[发明专利]一种复杂轨迹的轮廓控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轮廓控制方法，特别是一种复杂轨迹的轮廓控制方法。

背景技术

现有提高轨迹运动精度的方法主要有两种：1.通过分别提高各单轴轨迹伺服跟踪控制性能，间接减小各轴合成后的轨迹轮廓误差；2.通过协调处理各单轴伺服动态，以提高平面轨迹轮廓控制性能为目标，兼顾单轴伺服动态特性，直接减小两轴平面轨迹轮廓误差。

通常意义上的轮廓控制是在不改变单轴伺服控制结构的基础上，通过对各伺服轴间信息的共享处理，即采用交叉耦合控制策略，向各轴提供附加的轮廓误差信息，实现轨迹跟踪的闭环控制。不采用前者是因为：当其中一个轴受到扰动影响的时候，其他轴并未得到相应的反馈信息，仍然认为其是正常工作的而未采取有效的补偿措施以减少轮廓性能的恶化。对于不同的跟踪轨迹，如非线性轮廓及大曲率转角，单轴伺服跟踪控制也未考虑几何特性对轨迹跟踪过程所产生的影响。

Koren于1980年提出的基于时间等态方法的交叉耦合控制(Cross-Coupled Control，简称CCC)，是最基本的处理多轴耦合控制的方法。其主要思想是通过获取各轴跟踪误差信息，实时估计轮廓误差，设计耦合控制律对轮廓误差进行反馈补偿，将补偿量解耦到各轴上，得到轮廓误差的线性计算模型ε＝-C_xE_x+C_yE_y，如图10、11所示。由于采用的是P型控制器u_c＝w_pε，其不能控制非线性轮廓。继而Koren等改善P(比例)型控制器，提出可变增益的非线性轮廓控制，如：圆弧，采用直线逼近的方式，则依照不同的增益系数解耦分配轮廓误差，从而独立控制各单轴。这种基本的交叉耦合控制器在固定的坐标系下估算跟踪直线或圆弧的轮廓误差，所得轮廓误差为各轴跟踪误差的线性组合，补偿器采用固定参数的P型或PID型控制器，所以仅在低速或曲率变化不大的情况下，较单轴跟踪控制在轮廓精度方面有较大提高。

另外，为了降低轮廓运动耦合控制的计算复杂性，提高耦合控制变增益的稳定性，增强耦合控制器的鲁棒性，T.C.Chiu等人于1998年设计出了基于轮廓误差传递函数(ContourError Transfer Function，简称CETF)的控制方式。其描述了由耦合控制系统产生的轮廓误差与未解耦系统产生的轮廓误差之间的动态关系，从而把CETF看成是一个等价系统的传递函数，把交叉耦合控制器转化为一个等价时变的单输入单输出系统进行设计。

基于轮廓误差传递函数的交叉耦合控制器设计，本质上还是传统交叉耦合控制的系统化设计方法，通过把轮廓误差增益C_x、C_y近似在[-1，1]范围内，采用定量反馈技术(QFT)设计等价的单输入单输出系统，可以得到满足交叉耦合增益变化的稳定性与鲁棒性的交叉耦合控制补偿器。

此外，于1999年Chin J.H.等人改变一般轮廓误差计算基于笛卡儿坐标系的设置，将系统动力学方程变换到任务坐标系(Task Coordiante Frame，简称TCF)上，通过在各单轴环节附加前馈预补偿器使各轴的动态特性匹配，从而使在任务坐标系下系统的传递函数矩阵是对角化的，用法向误差分量近似轮廓误差，即可把交叉耦合控制器的设计简化为两个独立单回路控制器设计，实现对法向误差分量与切向误差分量的解耦控制。这种耦合控制器是基于频域的方法设计的，通过坐标变换保持系统特性不变，且假定轨迹轮廓是微段直线构成，则该方法限制于低角频率的轮廓运动与分段线性的参考轮廓下使用。其本质是用任务坐标系上的误差法向分量来近似轮廓误差，着重提高法向误差分量的带宽，避免因无选择的提高各轴单方向的带宽而带来的系统潜在不稳定因素的影响，同时考虑了速度与曲率方向的影响，作为控制器前馈信息对系统动力学性能予以补偿，从而可以提高系统在高速大曲率下的轮廓性能。除了直线和圆，对于任意曲率变化的复杂几何特征平面曲线建立TCF，在线计算量较大；用TCF标架下的法向误差分量近似代替轮廓误差，未能可靠实现轮廓误差解耦控制；当然，控制器对于被控对象模型不确定性和外部扰动的处理能力也较弱。

其他应用于轮廓控制的方法，如无源耦合控制器设计，是一种基于Lyapunov函数的CCC控制律来实现连续轨迹运动中的多轴协调控制。通过调整权值对轮廓性能与跟踪性能进行不同的配置，采用积分Backstepping技术设计控制律，该控制率实际为包含参考轨迹的速度加速度信息的时变PD控制，可实现局部稳定性，通过增加权值以牺牲跟踪性能为代价提高轮廓性能。