生成電機控制致動器的軌跡的方法技術

方法為受到動力學、加速度和速度約束的電機控制致動器生成軌跡。方法對具有動力學、加速度和速度約束求解約束最優控制問題。電機控制問題被使用基于數值最優結果的能量成本函數公式化為最優控制問題。獲得針對最優控制問題的無約束情況的兩點邊界值問題（TBVP）的解。能量效率電機控制軌跡生成解法被設計為用于實時能量效率軌跡生成。解法將與狀態和加速度約束最優控制問題關聯的不同多點邊界值問題（MBVP）轉換為具有更新的邊界條件的TBVP的迭代解。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】【專利摘要】方法為受到動力學、加速度和速度約束的電機控制致動器生成軌跡。方法對具有動力學、加速度和速度約束求解約束最優控制問題。電機控制問題被使用基于數值最優結果的能量成本函數公式化為最優控制問題。獲得針對最優控制問題的無約束情況的兩點邊界值問題（TBVP）的解。能量效率電機控制軌跡生成解法被設計為用于實時能量效率軌跡生成。解法將與狀態和加速度約束最優控制問題關聯的不同多點邊界值問題（MBVP）轉換為具有更新的邊界條件的TBVP的迭代解。【專利說明】
本專利技術一般地涉及控制電氣電機，并且更具體地涉及生成受到動力學約束、加速度約束和速度約束的電機控制致動器的軌跡。
技術介紹
在各種定位應用(例如，單軸定位和多軸定位)中使用運動控制系統。例如，簡單的單軸定位運動控制系統通常包括傳感器、控制器、放大器和致動器電機。致動器遵循受到狀態和控制約束(即，動力學、加速度、速度約束)的預定軌跡。能夠對致動器的軌跡進行設計以減少由于電機引起的振動。對于兩個電機控制情況，圖1A-1C和圖2A-2C示出了分別用于位置、速度和控制輸入的最優現有技術時間分布。在第一種情況下，加速度約束始終是激活的，而在第二種情況中，速度約束在速度分布的惰行部分中處于飽和，并且加速度約束在速度分布的其它部分中是激活的。顯而易見的是，當為了最小化時間而對控制進行優化時，控制輸入約束較大的變化，這是能量低效的。雖然最小時間電機控制器為每個運動生成最快的軌跡，但是對于復雜的處理來說，如果生產的瓶頸是由于其它較慢的處理(例如，材料處理)，則最小時間控制器可能對于改進整體生產率來說是沒有幫助的。例如，如果工件在以后不會進行進一步的處理，則使用能量將工件快速移動到下一狀態是沒有優點的。對于這樣的系統，由于控制器并不是能量最優的，因此最小時間控制器不僅是不必要的，而且是低效的。此外，工廠的效率不僅取決于生產率，而且取決于諸如能耗的其它成本。通常利用生產率與能耗之間的某種權衡來產生最大效率。因此，嚴格的最小時間控制器雖然在某些情況下是有用的，但是總體上沒有增加效率，并且對于最優電機控制應該考慮通過放松時間約束來最小化能耗。最優控制理論最優控制處理為系統找到控制規則使得實現某種最優標準的問題。控制問題包括狀態和控制變量的成本函數。最優控制需要滿足描述最小化成本函數的控制變量的路徑的一組微分方程。針對最優控制理論的蓬特里亞金的最小化原則確定用于將動力學系統從一個狀態轉變到另一狀態的最優可能控制，特別是在存在對于狀態或控制輸入的約束的情況下。最優控制理論提供了下述系統方式，其用于確定針對最小化受到各種約束(包括動力學約束、邊界條件(BC)、狀態約束、控制約束和路徑約束)的特定成本函數(例如，時間和能量)的問題的最優解。因此，能夠將高能量效率電機控制問題作為最優控制問題來處理。如果最優解包含多個部分，則能夠通過求解兩點邊界值問題(TBVP)或多點邊界值問題(MBVP)來獲得最優控制。這通常在控制或狀態約束是激活狀態時發生。對于最小時間電機控制問題，能夠解析地獲得最優解。這樣的解析解形成了很多最小時間電機控制器的基礎。然而，對于節能最優控制問題，對應的TBVP和MBVP難以求解，并且不容易獲得任何解析解。現有的用于求解TBVP和MBVP的間接方法(包括單一打靶法(SSM)和多打靶法(MSM))對于實時運動控制應用來說在計算上是復雜的。此外，這些方法的收斂通常得不到保證，并且依賴于方法中某些關鍵參數的初始猜想。因此，由于計算復雜的問題和可靠性問題，現有的用于求解TBVP和MBVP的方法難以用于電機控制應用中的實時高能量效率軌跡生成。直接轉寫法(直接方法)提供了用于解決最優控制問題的替選方式。與打靶方法類似地，直接方法的收斂得不到保證。包括贗譜法和網格細化法的當前直接方法的總和評估示出了直接方法不能夠提供實時的電機控制。因此，已知的方法對于節能電機控制的實時應用來說在計算效率和可靠性方面都是不夠的。由于這些困難，需要一種為電機控制生成高能量效率基準軌跡的方法。這樣的方法應該對于實時電機控制應用來說在計算上是高效的，并且應該是可靠的。還想要的是，這樣的方法提供了針對不同應用調整執行時間與節能之間的權衡的能力。
技術實現思路
本專利技術的實施方式提供了一種為受到動力學、加速度和速度約束的電機控制致動器生成軌跡的方法。該方法考慮了由于電機的阻力損耗和機械功導致的電機運動控制系統的能耗。電機運動控制軌跡生成問題被公式化為具有包括動力學、加速度和速度約束的不同約束的最優控制問題。本專利技術使用電機控制的無約束情況的解析解來使用迭代處理搜索有約束情況的最優解。使用最優控制術語，這樣的方法對應于通過迭代地求解兩點邊界值問題(TBVP)直到達到終止條件來求解多點邊界值問題(MBVP )。例如，終止條件是滿足諸如速度和加速度的與解相關的所有約束。由于解析解的評估在計算上是高效的，因此，能夠快速地求解MBVP問題。提供了特殊的方法以確保保證迭代處理收斂到最優解。【專利附圖】【附圖說明】圖1A-1C分別是針對沒有速度飽和的情況的現有技術的時間最優電機控制位置、速度和控制輸入分布的曲線圖；圖2A-2C分別是針對速度飽和的情況的現有技術的時間最優電機控制位置、速度和控制輸入分布的曲線圖；圖3是根據本專利技術的實施方式的用于生成受到加速度和速度約束的電機控制致動器的軌跡的方法的流程圖；圖4是根據本專利技術的實施方式的當加速度約束飽和時的速度分布的曲線圖；圖5是根據本專利技術的實施方式的用于加速度約束的切換時間估計的兩個后續更新的曲線圖；圖6是根據本專利技術的實施方式的用于生成受到加速度約束的電機控制致動器的軌跡的方法的流程圖；圖7是根據本專利技術的實施方式的當速度和加速度約束激活時的能量最優速度分布的切換時間的曲線圖；圖8是根據本專利技術的實施方式的用于生成受到速度約束的電機控制致動器的軌跡的方法的流程圖；圖9是根據本專利技術的實施方式的最優速度解中當速度約束激活時兩個不同最優控制問題之間的部分等價性的曲線圖；圖10A-10C分別是根據本專利技術的實施方式的針對不具有激活的加速度或速度約束的能量效率電機控制位置、速度和控制輸入分布的曲線圖；圖11A-11C分別是根據本專利技術的實施方式的針對具有激活的加速度約束的高能量效率電機控制位置、速度和控制輸入分布的曲線圖；以及圖12A-12C分別是根據本專利技術的實施方式的針對具有加速度和速度約束的情況的高能量效率電機控制位置、速度和控制輸入分布的曲線圖。【具體實施方式】圖3示出了根據本專利技術的實施方式的用于生成受到加速度和速度約束的電機控制致動器的軌跡的方法的流程圖。該方法可以在如現有技術中已知的那樣連接到存儲器和輸入輸出接口的處理器300中執行。方法考慮由于電機的阻力損耗和機械功導致的電機運動控制系統的能耗。雖然示例電機是旋轉的，但是在本專利技術中也能夠使用諸如線性電機的其它電機。步驟310初始化用 于求解兩點邊界值問題(TBVP )的所有數據(包括用于電機模型和定位任務的參數)。數據被輸入到方法310。步驟320使用數據和用于受制于邊界條件的無約束電機最優控制的解析解法來求解TBVP，下面將進行詳細描述。步驟330識別加速度約束的任何違反，并且如果為真，則步驟370更新邊界條件，并且在步本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種生成運動控制致動器的軌跡的方法，所述方法包括下述步驟：初始化用于求解兩點邊界值問題（TBVP）的數據；使用所述數據和解析解法對與表示運動控制系統的能耗的第一成本函數關聯的TBVP進行求解以獲得應用了邊界條件（BC）的無約束電機最優控制的解析解；如果違反了加速度約束，則更新BC并且在求解步驟開始迭代；否則如果違反了速度約束，則更新BC并且在求解步驟開始迭代；以及否則如果滿足所述加速度約束和所述速度約束，則將所述軌跡設置為所述TBVP的解，其中，在處理器中執行上述步驟。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王燁賓，趙一明，S·A·博托夫，
申請(專利權)人：三菱電機株式會社，
類型：發明
國別省市：日本;JP