CN112433470A - 一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法及系统，包括以下步骤：实时采集安装在液压机械臂上的绝对式位置编码器的位置数据θ₀；计算采集的位置数据θ₀与设定位置数据θ_r的差值，得到位置偏差θ_e；将位置偏差值θ_e输入到速度位置双闭环嵌套分级伺服控制模块；速度位置双闭环嵌套分级伺服控制模块先判断θ_e与设定值A的大小，然后进入小位置伺服控制环或者速度伺服控制环进行调节，最终小位置控制环进行PID参数调节输出相应控制量给伺服阀，从而驱动液压缸控制运动。

Description

一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法及系统

技术领域

本发明公开了一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法、装置及系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

发明人发现液压机械臂负载大，可实现与自身同重量物体的抓举，同时它运行平稳，可承受较大的冲击力。在核工业、高压带电作业等强辐射、强电磁干扰的环境下，液压机械臂有着广阔的应用前景。目前已有的液压机械臂的控制算法，主要是完成对机械臂的速度和位置进行伺服控制，实现机械臂的转动、直线运动乃至三维曲线运动等复杂运动。目前使用最为广泛的控制方法为位置式PID控制算法。但是已有的PID伺服控制算法已经不能满足工业需要，大惯性液压伺服控制，小位置闭环伺服控制以及速度伺服控制等实现的过程总会出现超调，震荡，以及响应慢等问题。

发明内容

针对液压机械臂较电控系统而言固有的系统动态延迟较重、传统液压伺服控制采用单闭环控制而导致的无法做到精度和动态响应速度最优化、伺服过程出现超调震荡等问题，本发明使用了位置速度双闭环、速度分级设置、优先级多层嵌套的伺服方式，从而实现快速响应，降低运动震荡，避免出现超调，实现液压机械臂的高精度伺服。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法，包括以下步骤：

实时采集安装在液压机械臂上的绝对式位置编码器的位置数据θ_o；

计算采集的位置数据θ_o与设定位置数据θ_r的差值，得到位置偏差θ_e；

将位置偏差值θ_e输入到速度位置双闭环嵌套分级伺服控制模块；速度位置双闭环嵌套分级伺服控制模块判断θ_e与设定值A的大小，根据判断结果进入小位置控制环或者速度控制环进行调节，最终采用小位置伺服控制算法进行伺服调节并输出相应控制量给伺服阀，从而驱动液压缸控制运动。

作为进一步的技术方案，当θ_e＜δ时，输入给伺服阀的控制量为：

否则输入给伺服阀的控制量为：

其中，δ为设定的界限值，e_k为当前的角度偏差；

为偏差累积值；Kp₀、Kp₁代表不同的比例系数,Ki₀、Ki₁代表不同的积分系数，Kd₀、Kd₁代表不同的微分系数。

作为进一步的技术方案，所述的速度位置双闭环嵌套分级伺服控制模块的控制方法如下：

根据得到的位置偏差θ_e进行判断，若位置偏差θ_e＞A，则直接进入速度伺服控制环进行大位置伺服，机械臂以设定的速度进行运动；若初始位置偏差|θ_e|＜A，则关闭速度伺服控制环，直接进入位置环，实现小位置伺服；其中，A是一个正值，根据实际情况进行确定。

作为进一步的技术方案，对机械臂运动速度进行分级设置，初始时，机械臂速度由0匀加速，然后中间过程保持匀速运动，将要接近设定值时开始匀减速，当机械臂运行到接近设定值时，即|θ_e|＜A，关闭速度伺服控制环，直接进入位置环，实现小位置伺服。

作为进一步的技术方案，机械臂速度伺服控制环中的速度梯形分级设置如下：

第一段：闭环匀加速运动；

第二段：闭环匀速运动；

第三段：开环匀速运动；

第四段：闭环匀速运动；

第五段：闭环匀减速运动。

作为进一步的技术方案，所述的小位置伺服控制方法，在每一个伺服控制周期t内，速度伺服控制环给定的速度是v，当伺服周期t的取值小于2ms时，内环小位置伺服控制环得到一个给定的微小位移量S，其中S＝v×t；位置传感器返回一个当前位置值S₀，从而得到小位置伺服的偏差信号Δ_s,其中：Δ_s＝|S-S₀|；此时采用位置式PID算法进行小位置伺服控制。

第二方面，本发明还提供了一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制系统，包括：

采集模块，被配置为实时采集安装在液压机械臂上的绝对式位置编码器的位置数据θ_o；

第一计算模块，被配置为计算采集的位置数据θ_o与设定位置数据θ_r的差值，得到位置偏差θ_e；

双闭环嵌套分级伺服控制模块，被配置为获取位置偏差值θ_e，且判断θ_e与设定值A的关系，根据不同关系进入其速度伺服控制环单元或小位置伺服控制环单元；小位置伺服控制环单元，被配置为调节控制量，且输出控制量给伺服阀，从而驱动液压缸控制运动。

作为进一步的技术方案，所述的双闭环嵌套分级伺服控制模块，包括：

比较单元，其被配置为对位置偏差θ_e进行判断，若位置偏差θ_e＞A，则将位置偏差θ_e送入速度伺服控制环单元；若初始位置偏差|θ_e|＜A，则将位置偏差θ_e送入小位置伺服控制模块；其中，A是一个正值；

速度伺服控制环单元：与比较单元相连，其控制机械臂以设定的速度进行运动，实现大位置伺服，同时对运动速度进行分级控制，直到初始位置偏差|θ_e|接近A；

小位置伺服控制环单元：与比较单元相连，其实现机械臂小位置伺服。

作为进一步的技术方案，所述的速度伺服控制环单元包括依次分段设置的闭环匀加速运动段、闭环匀速运动段、开环匀速运动段、闭环匀速运动段和闭环匀减速运动段。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明将速度伺服控制环伺服和位置环伺服相结合，形成速度位置双闭环伺服形式，并根据偏差大小自动实现进入何种闭环，同时速度闭环的同时又将速度进行分级，使速度变化呈现梯形变化，使液压机械臂可以平稳的加速或减速运动，避免运动过程中出现时快时慢或是伺服结束时出现超调和震荡等问题。

闭环过程中直接进行PID分段调节，对Kp₀,Kp₁,Ki₀,Ki₁,Kd₀,Kd₁，即比例，积分，微分参数进行调整，即同一PID控制回路提供两套不同的P、I、D参数，两套参数分别适用于不同的波动范围，由程序根据相应波动范围自动选择对应的PID参数，这种分段式PID控制方式不仅可以快速分类处理，提高伺服响应的速度，而且不同的运动范围适应不同的参数使其在稳定性和准确性上也有明显的提高。

这种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制算法不仅提高响应速度，保证了机械臂运动过程的平稳，同时也降低超调，提高定位的精度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明控制算法的控制系统框图；

图2是本发明的速度位置双闭环伺服的流程图；

图3是本发明的机械臂速度伺服控制环中的速度分级设置图；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

术语解释部分:本发明中大位置伺服和小位置伺服是相对的概念，没有特指的数值。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法及系统。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法，包括以下步骤：

步骤1实时采集安装在液压机械臂上的绝对式位置编码器的位置数据θ_o；

步骤2设定位置数据θ_r，得到位置偏差θ_e；

步骤3构建速度位置双闭环嵌套分级伺服控制系统，速度伺服控制环下嵌有速度分级设置，采用带梯形速度规划算法，保证系统有适合的速度使机械臂运动平稳、可控。

步骤4采用小位置伺服控制算法进行伺服调节并输出相应控制量给伺服阀，从而驱动液压缸控制运动。

其中步骤3的图1速度位置双闭环的控制系统说明如下：控制器输入为预先给定的机械臂关节角度值θ_r；反馈信号为采集的对应机械臂关节上的绝对值编码器的角度信息θ_o；设定值与反馈值之间的偏差θ_e＝|θ_e-θ_r|进入位置速度双闭环回路，速度位置双闭环回路伺服的流程图如图2所示。然后进行PID参数调节输出控制量给伺服阀，进而驱动液压缸实现液压机械臂运动伺服。

当θ_e＜δ(δ为设定的界限值)时输入给伺服阀的控制量为：

否则输入给伺服阀的控制量为：

e_k为当前的角度偏差；

为偏差累积值；Kp是比例系数,Ki为积分系数，Kd为微分系数，同一PID控制回路提供两套不同的P、I、D参数，根据参数进行自适应调节，实现分段伺服控制，当θ_e较大时，采用第二组数据，提高响应速度，否则采用第一组数据，确保定位精度。

根据步骤3得到的图2速度位置双闭环伺服的流程图说明如下：

根据得到的位置偏差θ_e进行判断，如位置偏差θ_e数据较大，θ_e＞A(A是一个正值，根据实际情况进行确定)，则直接进入速度伺服控制环进行大位置伺服，机械臂以一定的速度进行运动，为使机械臂在伺服过程中保持平稳运动，避免运动过快或过慢等造成超调，对运动速度进行分级设置。即速度变化呈现梯形状态，速度变化如图3所示。初始时，机械臂速度由0匀加速，然后中间过程保持匀速运动，将要接近设定值时开始匀减速，当机械臂运行到接近设定值时，即|θ_e|＜A，关闭速度伺服控制环，直接进入位置环，实现小位置伺服。若初始位置偏差|θ_e|小于A，则将直接进行位置伺服。这种双闭环伺服控制方法有效的提高机械臂的伺服精度和运动过程的平稳性。

其中步骤3中图3机械臂速度伺服控制环中的速度梯形分级设置图说明如下：针对机械臂运动过程，规划机械臂的运动曲线。整个过程分为五个阶段，结合图形每一个阶段解释如下。

AB段：闭环匀加速运动。此阶段为初始进入速度伺服控制环阶段，设定一个相对比较大的速度值V0。

BC段：闭环匀速运动。此阶段机械臂由于位置式PID参数控制调节的结果，开始匀速运动，平衡稳定状态下的速度为V1，当速度稳定后进入下一个阶段。

CD段：开环匀速运动。此阶段内采用开环，提升响应速度，使机械臂能够快速运动至接近目标值，并跳转到下一个阶段。

DE段：闭环匀速运动。此阶段的作用是平滑过渡，为下一阶段的减速准备相应的伺服数据，并减缓上一阶段由于速度太快容易导致的超调问题。

EF段：闭环匀减速运动。此阶段将速度快速降低，等待进入位置环，避免由速度伺服控制环切换到位置环时由于机械臂运动速度过快而产生剧烈震荡，同时降低由于速度过快造成超调的问题。

步骤4所提到的小位置伺服控制方法，在每一个伺服控制周期t内，速度伺服控制环给定的速度是v，当t较小时，内环小位置伺服控制环得到一个给定的微小位移量S，计算式子如下式：s＝v×t

位置传感器返回一个当前位置值S₀，从而可以得到小位置伺服的偏差信号Δ_s，计算式如下式：Δ_s＝|S-S₀|

此时采用位置式PID算法进行小位置伺服控制，伺服频率设定为300-1000HZ，从而可有效减少低频波动。

此外，本实施例还提供了一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制系统，包括：

采集模块，被配置为实时采集安装在液压机械臂上的绝对式位置编码器的位置数据θ_o；

第一计算模块，被配置为计算采集的位置数据θ_o与设定位置数据θ_r的差值，得到位置偏差θ_e；

双闭环嵌套分级伺服控制模块，被配置为获取位置偏差值θ_e，且判断θ_e与设定值A的关系，根据不同关系进入其速度伺服控制环单元或小位置伺服控制环单元；小位置伺服控制环单元，被配置为调节控制量，且输出控制量给伺服阀，从而驱动液压缸控制运动。

作为进一步的技术方案，所述的双闭环嵌套分级伺服控制模块，包括：

比较单元，其被配置为对位置偏差θ_e进行判断，若位置偏差θ_e＞A，则将位置偏差θ_e送入速度伺服控制环单元；若初始位置偏差|θ_e|＜A，则将位置偏差θ_e送入小位置伺服控制模块；其中，A是一个正值；

速度伺服控制环单元：与比较单元相连，其控制机械臂以设定的速度进行运动，实现大位置伺服，同时对运动速度进行分级控制，直到初始位置偏差|θ_e|接近A；

小位置伺服控制环单元：与比较单元相连，其实现机械臂小位置伺服。

作为进一步的技术方案，所述的速度伺服控制环单元包括依次分段设置的闭环匀加速运动段、闭环匀速运动段、开环匀速运动段、闭环匀速运动段和闭环匀减速运动段。

所述的速度伺服控制环单元包括依次分段设置的闭环匀加速运动段、闭环匀速运动段、开环匀速运动段、闭环匀速运动段和闭环匀减速运动段，参见图3所示。

本发明将速度伺服控制环伺服和位置环伺服相结合，形成速度位置双闭环伺服形式，并根据偏差大小自动实现进入何种闭环，同时速度闭环的同时又将速度进行分级，使速度变化呈现梯形变化，使液压机械臂可以平稳的加速或减速运动，避免运动过程中出现时快时慢或是伺服结束时出现超调和震荡等问题。

闭环过程中直接进行PID分段调节，对Kp₀,Kp₁,Ki₀,Ki₁,Kd₀,Kd₁，即比例，积分，微分参数进行调整，即同一PID控制回路提供两套不同的P、I、D参数，两套参数分别适用于不同的波动范围，由程序根据相应波动范围自动选择对应的PID参数，这种分段式PID控制方式不仅可以快速分类处理，提高伺服响应的速度，而且不同的运动范围适应不同的参数使其在稳定性和准确性上也有明显的提高。

这种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制算法不仅提高响应速度，保证了机械臂运动过程的平稳，同时也降低超调，提高定位的精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时采集安装在液压机械臂上的绝对式位置编码器的位置数据θ₀；

计算采集的位置数据θ₀与设定位置数据θ_r的差值，得到位置偏差θ_e；

将位置偏差值θ_e输入到速度位置双闭环嵌套分级伺服控制模块；速度位置双闭环嵌套分级伺服控制模块判断θ_e与设定值A的大小，根据判断结果进入小位置伺服控制环或者速度伺服控制环进行调节，最终小位置伺服控制环进行PID参数调节输出相应控制量给伺服阀，从而驱动液压缸控制运动。

2.如权利要求1所述的多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法，其特征在于：当θ_e＜δ时，小位置伺服控制环输入给伺服阀的控制量为：

否则输入给伺服阀的控制量为：

其中，δ为设定的界限值，e_k为当前的角度偏差；

为偏差累积值；Kp₀、Kp₁代表不同的比例系数,Ki₀、Ki₁代表不同的积分系数，Kd₀、Kd₁代表不同的微分系数。

3.如权利要求1所述的多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法，其特征在于：所述的速度位置双闭环嵌套分级伺服控制模块的控制方法如下：

根据得到的位置偏差θ_e进行判断，若位置偏差θ_e＞A，则直接进入速度伺服控制环进行大位置伺服，机械臂以设定的速度进行运动，对运动速度进行分级设置，当机械臂运行到接近设定值时，即初始位置偏差|θ_e|＜A，则关闭速度伺服控制环，直接进入小位置伺服控制环，实现小位置伺服；若初始位置偏差|θ_e|小于A，则将直接进入小位置伺服控制环伺服，其中A是一个正值，根据实际情况进行确定。

4.如权利要求3所述的多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法，其特征在于：对机械臂运动速度进行分级设置时，初始时，机械臂速度由0匀加速，然后中间过程保持匀速运动，将要接近设定值时开始匀减速。

5.如权利要求4所述的多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法，其特征在于：机械臂速度伺服控制环中的速度梯形分级设置如下：

第一段：闭环匀加速运动；

第二段：闭环匀速运动；

第三段：开环匀速运动；

第四段：闭环匀速运动；

第五段：闭环匀减速运动。

6.如权利要求4所述的多层嵌套优先级高精度液压伺服控制方法，其特征在于：所述的小位置控制环的控制方法如下：

在每一个伺服控制周期t内，速度伺服控制环给定的速度是v，伺服周期t的取值小于2ms时，内环小位置伺服控制环得到一个给定的微小位移量S，其中S＝v×t；位置传感器返回一个当前位置值S₀，从而得到小位置伺服的偏差信号Δ_s,其中：Δ_s＝|S-S₀|；此时采用位置式PID算法进行小位置伺服控制。

7.一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制系统，其特征在于，包括：

采集模块，被配置为实时采集安装在液压机械臂上的绝对式位置编码器的位置数据θ₀；

第一计算模块，被配置为计算采集的位置数据θ₀与设定位置数据θ_r的差值，得到位置偏差θ_e；

双闭环嵌套分级伺服控制模块，被配置为获取位置偏差值θ_e，且判断θ_e与设定值A的关系，根据不同关系进入其速度伺服控制环单元或小位置伺服控制环单元；小位置伺服控制环模块，被配置为调节控制量，且输出控制量给伺服阀，从而驱动液压缸控制运动。

8.如权利要求7所述的一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制系统，其特征在于，所述的双闭环嵌套分级伺服控制模块，包括：

比较单元，其被配置为对位置偏差θ_e进行判断，若位置偏差θ_e＞A，则将位置偏差θ_e送入速度伺服控制环单元；若初始位置偏差|θ_e|＜A，则将位置偏差θ_e送入小位置伺服控制模块；其中，A是一个正值；

速度伺服控制环单元：与比较单元相连，其控制机械臂以设定的速度进行运动，实现大位置伺服，同时对运动速度进行分级控制，直到初始位置偏差|θ_e|接近A；

小位置伺服控制环单元：与比较单元相连，其实现机械臂小位置伺服。

9.如权利要求8所述的一种多层嵌套优先级高精度液压伺服控制系统，其特征在于，所述的速度伺服控制环单元包括依次分段设置的闭环匀加速运动段、闭环匀速运动段、开环匀速运动段、闭环匀速运动段和闭环匀减速运动段。

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