冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法技术

本方案公开了一种冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法，在系统故障，在速度参数和加速度参数等设置不合理时，能够根据不同的规划参数进行自适应变结构曲线规划，保证系统在出现故障的情况下可靠、安全、高速、高效的运行，满足高可靠性、高安全性、高鲁棒性的控制要求。在加减速控制中对运动方向进行归一处理实现双向曲线规划。加速过程和减速过程分开控制，实现非对称的曲线规划，同时，整个规划过程中保证加速度的连续性，规划分类少，规划参数易求取，以保证无柔性冲击，满足高灵活性、高精度的控制要求，又能保证算法实现简单，实现高速、高效率的控制要求，提升控制系统的运行速度和加工效率。行速度和加工效率。行速度和加工效率。

【技术实现步骤摘要】
冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法


[0001]本专利技术属于工业控制
，尤其是涉及一种冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法。

技术介绍

[0002]工业控制即工业自动化是高端装备制造业的支柱产业，其中，可编程逻辑控制器（PLC）是现代工业自动化的三大支柱之一，给各种自动化控制设备提供更高效、更高速、更灵活、更可靠的控制，广泛应用于冶金、石油化工、电力、交通运输、机械制造、环保等领域。运动控制作为现代PLC不可或缺的功能模块之一，主要应用于数控机床、机器人、轮胎、造纸、光伏、集成电路、家电等行业。在实际加工制造中，为了避免和减小设备在启停时产生冲击、振动，需要对设备驱动轴的运行速度进行加减速控制，以提高加工精度和产品质量。因此，满足高速、高效、高灵活、高精度、高可靠要求的柔性加减速控制是现代高性能运动控制系统的关键技术之一。
[0003]传统的梯形和指数型加减速控制方法虽实现简单，但在加减速过程中存在加加速度脉冲，加速度阶跃突变的问题，由于加速度的不连续性，故存在较大的柔性冲击，特别是高速运行以及一些惯性负载和弹性机构时，会产生非期望的结果，降低产品的加工精度以及减小设备自身的使用寿命，仅适用于对控制精度较低的应用场合，难以满足高精度的控制要求。为了保证设备在加减速过程中加速度的连续性，减小系统的柔性冲击，提升加工精度，满足高速、高精度的控制要求，通常采用S型柔性加减速控制方法。常用的S型柔性加减速方法有基于三角函数的加减速控制、基于多项式的加减速控制和七段式加减速控制。基于三角函数的S曲线加减速控制方法，通过复杂的三角函数计算使运动曲线平滑，但在嵌入式系统上运行需要大量资源，计算耗时，无法保证嵌入式运控系统的实时性。基于多项式的加减速控制，虽能获得平滑的曲线，但需对时间进行连续高阶求导，阶数越高，曲线平滑度越大，但同时曲线的约束条件也越多，规划参数求解也更复杂，对应所需的最大速度、加速度和加加速度也越大，而实际中由于驱动轴电机的物理特性，所能提供的转速和扭矩都有其上限。因此，这两种柔性加减速控制方法较少应用于实际的运动控制系统中。七段式S型加减速控制通过将加减速过程分为加加速段、恒加速段、减加速段、恒速段、加减速段、恒减速段、减减速段共7个阶段，来避免在启动、运行和停止时加加速的脉冲点，保证在整个加减速过程中加速度的连续，来减小系统的柔性冲击，实际运动控制系统中应用较多。但是，七段式S型加减速控制也存在规划分类情况多，需通过繁杂的不等式判断来确定加减速边界等问题。并且，需要通过多次开方以及二分法和牛顿迭代法等数值分析方法才可求得某些条件的规划参数，运算复杂且计算量大，基于迭代的求解方法计算量会随着控制精度的提升而大幅增加，耗时长，难以满足高效率的控制要求，在某些极端情况，超出迭代求解次数时甚至会导致系统死机、不稳定等严重后果。有学者提出一种基于三次多项式的减速度控制方法，在规划分类情况较少，规划参数的计算只涉及少量的四则运算的情况下，能始终保证在整个运行过程中加速度的连续性，减小系统的柔性冲击，提升设备加工的精度，算法实
现简单、便捷，可以实现运行曲线的快速规划，提升系统运行效率。但是，该算法的加速和减速过程存在耦合，没有将加速和减速分开控制，加速和减速过程是对称的关系，这将导致运行系统不管在哪种工况下进行加减速控制驱动轴电机只能输出相同的扭矩，无法完全利用驱动轴电机的特性，S曲线规划的灵活性受到了大大的限制，难以满足多场合全工况的规划与控制，未对加速和减速过程分开控制的非对称式的加减速控制做进一步的推导和研究。目前公开的关于“柔性加减速控制”的技术和资料，大多是在规划参数设置合理的基础上进行曲线规划，要求最大速度必须大于等于初速度和末速度才能进行曲线规划，而在实际运动控制系统，一方面，由于人为操作失误，可能会误输入不合理的规划参数，如规划最大速度小于初速度和末速度；另一方面，由于受设备零件老化损坏或电磁干扰的影响，可能会造成参数数据在通信传输中出错，如导致规划最大速度为0，这种故障是无法预知，也是不可避免的。不管是哪种原因导致的规划参数不合理，如果不进行有效的故障处理，在故障情况下不进行有效的曲线规划，极有可能会造成停机、碰撞、飞车、失控、设备损坏等生产事故，甚至会造成不可估量的严重后果。中国专利[CN112327954B]“非对称S型速度曲线控制的直线电机高精定位方法”在出现规划参数不合理，不满足规划的条件下，需要重设初始参数，直到参数设置合理为止。对于如光伏、锂电、芯片等有成百上千道工序的行业，有大量的点对点运动，如按照此方法进行曲线规划，需要大量的调试时间，易用性较差，增加了产品生产的时间成本，难以满足高效率的控制要求。而且，对于不可控故障导致的规划参数异常没有有效的规划处理，难以保证高可靠性的控制要求。中国专利[CN108153246B]“一种基于指定速度的参数自适应S形速度规划插补方法”在七段式S型加减速控制的基础上，通过判断规划位移与目标位移的关系以及最大速度与初速度、末速度的关系来保证部分参数不合理时的曲线规划。但是，该方法分类情况多达23种，算法复杂；加速段和减速段参数相同，是一种对称的曲线规划，加速和减速过程未分开控制，大大降低了S曲线使用的灵活性；当最大速度小于初速度和末速度时，需采用迭代求解的数值方法来求取新的最大速度，运算复杂，计算量大，耗时长，难以满足高效率的控制要求；仅考虑了最大速度、初速度、末速度设置不合理的规划处理，未考虑加速度设置不合理的规划处理，最大速度和最大加速度的规划设置未考虑驱动轴电机的物理特性上限，且未对最大速度为0进行有效规划处理；仅对目标位置为正时进行曲线规划，当目标位置为负时没有进行有效的规划处理；在某些情况下，会调整预设的初速度和末速度，而实际生产加工中会存在大量点对点运动，不同指令预设的速度参数不同，这种初、末速度的自调整会导致驱动轴电机的速度跳变，影响系统运行的连续性，降低设备的加工精度。一种在运动控制系统出现故障，规划参数设置不合理时，仍然能保证系统进行高效、高速、高精度、高灵活性、高可靠性、高安全性的曲线规划，目前关于加减速控制的技术和资料还没有公开的转化方法。因此，亟待一种在系统故障，规划参数设置不合理时，既能保证加速度连续，无柔性冲击，满足高速、高精度的要求，又能保证算法实现简单，满足高效率、高灵活性、高可靠性、高安全性要求的冗余容错式非对称S型柔性加减速控制方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法，在系统故障，在速度参数和加速度参数等设置不合理时，能够根据不同的规划
参数进行自适应变结构曲线规划，保证系统在出现故障的情况下可靠、安全、高速、高效的运行，满足高可靠性、高安全性、高鲁棒性的控制要求。在加减速控制中对运动方向进行归一处理实现双向曲线规划。加速过程和减速过程分开控制，实现非对称的曲线规划，同时，整个规划过程中保证加速度的连续性，规划分类少，规划参数易求取，以保证无柔性冲击，满足高灵活性、高精度的控制要求，又能保证算法实现简单，实现高速、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法，其特征在于，该方法包括：S1.输入位置运动指令，给定初始参数条件：目标位移S
t
、初速度V
s
、最大速度V
max
、末速度V
e
、最大加速度A
max
、最大减速度D
max
；S2.将运动方向归一成正向后进行后续的曲线规划；S3.当V
max
≤V
t
且V
max
≠0，A
max
（D
max
）≤A
t
且A
max
≠0时执行步骤S4，A
t
表示驱动轴电机所能提供的最大加速度，V
t
表示驱动轴电机所能提供的最高速度；S4.判断V
max
与V
s
、V
e
的大小关系，若V
max
≥V
s
且V
max
≥V
e
则进行常规S曲线规划，否则进行冗余容错自适应变结构速度曲线规划：若V
max
>V
s
且V
max
<V
e
，则令容错最大加速度A
ft
=A
max
，进行V
s
加速至V
max
、（V
max
匀速）、V
max
加速至V
e
的冗余容错变结构速度曲线规划；若V
max
<V
s
且V
max
>V
e
，则令容错最大减速度D
ft
=D
max
，进行V
s
减速至V
max
、（V
max
匀速）、V
max
减速至V
e
的冗余容错变结构速度曲线规划；若V
max
<V
s
且V
max
<V
e
，则令容错最大减速度D
ft
=D
max
，容错最大加速度A
ft
=A
max
，进行V
s
减速至V
max
、（V
max
匀速）、V
max
加速至V
e
的冗余容错变结构速度曲线规划；S5.对规划参数进行符号处理，以实现正负方向均可以进行曲线规划；S6.将各分段始末运动规划参数及分段规划时间通过控制周期T
s
进行曲线离散插补输出。2.根据权利要求1所述的冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法，其特征在于，步骤S2具体包括：处理运动方向，若目标位移S
t
<0，则将S
t
、V
s
、V
e
进行转换，归一成正向进行曲线规划：令
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）得：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）步骤S5具体包括：若目标位移S
t
为正，则将得到的各分段始末运动规划参数直接输出；若目标位置S
t
为负，则对运动规划参数进行符号转换处理，以实现负方向的曲线规划，具体如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（23）。3.根据权利要求1所述的冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法，其特征在于，步骤S3具体包括：判断V
max
是否为0，如果V
max
=0，则进行V
s
减至0的冗余容错变结构速度曲线规划，计算对应的位移S0，以及本次指令剩余未完成的位移S
rem
，并将S
rem
送入参数初始化，等待下一条指令的执行；如果V
max
≠0，则判断V
max
是否小于驱动轴电机所能提供的最高速度V
t
；如果V
max
>V
t
，则令V
max
=V
t
，限制规划最大速度不超过电机的物理特性上限；如果V
max
≤V
t
，则判断A
max
（D
max
）是否等于0；如果A
max
（D
max
）=0，则令A
max
=A
lastmax
（D
max
=D
lastmax
），将上一次指令的加（减）速度A
lastmax
（D
lastmax
）赋给A
max
（D
max
）；如果A
max
（D
max
）≠0，则判断A
max
（D
max
）是否小于驱动轴电机所能提供的最大加速度A
t
；如果A
max
（D
max
）>A
t
，则令A
max
（D
max
）=A
t
，限制规划最大加（减）速度不超过电机的物理特性上限；如果A
max
（D
max
）≤A
t
，则执行步骤S4。4.根据权利要求1所述的冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法，其特征在于，步骤S4中，若V
max
≥V
s
且V
max
≥V
e
，则进行加速段、（匀速段）、减速段的常规S曲线规划。5.根据权利要求4所述的冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法，其特征在于，步骤S4中，若V
max
>V
s
且V
max
<V
e
，则进行V
s
加速至V
max
、（V
max
匀速）、V
max
加速至V
e
的冗余容错变结构速度曲线规划：令容错最大加速度A
ft
=A
max
，计算从V
s
运动至V
e
的单段加速位移S
a0
；若S
t
>S
a0
，则冗余容错变结构S曲线轨迹规划可行；若S
t
≤S
a0
，则根据S
t
对A
ft
进行修正，并求取加速时间T
a0
，进行单段加速特殊曲线规划。6.根据权利要求5所述的冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法，其特征在于，针对V
max
>V
s
且V
max
<V
e
的情况计算S曲线规划的参数，定义：J
sk
：第k段的初加加速度；A
sk
：第k段的初加速度；A
ek
：第k段的末加速度；V
sk
：第k段的初速度；V
ek
：第k段的末速度；S
k
：第k段的位移；其中,k=1,2,3
…
；
存在两种可能性，有匀速段，即T
u
>0，无匀速段，即T
u
≤0；当T
u
>0时，加速段1时间为T
a1
，匀速段时间为T
u
，加速段2时间为T
a2
，然后，计算相应始末运动规划参数如下：第一段，即加速段1，由V
s
加速运动至V
max
，加速时间为T
a1
，此时，k=1，第一段始末运动规划参数如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（19）第二段，即匀速段，保持V
max
匀速运动，匀速时间为T
u
，此时，k=2，且V
s2
=V
e1
，A
s2
=A
e1
，第二段始末运动规划参数如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（20）第三段，即加速段2，由V
max
加速运动至V
e
，加速时间为T
a2
，此时，k=3，V
s3
=V
e2
，A
s3
=A
e2
，第三段始末运动规划参数如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（21）当T
u
≤0时，单加速段时间为T
a0
，计算相应始末运动规划参数如下：由V
s
加速运动至V
e
，加速时间为T
a0
，此时，k=1，相应始末运动规划参数如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（22）。7.根据权利要求6所述的冗余容错式非对称S型柔性速度曲线自适应规划方法，其特征在于，若V...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴彬玉，陈元，高彬，赵磊，施源，
申请(专利权)人：英孚康浙江工业技术有限公司，
类型：发明
国别省市：