[发明专利]时变分数阶FCOR多轴协同控制系统性能评估方法

说明书

本发明公开了一种时变分数阶FCOR多轴协同控制系统性能评估方法，属于工业数控及运动控制技术领域，依次按以下步骤进行：第一步骤是数据采集步骤，第二步骤是空间运动轨迹重建步骤，第三步骤是分数阶模型结构估计步骤；第四步骤是分数阶模型参数估计步骤；第五步骤是输出—噪声模型估计；第六步骤是变结构白化滤波；第七步骤是时域及频域相关分析；在多轴协同控制系统的持续运行过程中，外部系统性能评估模块持续运行上述第一至第七步骤。相对于内置系统评估算法，本发明的外部系统性能评估模块及算法是独立于被评估系统的，即具有更高的可靠性，使数据满足了FCOR算法的“单输入单输出”要求；本发明可以获得更高的模型描述精度，获得更理想的白化效果。

技术领域

本发明涉及工业数控及运动控制技术领域。

背景技术

在各种工业生产中，需要多运动轴协同控制才能作业的设备很多，如数控机床、机械手、移动平台、各类自动测量设备等。决定设备综合性能的关键，包括材料、机械加工、装配工艺，以及控制系统算法或软件。其中，软件的作用不仅是控制机电系统工作，达到设计的性能指标，还可以在一定程度上弥补硬件的限制或缺陷。设备在出厂时经专门设备检验并调试后基本上都可以达到设计性能指标。但是，由于在使用过程中，工况的变化、不当的维护及正常的损耗等因素都有可能导致系统性能下降。如果不及时采取措施，大量出现的不合格产品将会造成不必要的浪费。如何对具有多轴协同运动设备进行实时的性能评估，以便在发现性能下降时可以及时采取必要措施，这个问题无论在工业应用领域还是理论研究上都是可以引起极大关注并亟待解决的问题。

目前被广泛采用的方法，是在设备控制软件中增加性能评估和故障诊断算法部分，使得系统在检测到指定类型的性能下降甚至故障后能及时采取保护措施。这种方法的最大好处在于，设备并不需要额外增加诊断模块，同时在控制内部诊断所需的所有传感器数据可以直接获取。然而，在特定情况下，这种评估和诊断方法并不能发挥其应有的作用，甚至会加剧性能的进一步恶化。例如，当设备传感器或信号传输线路受到干扰或故障时，或者由于机械的变形、磨损出现而控制算法参数保持不变时，或者移动平台滚动轮产生滑动摩擦时，内置性能评估算法很难发挥作用。因此，在设定的性能指标非常关键或产品对系统性能极为敏感的情况下，增加额外的系统性能评估模块是有必要的。

额外增加的性能评估模块最基本的原则是不能影响被评估系统的正常运行。目前已有各种仅利用系统的输入、输出对系统性能进行评估的方法。但对于单输入单输出系统，具有实用价值和应用广泛的方法是由Huang 和Shah提出的 滤波及相关分析方法（Filtering and Correlation Analysis- FCOR），以及以FCOR为基础的各种改进方法。FCOR算法的结构参见图1。

其主要步骤包括3步：1）根据系统输入r(k)和输出y(k)以及系统特点，选择系统模型并计算出模型参数。2）根据系统输出y(k)及系统模型对系统输出进行滤波，即白化滤波，得到白化后的噪声Ɛ(k)。3）对噪声Ɛ(k)和输出y(k)进行相关分析。该方法原理和实现都比较简单。现有的改进算法可以针对上述步骤中的任何一步或几步进行改进。采用不同的系统模型，不同的方法进行模型参数计算；采用不同的滤波器对输出y(k)进行白化；采用不同的相关分析实现方法等。

然而，在FCOR及其改进算法中，系统的建模及滤波都是采用整数阶模型和滤波器。采用整数阶对系统进行建模和滤波方法成熟、可利用的工具和分析方法丰富，其缺点是模型描述不够精确，导致评估结果精确度受限。随着分数阶理论的成熟和发展，分数阶建模、滤波的方法逐渐增多，并并越来越多的领域采用并认可。时变分数阶系统可以更加精确的描述一个系统，在性能评估方面，其优势可以同时体现在上述每一个步骤当中。时变分数阶是一种在线分数阶模型的描述方法，可以达到更高的评估精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用多轴协同运动控制系统的输入、输出数据，通过时变分数阶模型对系统进行实时、精确建模和白化的时变分数阶ＦＣＯＲ多轴协同控制系统性能评估方法。