[发明专利]一种基于通信干扰观测器的网络化多轴运动控制系统的交叉耦合控制方法

权利要求书

1.一种基于通信干扰观测器的网络化多轴运动控制系统的交叉耦合控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1)根据多轴运动控制系统的动态特性，建立在扭矩模式下单轴伺服系统的二阶模型为

其中，G(s)表示系统传递函数，系统的控制输入量为电机输入电压U(s)，输出量也即被控变量为轴的位置Y(s)，K和T为系统参数；

步骤2)针对单轴的轨迹跟踪控制，设计基于线性自抗扰控制的跟踪控制器，过程包括：设计线性跟踪微分器，线性扩张状态观测器和基于PD的线性误差反馈控制律；

步骤3)设计具有时延估计与补偿功能的通信干扰观测器，实现对单轴网络诱导时延引起的不确定性的实时估计与补偿；

步骤4)针对网络化多轴运动控制系统中多轴协调运动控制的轨迹轮廓模型计算出当前时刻系统的轮廓误差模型，然后根据得到的轮廓误差，设计基于PID的轮廓误差补偿控制器。

2.根据权利要求1所述的基于通信干扰观测器的网络化多轴运动控制系统的交叉耦合控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，设计基于线性自抗扰控制的跟踪控制器设计过程如下：

(2.1)设计如式(2)所示的线性跟踪微分器，用来安排过渡过程，给定信号v₀作为参考输入,

其中，参数r₀为跟踪微分器的快速因子，v₁表示参考输入v₀的跟踪值，v₂为参考输入v₀的微分的近似值，fh为v₂的微分值；

(2.2)设计如式(3)所示的线性扩张状态观测器，对系统的状态和扰动进行实时估计与补偿，

其中，β₀₁、β₀₂和β₀₃为一组待整定的参数，参数的选取通过极点配置确定为β₁＝3ω₀,β₂＝3ω₀²,β₃＝ω₀³，ω₀为观测器带宽，z₁和z₂分别为系统输出y的估计以及y的微分的估计，z₃为系统扰动的估计，b₀为可调的补偿因子；

(2.3)设计如式(4)所示的线性误差反馈控制律,

其中，k_p和k_d分别为比例和微分系数，通过极点配置取k_p＝ω_c²,k_d＝2ω_c，ω_c为控制器带宽，e₁，e₂分别为系统的状态v₁与z₁之间的偏差以及v₂与z₂之间的偏差，u₀为误差反馈控制量，u为最终的控制量。

3.根据权利要求1或2所述的基于通信干扰观测器的网络化多轴运动控制系统的交叉耦合控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，设计具有时延估计与补偿功能的通信干扰观测器，实现对单轴网络诱导时延引起的不确定性的实时估计与补偿，过程如下：

(3.1)将网络时延τ＝τ_ac+τ_ca引起的不确定性等效为网络时延引起的干扰D_net(s)，具体如下

D_net(s)＝U(s)-U(s)e^-τs (5)

其中，τ为网络时延，τ_ac、τ_ca分别为轴输出的位置Y(s)到控制器输入的网络时延和控制器输出到电机输入电压U(s)的网络时延；

(3.2)设计如下公式(6)所示的一阶通信干扰观测器，对网络时延引起的干扰D_net(s)进行实时估计与补偿，

其中，L(s)是截止频率为g_net的低通滤波器，是网络时延引起的干扰D_net(s)的估计值，用来补偿网络通道中的时延引起的不确定性，当通信干扰观测器的截止频率接近于无穷时，|L(s)|＝1，此时可以精确的估计网络时延引起的干扰。