(xi)統(tong)可(ke)(ke)以(yi)(yi)在控(kong)制對(dui)(dui)(dui)象執(zhi)(zhi)行(xing)指(zhi)令(ling)前(qian)(qian)提(ti)(ti)前(qian)(qian)獲得(de)多(duo)維空間(jian)曲線(xian)(xian)(xian)跟(gen)(gen)蹤效果(guo)(guo)；由(you)(you)于本(ben)方(fang)(fang)法(fa)在控(kong)制對(dui)(dui)(dui)象執(zhi)(zhi)行(xing)前(qian)(qian)可(ke)(ke)以(yi)(yi)提(ti)(ti)前(qian)(qian)獲得(de)指(zhi)令(ling)的(de)(de)(de)執(zhi)(zhi)行(xing)效果(guo)(guo)，使(shi)得(de)該方(fang)(fang)法(fa)可(ke)(ke)以(yi)(yi)根據(ju)(ju)執(zhi)(zhi)行(xing)效果(guo)(guo)，即系(xi)統(tong)對(dui)(dui)(dui)多(duo)維空間(jian)曲線(xian)(xian)(xian)跟(gen)(gen)蹤誤差對(dui)(dui)(dui)原指(zhi)令(ling)，即原空間(jian)期望(wang)曲線(xian)(xian)(xian)根據(ju)(ju)誤差最小原則進行(xing)修正，從而能(neng)(neng)夠獲得(de)修正后的(de)(de)(de)空間(jian)期望(wang)曲線(xian)(xian)(xian)，得(de)到更高(gao)相對(dui)(dui)(dui)精度的(de)(de)(de)控(kong)制指(zhi)令(ling)。本(ben)方(fang)(fang)法(fa)具(ju)有(you)在線(xian)(xian)(xian)參數辨識能(neng)(neng)力，能(neng)(neng)夠通過對(dui)(dui)(dui)比真(zhen)實(shi)運動曲線(xian)(xian)(xian)和修正后的(de)(de)(de)空間(jian)期望(wang)曲線(xian)(xian)(xian)，使(shi)得(de)被(bei)控(kong)對(dui)(dui)(dui)象仿真(zhen)模型(xing)可(ke)(ke)以(yi)(yi)與實(shi)際(ji)控(kong)制對(dui)(dui)(dui)象在動態(tai)反饋中(zhong)保持(chi)一致，使(shi)系(xi)統(tong)具(ju)有(you)更高(gao)的(de)(de)(de)魯棒性(xing)。

由(you)于(yu)該方(fang)法采用的(de)被控(kong)對象仿真(zhen)模(mo)型(xing)本(ben)(ben)身為多運動軸多個伺服系(xi)統的(de)模(mo)型(xing)，使得(de)下位(wei)控(kong)制(zhi)器具(ju)備了協同控(kong)制(zhi)能力(li)。本(ben)(ben)控(kong)制(zhi)系(xi)統和控(kong)制(zhi)方(fang)法最顯(xian)著、最直接的(de)技(ji)術效(xiao)果在于(yu)，減(jian)小了多維空間曲(qu)線跟蹤(zong)誤差，相(xiang)(xiang)對跟蹤(zong)精度(du)得(de)到顯(xian)著提(ti)高，并且隨(sui)著控(kong)制(zhi)過程的(de)不斷(duan)進行，相(xiang)(xiang)對跟蹤(zong)精度(du)會因為反饋修正而得(de)到不斷(duan)提(ti)高。

附圖說明

圖(tu)1是本發明的結構示意圖(tu)；

圖(tu)2是本(ben)發明的控制(zhi)流程圖(tu)。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，本發明的(de)多伺(si)服系(xi)(xi)統預演(yan)協同控(kong)(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統包括用于人機交互的(de)上(shang)位(wei)機和用于控(kong)(kong)制(zhi)被(bei)控(kong)(kong)對象(xiang)的(de)下(xia)(xia)位(wei)控(kong)(kong)制(zhi)器，上(shang)位(wei)機內置有運(yun)(yun)動(dong)控(kong)(kong)制(zhi)器；上(shang)位(wei)機通過通訊裝(zhuang)置與下(xia)(xia)位(wei)控(kong)(kong)制(zhi)器相連接(jie)(jie)，下(xia)(xia)位(wei)控(kong)(kong)制(zhi)器連接(jie)(jie)有作為被(bei)控(kong)(kong)對象(xiang)的(de)功率放(fang)大器（即伺(si)服驅動(dong)裝(zhuang)置）、伺(si)服電機、運(yun)(yun)動(dong)傳感器和變送(song)器。

所述通訊裝置為通訊線路或wifi模(mo)塊(kuai)或藍牙模(mo)塊(kuai)或zigbee模(mo)塊(kuai)。

本發明還(huan)公開了使用(yong)上述控制系統的控制方法，依次按以下步(bu)驟進行：

第一(yi)步驟是(shi)獲得(de)空間期望曲線；

上位(wei)機有(you)兩個任(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)來源，第一任(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)來源是用(yong)戶，用(yong)戶為(wei)上位(wei)機設(she)置任(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)；第二任(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)來源是算法，上位(wei)機內置的任(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)軟件通(tong)過計(ji)算產生任(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)；

上位機的(de)(de)運(yun)動控制器通接受(shou)第一任務(wu)來源或第二任務(wu)來源產生的(de)(de)任務(wu)計算(suan)出被控對象實(shi)現(xian)任務(wu)的(de)(de)最佳空間(jian)曲(qu)線(xian)，即空間(jian)期望(wang)曲(qu)線(xian)；（現(xian)有(you)的(de)(de)伺服系統均可以根據任務(wu)計算(suan)出實(shi)現(xian)任務(wu)的(de)(de)最佳空間(jian)曲(qu)線(xian)，此為現(xian)有(you)技術）

第二步驟是分段；

下位(wei)控制器根據(ju)空間(jian)(jian)期(qi)望(wang)曲線(xian)的曲率(lv)變化情(qing)況，以空間(jian)(jian)期(qi)望(wang)曲線(xian)的各轉折處為界，對(dui)空間(jian)(jian)期(qi)望(wang)曲線(xian)進行分段；

第三(san)步驟(zou)是產生(sheng)模(mo)型輸出空間(jian)曲線；

下位控(kong)制器將分(fen)段后(hou)的(de)(de)(de)空間期望曲(qu)(qu)線作為輸入參數輸入下位控(kong)制器內置(zhi)的(de)(de)(de)被(bei)(bei)(bei)控(kong)對(dui)象(xiang)(xiang)仿(fang)真(zhen)(zhen)模(mo)型，經過被(bei)(bei)(bei)控(kong)對(dui)象(xiang)(xiang)仿(fang)真(zhen)(zhen)模(mo)型算法(fa)的(de)(de)(de)計算，得(de)出各段模(mo)型輸出空間曲(qu)(qu)線；（設(she)置(zhi)現實對(dui)象(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)仿(fang)真(zhen)(zhen)模(mo)型是本領域(yu)技術人(ren)員(yuan)的(de)(de)(de)常規能力(li)，根據(ju)不(bu)同的(de)(de)(de)被(bei)(bei)(bei)控(kong)對(dui)象(xiang)(xiang)及任務(wu)，本領域(yu)技術人(ren)員(yuan)有(you)能力(li)構造(zao)出被(bei)(bei)(bei)控(kong)對(dui)象(xiang)(xiang)仿(fang)真(zhen)(zhen)模(mo)型）被(bei)(bei)(bei)控(kong)對(dui)象(xiang)(xiang)仿(fang)真(zhen)(zhen)模(mo)型采用多(duo)運動軸多(duo)伺服系統模(mo)型；

第四步驟是(shi)對各段空間(jian)期(qi)望(wang)曲線進行修正；

下(xia)位控制(zhi)器將各(ge)段(duan)模(mo)型輸出空間(jian)(jian)曲線(xian)與相應的各(ge)段(duan)空間(jian)(jian)期望曲線(xian)進(jin)行對(dui)(dui)比(bi)，按照最小誤差原(yuan)則對(dui)(dui)各(ge)段(duan)空間(jian)(jian)期望曲線(xian)進(jin)行修(xiu)正；

所謂最(zui)小誤差(cha)(cha)原則是(shi)指使(shi)期望曲(qu)線(xian)(xian)與實(shi)際(ji)輸(shu)出(chu)曲(qu)線(xian)(xian)均方差(cha)(cha)最(zui)小的原則。在此即(ji)為：每段空間期望曲(qu)線(xian)(xian)上各(ge)(ge)采樣點(dian)(dian)的值(zhi)，與對應各(ge)(ge)段模型輸(shu)出(chu)空間曲(qu)線(xian)(xian)上各(ge)(ge)采樣點(dian)(dian)的值(zhi)，均方差(cha)(cha)最(zui)小的原則。

第五(wu)步驟是得出修正后(hou)的空間期望曲線；

下(xia)位控制器將修正后(hou)的各段空間(jian)期望曲線(xian)組合(he)在一(yi)起，經(jing)過(guo)平滑濾波得到(dao)修正后(hou)的空間(jian)期望曲線(xian)；

第六步驟是被控對象響應；

下位(wei)控(kong)制(zhi)器向被控(kong)對象發出指令，根據(ju)修正(zheng)后的空(kong)間(jian)期望曲(qu)線控(kong)制(zhi)被控(kong)對象響應(ying)，通過運動(dong)傳感器獲(huo)得被控(kong)對象的真(zhen)實運動(dong)曲(qu)線；

第七步驟是修正被控(kong)對(dui)象仿真模型(xing)；

下位(wei)控制器將真(zhen)實運(yun)動曲(qu)線與原(yuan)空間期望(wang)曲(qu)線進行對(dui)比，通過參(can)數識別修(xiu)正下位(wei)控制器內置(zhi)的(de)被控對(dui)象仿真(zhen)模型；

重復第一至第七步驟，實現對(dui)被控(kong)對(dui)象的預演協同控(kong)制，并得到不斷改進的被控(kong)對(dui)象仿真模(mo)型(xing)。

以(yi)上實(shi)施(shi)例僅用以(yi)說(shuo)明(ming)(ming)而(er)非限制本(ben)發(fa)(fa)明(ming)(ming)的(de)(de)技(ji)術(shu)方案，盡(jin)管參照上述實(shi)施(shi)例對(dui)本(ben)發(fa)(fa)明(ming)(ming)進行(xing)了詳(xiang)細說(shuo)明(ming)(ming)，本(ben)領域的(de)(de)普(pu)通技(ji)術(shu)人員應當(dang)理解：依然可(ke)以(yi)對(dui)本(ben)發(fa)(fa)明(ming)(ming)進行(xing)修改或者等同替(ti)換(huan)，而(er)不脫離(li)本(ben)發(fa)(fa)明(ming)(ming)的(de)(de)精神和范(fan)圍的(de)(de)任何修改或局部替(ti)換(huan)，其均(jun)應涵蓋(gai)在本(ben)發(fa)(fa)明(ming)(ming)的(de)(de)權利要(yao)求范(fan)圍當(dang)中。