基本介紹
- 中文名：多軸同步控制
- 外文名：multi-axis synchronous control
- 別稱：多軸系統同步控制
- 領域：自動化控制
- 同步方法：機械方式和電氣方式
- 控制策略：主令參考式同步、主從式同步等
同步控制,多軸同步協調運動的常用方法,機械式同步,電氣式同步,多軸同步控制策略,主令參考式同步,主從式同步,交叉耦合式同步,偏差耦合式同步,虛擬主軸同步,多軸同步控制算法,常規 PID 控制,智慧型控制技術簡介,
同步控制
所謂同步控制，就是一個坐標的運動指令能夠驅動兩個電動機同時運行，通過對這兩個電動機移動量的檢測，將位移偏差反饋到數控系統獲得同步誤差補償。其目的是將主、從兩個電動機之間的位移偏差量控制在一個允許的範圍內。同步控制一般可分為以下幾類。
1）系統中各軸的運動速度或位移量在瞬態或穩態都能夠保持同步，這是通常狹義上對於同步的理解，也是最為簡單的一類。以常見的雙軸系統為例，該種情況下角位移同步誤差 Δθ 可由以下公式求得：
其中，
、
、
、
分別為運動軸 1 和 2 的角位移和角速度。由上式可知，若在某個階段Δω 始終為零，則 Δθ 也為零。但假設系統因為外界干擾等原因導致 Δθ 發生變化，為消除該同步誤差，必然要求兩個軸以不同的速度運動，從而使得 Δω 偏離零點，即產生速度同步誤差。由此可見，雖然多數情況下系統的位置同步需要有速度同步作為前提保障，但在某些時刻，為了實現位置同步，就必須犧牲一定的速度同步性能，此時兩者呈現出相互制約的關係。
2）多軸系統中的各運動軸以一定的比例關係運行。在實際套用中，並非所有場合都需要每個軸以相同速度運動。更一般的情況是要求各運動軸相互協調運行。假設系統中運動軸 1、2的輸出角速度為
、
，那么此時它們應當保持如下關係：
式中，a 即為速度同步係數，通過對該係數的設定與修改，便可實現系統在各種不同場合下的同步運動，這是廣義上的同步概念。
3）另外，還存在一種較為特殊的同步類型，它要求運動軸之間的輸出速度保持一個恆定差值。該種同步在機器人控制、數控設備等領域的套用中較為常見。
多軸同步協調運動的常用方法
保證多軸同步協調運動的常用方法主要分為兩大類：機械方式和電氣方式。
機械式同步
機械式同步出現較早，它主要通過在運動軸之間添加物理連線來實現。該方法往往使用一台大功率電機作為動力來源，並通過齒輪、鏈條、皮帶等機械結構實現能量的傳遞。改變這些機械環節的特性，就可以使整個系統的傳動比、轉速等參數產生相應變化。在工作時，如果某個從運動軸的負載受到擾動，該擾動將會通過機械環節傳遞給主軸，從而改變主軸的輸出。由於主軸和從軸之間均存在機械連線，因此其它從動軸的輸出也會發生相應變化，從而起到同步控制的效果。
從機械式同步控制方法的實現原理可知，該方法具有原理簡單、易於實現等優點，但同時也存在以下不足：
1）由於機械式同步一般只使用單一的動力元件，導致各從軸所分配到的功率相對較小，限制了它們帶動負載的能力；
2）機械同步系統中的傳動環節一般採用接觸式連線，工作時所產生的摩擦不僅會造成能量的損耗，還會磨損傳動零部件，影響同步性能，縮短系統使用壽命，不利於維護保養；
3）由於採用機械式連線，該種同步方法的結構比較固定，參數不易調節。若需要對其做出修改，則必須增加或者移去某些機械零部件，操作較為繁瑣。另外機械連線也會受到系統結構尺寸的限制，難以實現遠距離同步控制。
電氣式同步
隨著科技的進步，尤其是伺服數控技術的迅速發展，科研人員提出了電氣式同步控制方法，有效解決了機械式同步所存在的問題。電氣式同步控制主要由一個核心控制器以及與其相連的若干個子單元組成，每個子單元都有一個獨立電機來驅動對應運動軸。設計人員通過編寫相應程式，使得各子單元在核心控制器的協調下工作，保證運動軸的同步運行。由於每個軸都由單獨的電機驅動，因此該種方法帶動負載的能力有了顯著提高，且簡化了設備機械結構，能夠實現精度更高，同步性更好的控制。電氣式同步涉及到了很多學科的綜合知識，具有巨大的發展前景，可以在各個領域內廣泛套用。
多軸同步控制策略
對於電氣式同步中所使用的控制策略，一般可分為非耦合式與耦合式兩大類。常見的同步策略主要有以下幾種。
主令參考式同步
主令參考式同步又稱並行式同步，它是最簡單直觀的一種同步策略，其結構如圖 1。在該方案中，所有運動控制器的輸入來自於同一個信號，即主令參考信號 ω*。每個運動軸在該信號的控制下並行工作，互不相干。若其中一個軸受到擾動，由此產生的同步誤差只能通過該軸自身的調節來減小，其它軸並不會對其做出回響。由此可見，這種同步方式對於運動軸自身的跟隨性能有較高要求，且僅適用於受干擾較少的場合。
圖 1 主令參考式同步
圖 1 主令參考式同步主從式同步
主從式同步方案將運動軸劃分成主軸和從軸，如圖 2。其中從軸的參考輸入信號來自於主軸輸出。由此可知，一旦主運動軸因負載擾動而改變速度，從軸可以對其做出相應的調節，以此來減小同步誤差。但是，當從運動軸受到擾動時，主軸卻不會對其有任何回響，導致同步誤差得不到及時修正。與此同時，這種主從模式也會導致從軸的運動在時間上滯後於主軸，因此存在一定局限性。
圖 2 主從式同步
圖 2 主從式同步交叉耦合式同步
雖然上述兩種同步方案結構簡單且容易實現，但在協調控制性能上仍存在缺陷，無法套用於一些同步要求較高的場合。為解決這一問題，Koren 在隨後的研究中提出了基於交叉耦合控制的同步方案，並將其套用於雙運動軸平台的控制中。其結構如圖3所示。當系統出現同步誤差時，該方案可對兩軸分別進行補償，從而對誤差起到良好的抑制作用。該方法引入通過誤差反饋的思想，在各運動軸之間建立了耦合關係，因此相比非耦契約步方案能夠實現更好的同步控制性能。但其缺點在於不適用於運動軸數大於二軸的系統。
圖 3 交叉耦合式同步
圖 3 交叉耦合式同步偏差耦合式同步
偏差耦契約步方案由 Perez-Pinal 等人提出。該方案對交叉耦合控制進行了擴展，能夠根據同步情況，動態的分配各軸的速度補償信號。如圖 4 所示，該方案主要由信號混合模組、信號分離模組和速度補償器組成，其中，ω*為參考角速度信號，
（n=1,2,3…）分別為各運動軸輸出角速度。在運行時，首先由補償器求出所控制的運動軸與其它軸的轉速差，然後將其經過補償算法處理後相加，作為該軸的轉速補償信號 
。由於偏差耦合方案把所有運動軸之間的偏差值作為補償輸入量，保證了每個軸都可得到足夠的同步誤差信息，使得各軸均能夠根據自身及其它軸的運動情況進行同步調節，因此具有較好的同步性能。
圖 4 偏差耦合式同步
圖 4 偏差耦合式同步虛擬主軸同步
虛擬主軸的控制理念最初由 Robert D. Lorenz 中提出，當時的名稱為相對剛度運動控制。該方案在主從式同步的基礎上，將從軸驅動力矩反饋至主軸控制迴路中，實現了主軸與從軸之間控制信號的耦合反饋。隨後，Kevin Payette 明確提出了虛擬主軸的概念，通過模擬機械主軸式同步方案的特性，為反饋力矩賦予了物理意義，在各運動軸間建立了聯繫。不同於參數相對固定的傳統機械式同步，虛擬主軸方案中大多數參數均可以在程式中自由設定，因此具有很好的靈活性，可以通過不斷調節它們的數值來實現良好的同步控制性能。
多軸同步控制算法
很多控制方法已經被套用於多軸同步控制策略中，其中，最為常見的是傳統 PID 控制，由於它具有簡明的工作原理、意義明確的控制參數，並且在大多數控制套用中能夠取得很好的效果，因此得到了廣泛套用。對於智慧型控制方法，如模糊控制、神經網路、滑膜變結構控制等，也在同步控制領域內受到越來越多的關注。
常規 PID 控制
按偏差信號的比例、積分、微分（PID）進行控制是歷史最久、使用最普遍的控制方式。雖然有越來越多的新型控制方式隨著技術進步而被提出，但在實際控制套用中，仍有超過90%的場合會使用傳統 PID 控制。
在 PID 控制器中，比例環節的輸出正比於偏差信號，用於消除偏差；積分環的節輸出正比於偏差積分值信號，用於消除系統靜態誤差；微分環節的輸出正比於偏差變化率的信號，用於加快調節速率，縮短過渡時間，減少系統超調。如果對這三個環節進行適當組合，就可獲得快速、準確、平穩的控制效果。設計 PID 控制器的關鍵問題在於如何對比例、積分、微分係數進行整定。
PID 控制實際是一種線性控制規律，同時也具有傳統控制理論的缺點，因此僅在控制簡單的線性單變數系統時有較好效果。對於多變數、非線性、強耦合的複雜系統，由於其運行情況多變，且系統參數具有時變性，如果對其使用 PID 控制，則難以獲得合適的控制參數。因此，對於先進智慧型控制技術的研究和套用，不斷提高改善系統穩態精度、動態回響能力、抗干擾性以及對參數變化的自適應性是一個必然趨勢。
智慧型控制技術簡介
模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變數和模糊邏輯推理為數學基礎的控制方法。由於該方法不需要依靠準確的數學模型，因此在複雜系統的控制中可以得到較好套用。在模糊控制中，知識的表述、模糊規則以及合成推理均是基於操作者經驗或專家知識的。作為模糊控制的核心，模糊控制器主要通過計算機系統實現，因此它具有計算機控制的特點，對於被控對象所受擾動具有出色的抑制能力。
神經網路是根據大量神經元按照某種拓撲結構學習和調整的控制方法，具有並行計算、分布存儲、結構可變、高容錯性、自我組織、自學習等特點。雖然該方法不善於表達顯式知識，但對於非線性函式卻具有很強的逼近能力，適用於對任意複雜對象，特別是單輸入多輸出以及多輸入多輸出系統的控制。同時，神經網路還可以與傳統 PID 組合使用，發揮其自學習的特點，線上對 PID 參數進行整定，以實現更好的控制效果。
滑模變結構控制作為一種新型控制方法，同樣能夠在系統準確模型未知的情況下實現良好控制。在工作時，該方法只需要獲得系統參數及外界干擾的大致變化範圍，具有解耦、降階控制的能力，使系統同時具備良好的動態和靜態特性。該種控制方法的主要缺陷在於系統狀態軌跡將不可避免的在滑模開關線兩側來回穿越，導致控制過程出現抖振現象。
