用于伺服系统力矩环的图形免调试方法及装置

技术领域

本申请涉及电机控制技术领域，例如涉及一种用于伺服系统力矩环的图形免调试方法及装置。

背景技术

在伺服工业系统中，被控对象种类繁多，不同电机参数不同，不同应用场合要求的动态性能亦不相同，默认参数无法满足用户的性能要求，因此新安装的伺服驱动需要进行一系列的控制器参数调整。为了免去繁琐的人工调试环节，伺服系统参数免调试技术应运而生。目前，主流的驱动器免调试方法大多采用以Ziegler-Nichols法为主导的规则法时域整定，时域判据往往需注入一系列阶跃、正弦、方波等等预设定的轨迹，根据相应波形完成控制参数的整定。

在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：

首先，通过依赖特殊轨迹实现控制器设计，会降低算法的适用场合；

其次，如果只依据固定目标整定，会导致用户无法根据实际需求设计参数。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

本公开实施例提供了一种用于伺服系统力矩环的图形免调试方法及装置、计算设备及存储介质，能够实现力矩模式下的控制器参数整定，以提升系统整定方法的自动化和智能化，解决传统整定轨迹复杂的问题，提高整定方法的适用范围。

在一些实施例中，所述用于伺服系统力矩环的图形免调试方法，包括：

获取已构建完成的力矩控制系统的稳定裕度指标和带宽指标；

根据所述稳定裕度指标和带宽指标，建立所述力矩控制系统的图形化稳定边界和带宽判定曲线；

通过逼近所述图形稳定边界确定力矩控制器参数，根据所述带宽判定曲线调节控制器刚度；

重复迭代修正所述力矩控制器参数，直至达到设定带宽或设定的极限控制器参数。

在一些实施例中，所述用于伺服系统力矩环的图形免调试装置，包括：

指标获取模块，被配置为获取已构建完成的力矩控制系统的稳定裕度指标和带宽指标；

边界和曲线模块，被配置为根据所述稳定裕度指标和带宽指标，建立所述力矩控制系统的图形化稳定边界和带宽判定曲线；

参数调节模块，被配置为通过逼近所述图形稳定边界确定力矩控制器参数，根据所述带宽判定曲线调节控制器刚度；

重复迭代模块，被配置为重复迭代修正所述力矩控制器参数，直至达到设定带宽或设定的极限控制器参数。

在一些实施例中，所述计算设备，包括处理器和存储有程序指令的存储器，所述处理器被配置为在运行所述程序指令时，执行如本申请所述的用于伺服系统力矩环的图形免调试方法。

在一些实施例中，所述种存储介质，存储有程序指令，所述程序指令在运行时，执行如本申请所述的用于伺服系统力矩环的图形免调试方法。

本公开实施例提供的用于伺服系统力矩环的图形免调试方法及装置、计算设备及存储介质，可以实现以下技术效果：

通过构建系统的图形化稳定边界和带宽指标曲线，并设计了自动化逼近方法和修正方法，实现了无需运行任何轨迹，可根据用户需求输入系统性能目标的图形免调试方法，该方法弥补了传统整定算法的缺失，提升了算法的兼容性与智能化程度，无轨迹整定方法有效的缩短了整定时间，并为控制系统提供更好的保护。

以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1是本公开实施例提供的一个用于力矩模式下控制器参数整定方法的示意图；

图2是本公开实施例提供的另一个用于力矩模式下控制器参数整定方法的示意图；

图3是本公开实施例提供的另一个用于力矩模式下控制器参数整定方法的示意图；

图4是本公开实施例提供的另一个用于力矩模式下控制器参数整定方法的示意图；

图5是本公开实施例提供的一个图形免调试性能边界示意图；

图6是本公开实施例提供的一个图形免调试设计流程；

图7是本公开实施例提供的一个用于力矩模式的图形免调试示意图；

图8是本公开实施例提供的一个计算设备的示意图；

图9是本公开实施例提供的一个用于力矩模式下控制器参数整定最终的示意图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。

术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

术语“对应”可以指的是一种关联关系或绑定关系，A与B相对应指的是A与B之间是一种关联关系或绑定关系。

结合图1所示，本公开实施例提供一种用于伺服系统力矩环的图形免调试方法，包括：

步骤101：获取已构建完成的力矩控制系统的稳定裕度指标和带宽指标。

步骤102：根据所述稳定裕度指标和带宽指标，建立所述力矩控制系统的图形化稳定边界和带宽判定曲线。

步骤103：通过逼近所述图形稳定边界确定力矩控制器参数，根据所述带宽判定曲线调节控制器刚度。

步骤104：重复迭代修正所述力矩控制器参数，直至达到设定带宽或设定的极限控制器参数。

采用本公开实施例提供的用于伺服系统力矩环的图形免调试方法，通过构建系统的图形化稳定边界和带宽指标曲线，并设计了自动化逼近方法和修正方法，实现了无需运行任何轨迹，可根据用户需求输入系统性能目标的图形免调试方法，该方法弥补了传统整定算法的缺失，提升了算法的兼容性与智能化程度，无轨迹整定方法有效的缩短了整定时间，并为控制系统提供更好的保护。

可选地，结合图2所示，所述力矩控制系统的模型参数的构建过程，包括：

步骤201：建立所述力矩控制系统的控制对象的传递函数P(s)。

步骤202：建立所述力矩控制系统的控制器的传递函数C(s)。

步骤203：根据所述传递函数P(s)与所述传递函数C(s)，按照如下公式确定所述系统参数模型的开环传递函数L(s)：

L(s)＝C(s)P(s)

其中，s为拉普拉斯变换因子。

在本申请实施例中，所述控制对象包括具有驱动电机和逆变器的机电一体化系统，结合图3所示，所述建立所述力矩控制系统的控制对象的传递函数P(s)，包括：

步骤301：注入电压获取所述驱动电机的阻感参数，以及由于系统离散运算和信号传递造成的系统延时。

步骤302：根据所述阻感参数和系统延时，按照如下公式建立所述传递函数P(s)：

其中，L为驱动电机的定子电感，R为驱动电机的定子电阻，T

在本申请实施例中，力矩控制系统的控制器包括由比例积分控制器和二阶低通滤波器，比例积分控制器用于对系统的，二阶低通滤波器用于对双环伺服系统运行过程中的噪声进行抑制。

可选地，所述建立所述力矩控制系统的控制器的传递函数C(s)，包括：

获取所述比例积分控制器的传递函数G

根据所述比例积分控制器的传递函数G

其中，K

在实际应用中，控制器所需参数皆由本申请提供的图形免调试方法获得。

这样，通过获取电流环延时传递函数，可以将受离散控制的影响因素纳入计算考虑，使得公式更符合实际运行工况，从而提高了后续数据推导的准确性。

在本申请的实施例中，用户可设置所需的性能指标，并在Nichols图中形成性能边界，常见的性能指标包括鲁棒稳定性指标、抗干扰性指标和参考跟踪指标。

可选地，结合图4所示，根据所述稳定裕度指标和带宽指标，建立所述力矩控制系统的图形化稳定边界和带宽判定曲线，包括：

步骤401：根据所述稳定裕度指标和带宽指标，建立力矩控制系统的闭环幅值指标。

步骤402：根据所述闭环幅值指标，在尼柯尔斯Nichols图上建立所述力矩控制系统的图形化稳定边界和带宽判定曲线。

可选地，根据系统参数模型，确定力矩控制系统的稳定裕度指标和带宽指标，包括系统相位裕度γ和系统闭环带宽ω

进一步地，根据设定的指标，包括相位裕度γ和系统闭环带宽ω

可选地，为保证系统的鲁棒性，最直接的系统鲁棒稳定性指标为系统的闭环谐振峰值，照如下公式确定力矩控制系统的闭环谐振峰值Mr：

其中，M

进一步地，力矩控制系统的闭环传递函数幅值和开环传递函数幅值和相角的关系可按照如下公式计算获得：

其中，A(ω)为开环的幅值，θ(ω)为开环的相角。

进一步地，根据闭环幅值表达式，控制系统的图形化稳定边界表达式为：

其中A

在本申请的实施例中，将系统相位裕度γ设为系统鲁棒稳定性指标，为将其表示为可通过谐振峰值M

其中，γ为设定的系统相位裕度，ω

在实际应用中，一般将系统鲁棒稳定性指标相位裕度γ设定在40°～60°。本申请对此不作具体限定，用户在应用中可根据实际性能需要调节鲁棒指标大小。

在本公开实施例中，力矩控制系统的参考跟踪指标设置为闭环带宽ω

M(ω

进一步地，根据闭环带宽表达式，按照如下公式计算带宽处的系统开环幅值相角：

在本公开实施例中，该A-θ曲线作为参考跟踪指标表示在Nichols图中。作为控制器整定的重要参考，在实际应用中，一般闭环带宽ω

本公开实施例提供一个图形免调试性能边界示意图，如图5所示，图中示例对应的性能指标设置为相位裕度γ＝50°，闭环带宽ωb＝2000Hz，进而可以计算得到允许最大谐振峰值Mr＝1.183dB，该值代入控制系统的图形化稳定边界表达式，以建立封闭的图形约束。

在一些实施例中，通过逼近所述的图形稳定边界确立力矩控制器参数，包括：电流环比例增益K

结合图6所示，通过逼近所述图形稳定边界确定力矩控制器参数，根据所述带宽判定曲线调节控制器刚度，包括：

通过逼近所述图形稳定边界，获取所述力矩控制器参数的初始值；

根据鲁棒稳定性指标，修正所述力矩控制器参数；

根据抗干扰性指标，修正所述力矩控制器参数；

设计滤波器的带宽。

在完成控制系统建模和图形稳定边界和带宽曲线建立后，本公开实施例提供一种图形免调试方法。

首先设计为控制器初值确定。可选地，结合图7所示，通过逼近所述图形稳定边界，获取所述力矩控制器参数的初始值，包括：

步骤701：控制器设计为纯比例控制器，并将力矩控制系统逼近设置的稳定边界，获取可接受的比例增益最大值K

步骤702：采用比例积分控制力矩控制器，并设置控制器的比例增益

K

步骤703：设置图形逼近搜寻积分常数K

该方法利用封闭的稳定边界，便于图形逼近方法的实施。然后为满足系统设定的相位裕度和带宽指标，设计了一系列的修正方法，该方法以系统实现的相位裕度和带宽指标与设定目标相对比，并不断迭代修正系统的控制器参数以完成系统性能设计。

由于系统带宽指标由于不同系统特性取值并不相同，无法给出一个合适的带宽取值范围，因此该指标存在过度设计的风险。相比之下，相位裕度指标是有着可指导的取值范围，且本公开实施例将系统的稳定性和安全性作为控制器设计的第一准则，因此该修正流程是以满足稳定裕度的情况下根据用户设定的带宽指标修正控制器参数。在满足系统设定的稳定边界的情况下，通过设定的带宽边界和设定的带宽指标进行对比，并通过不断迭代修正控制器直到达到目标值。该迭代过程如图6所示。

为避免用户定义的带宽指标的不合理性，本文以在控制器初值确定时获得的比例增益最大值K

可选的，在实际工程应用中，可设定指标：相位裕度γ在40°～60°，带宽ω

可选的，可根据系统要求设置前向通道低通滤波器带宽ω

这样，通过建立所述力矩控制系统的图形化稳定边界和带宽曲线，并通过逼近所述的图形稳定边界确立力矩控制器参数，从而实现了无需运行任何轨迹，可根据用户需求输入系统性能目标的图形免调试方法，该方法弥补了传统整定算法的缺失，提升了算法的兼容性与智能化程度，无轨迹整定方法有效的缩短了整定时间，并为控制系统提供更好的保护。

结合图8所示，本公开实施例提供一种用于伺服系统力矩环的图形免调试装置，包括：

指标获取模块801，被配置为获取已构建完成的力矩控制系统的稳定裕度指标和带宽指标；

边界和曲线模块802，被配置为根据所述稳定裕度指标和带宽指标，建立所述力矩控制系统的图形化稳定边界和带宽判定曲线；

参数调节模块803，被配置为通过逼近所述图形稳定边界确定力矩控制器参数，根据所述带宽判定曲线调节控制器刚度；

重复迭代模块804，被配置为重复迭代修正所述力矩控制器参数，直至达到设定带宽或设定的极限控制器参数。

采用本公开实施例提供的用于伺服系统力矩环的图形免调试装置，通过构建系统的图形化稳定边界和带宽指标曲线，并设计了自动化逼近方法和修正方法，实现了无需运行任何轨迹，可根据用户需求输入系统性能目标的图形免调试方法，该方法弥补了传统整定算法的缺失，提升了算法的兼容性与智能化程度，无轨迹整定方法有效的缩短了整定时间，并为控制系统提供更好的保护。

结合图9所示，本公开实施例提供一种计算设备，包括处理器(processor)900和存储器(memory)901。可选地，该装置还可以包括通信接口(Communication Interface)902和总线903。其中，处理器900、通信接口902、存储器901可以通过总线903完成相互间的通信。通信接口902可以用于信息传输。处理器900可以调用存储器901中的逻辑指令，以执行上述实施例的用于伺服系统力矩环的图形免调试方法。

此外，上述的存储器901中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

存储器901作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令/模块。处理器900通过运行存储在存储器901中的程序指令/模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中用于伺服系统力矩环的图形免调试方法。

存储器901可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器901可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。

本公开实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行上述用于伺服系统力矩环的图形免调试方法。

上述的计算机可读存储介质可以是暂态计算机可读存储介质，也可以是非暂态计算机可读存储介质。

本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括一个或多个指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质可以是非暂态存储介质，包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。

以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。而且，本申请中使用的用词仅用于描述实施例并且不用于限制权利要求。如在实施例以及权利要求的描述中使用的，除非上下文清楚地表明，否则单数形式的“一个”(a)、“一个”(an)和“所述”(the)旨在同样包括复数形式。类似地，如在本申请中所使用的术语“和/或”是指包含一个或一个以上相关联的列出的任何以及所有可能的组合。另外，当用于本申请中时，术语“包括”(comprise)及其变型“包括”(comprises)和/或包括(comprising)等指陈述的特征、整体、步骤、操作、元素，和/或组件的存在，但不排除一个或一个以上其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或这些的分组的存在或添加。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中，每个实施例重点说明的可以是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分可以互相参见。对于实施例公开的方法、产品等而言，如果其与实施例公开的方法部分相对应，那么相关之处可以参见方法部分的描述。

本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，可以取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。所述技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法以实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开实施例的范围。所述技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本文所披露的实施例中，所揭露的方法、产品(包括但不限于装置、设备等)，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，可以仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例。另外，在本公开实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。在附图中的流程图和框图所对应的描述中，不同的方框所对应的操作或步骤也可以以不同于描述中所披露的顺序发生，有时不同的操作或步骤之间不存在特定的顺序。例如，两个连续的操作或步骤实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。