一种移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制方法及装置与流程

本发明涉及机器人控制的，特别是涉及一种移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制方法及装置。

背景技术：

1、加速型工程最速比例-积分(accelerated engineering fastest proportional-integral，aefpi)控制器是工程研究人员，在工业过程控制实践中发明出一种工程最速控制器(engineering fastest controller，efc)，显著提高了工业控制系统的反馈控制性能。相对常用的比例-积分(proportional-integral，pi)控制性能，aefpi的性能提升幅度是足够的，且适合单独运用。

2、在运用过程会发现，aefpi控制器的过程超调量较大，这是aefpi的固有特性；但有些系统不允许出现较大的过程超调，如移动机器人轮速控制系统超调过大，会影响移动机器人的鲁棒性，通常在移动机器人轮速控制系统过程给定端接入一个一阶惯性滤波器(first order inertial filter，foif)对抑制过程超调有较好的作用；但是，这种简单处理方法明显降低aefpi的调节性能。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制方法及装置，能有效减少过程超调，消除过程振荡问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制方法，包括：

3、获取移动机器人轮速最速控制系统的过程给定信号，将所述过程给定信号输入至负比例控制器中，以使所述负比例控制器输出负比例控制信号；

4、将所述负比例控制信号输入至实际微分器中，以使所述实际微分器输出实际微分信号；

5、将所述过程给定信号输入至延时器中，以使所述延时器输出延时信号；

6、将所述延时信号输入至三阶惯性滤波器中，以使所述三阶惯性滤波器输出三阶惯性滤波器信号；

7、将所述实际微分信号输入至减法器的减数端，将所述三阶惯性滤波器信号输入至所述减法器的被减数端，以使所述减法器输出所述移动机器人轮速最速控制系统的系统给定信号。

8、在一种可能的实现方式中，所述负比例控制器，如下所示：

9、npc(s)＝knpc；

10、-1≤knpc≤0；

11、式中，npc(s)为负比例控制器的传递函数，knpc为负比例控制器的增益，单位为无量纲。

12、在一种可能的实现方式中，所述实际微分器，如下所示：

13、ad(s)＝id(s)soif(s)；

14、id(s)＝tds；

15、

16、式中，ad(s)为实际微分器的传递函数，id(s)为理想微分器的传递函数，td为理想微分器的时间常数，单位为毫秒，soif(s)为二阶惯性滤波器的传递函数，tsoif为所述二阶惯性滤波器的时间常数，单位为毫秒。

17、在一种可能的实现方式中，所述延时器，如下所示：

18、

19、式中，lo(s)为延时器的拉普拉斯传递函数，τ为延时器的延时时间常数，单位为毫秒。

20、在一种可能的实现方式中，所述三阶惯性滤波器，如下所示：

21、

22、式中，toif(s)为三阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数；ttoif为所述三阶惯性滤波器的时间常数，单位为毫秒。

23、本发明还提供了一种移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制装置，包括：负比例控制器、实际微分器、延时器、三阶惯性滤波器和减法器；

24、其中，所述负比例控制器，用于接收过程给定信号输入端输入的移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制信号，对所述过程给定信号进行负比例控制处理，输出负比例控制信号，并将所述负比例控制信号输入至所述实际微分器中；

25、所述实际微分器，用于对输入的所述负比例控制信号进行实际微分处理，输出实际微分信号，并将所述实际微分信号输入至所述减法器的减数端；

26、所述延时器，用于接收过程给定信号输入端输入的移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制信号，对所述过程给定信号进行延时处理，得到延时信号，并将所述延时信号输入至所述三阶惯性滤波器；

27、所述三阶惯性滤波器，用于对输入的所述延时信号进行三阶惯性滤波处理，输出三阶惯性滤波信号，并将所述三阶惯性滤波信号输入至所述减法器的被减数端；

28、所述减法器，用于对输入的所述实际微分信号和所述三阶惯性滤波信号进行减法处理，输出所述移动机器人轮速最速控制系统的系统给定信号。

29、在一种可能的实现方式中，所述超调抑制装置的表达式如下所示：

30、

31、其中，fefcspgp(s)为移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制装置的拉普拉斯传递函数，npc(s)为负比例控制器的传递函数，ad(s)为实际微分器的拉普拉斯传递函数，td为理想微分器的时间常数，单位为毫秒；toif(s)为三阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数，ttoif为三阶惯性滤波器的时间常数，单位为毫秒，knpc为负比例控制器的增益，单位为无量纲，lo(s)为延时器的拉普拉斯传递函数，τ为延时器的延时时间常数，单位为毫秒，soif(s)为二阶惯性滤波器的传递函数，tsoif为所述二阶惯性滤波器的时间常数，单位为毫秒。

32、在一种可能的实现方式中，所述负比例控制器，如下所示：

33、npc(s)＝knpc；

34、-1≤knpc≤0；

35、式中，npc(s)为负比例控制器的传递函数，knpc为负比例控制器的增益，单位为无量纲。

36、在一种可能的实现方式中，所述实际微分器，如下所示：

37、ad(s)＝id(s)soif(s)；

38、id(s)＝tds；

39、

40、式中，ad(s)为实际微分器的传递函数，id(s)为理想微分器的传递函数，td为理想微分器的时间常数，单位为毫秒，soif(s)为二阶惯性滤波器的传递函数，tsoif为所述二阶惯性滤波器的时间常数，单位为毫秒。

41、在一种可能的实现方式中，所述延时器，如下所示：

42、

43、式中，lo(s)为延时器的拉普拉斯传递函数，τ为延时器的延时时间常数，单位为毫秒。

44、在一种可能的实现方式中，所述三阶惯性滤波器，如下所示：

45、

46、式中，toif(s)为三阶惯性滤波器的拉普拉斯传递函数；ttoif为所述三阶惯性滤波器的时间常数，单位为毫秒。

47、在一种可能的实现方式中，所述过程给定信号输出端与所述负比例控制器的输入端相连接，所述负比例控制器的输出端与所述实际微分器的输入端相连接，所述实际微分器的输出端与所述减法器的减数端相连接，所述过程给定信号输出端与所述延时器的输入端相连接，所述延时器的输出端与所述三阶惯性滤波器的输入端相连接，所述三阶惯性滤波器的输出端与所述减法器的被减数端相连接。

48、本发明还提供了一种移动机器人轮速最速控制系统，包括：如上述任意一项所述的移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制装置、反馈单元、加速型工程最速比例-积分控制器和过程；

49、其中，所述超调抑制装置与所述反馈单元的第一输入端相连接，所述反馈单元的输出端与所述加速型工程最速比例-积分控制器相连接，所述加速型工程最速比例-积分控制器的输出端与所述过程的输入端相连接，所述过程的输出端与所述反馈单元的第二输入端相连接，形成闭环反馈；

50、所述超调抑制装置，用于执行如上述任意一项所述的移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制方法。

51、在一种可能的实现方式中，所述加速型工程最速比例-积分控制器，如下所示：

52、faefpi(s)＝kaefpi[1+faefi(s)]；

53、

54、

55、taefi＝taeftf；

56、式中，faefpi(s)为加速型工程最速比例-积分控制器aefpi的传递函数，kaefpi为串级比例控制增益，单位为无量纲，faefi(s)为加速型工程最速积分器afei的传递函数，faeftf(s)为加速型工程最速跟踪滤波器aeftf的传递函数，taefi为加速型工程最速积分器的时间常数，单位为毫秒，taeftf为加速型工程最速跟踪滤波器的时间常数，单位为毫秒，n为阶次，单位无量纲；i和l为过程变量，为正整数。

57、本发明还提供了一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述的移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制方法。

58、本发明实施例一种移动机器人轮速最速控制系统的超调抑制方法及装置，与现有技术相比，具有如下有益效果：

59、通过获取移动机器人轮速最速控制系统的过程给定信号，将过程给定信号输入至负比例控制器中，以使负比例控制器根据过程给定信号与实际反馈信号之间的差异来生成负比例控制信号，通过调整负比例增益，可以更好地控制系统的响应速度和稳定性，减少过程超调；将负比例控制信号输入至实际微分器中，以使实际微分器输出实际微分信号，能增加系统对变化的敏感度和响应速度，用以减少过程振荡和提高系统的稳定性；将过程给定信号输入至延时器中，以使延时器输出延时信号；将延时信号输入至三阶惯性滤波器中，以使三阶惯性滤波器输出三阶惯性滤波器信号，通过延时器引入一定的延迟和滞后，以消除快速变化的噪声或干扰对系统的影响，从而减少过程振荡和提高系统的稳定性，将实际微分信号输入至减法器的减数端，将三阶惯性滤波器信号输入至减法器的被减数端，以使减法器输出移动机器人轮速最速控制系统的系统给定信号，与现有技术相比，本发明的技术方案通过负比例控制器、实际微分器、延时器、三阶惯性滤波器和减法器等技术方案的组合应用，可以有效地减少过程超调和消除过程振荡问题，提高移动机器人轮速最速控制系统的稳定性和控制性能。