Contouring Error Bounded Control for Biaxial Systems with Structural Flexibility and Input Delay
作者: Meng Yuan, Tianyou Chai
分类: eess.SY
发布日期: 2026-04-13
💡 一句话要点
针对柔性和输入延迟的双轴系统，提出轮廓误差有界控制方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 轮廓控制 双轴系统 结构柔性 输入延迟 模型预测控制
📋 核心要点
- 工业加工中，精确的轮廓控制至关重要，尤其是在激光和水刀切割等应用中，轮廓精度直接决定产品质量。
- 论文提出了一种新的控制策略，用于解决双轴机器中位置相关的柔性和输入延迟问题，确保末端执行器在误差范围内精确跟踪期望轮廓。
- 实验结果表明，该方法在存在离散化和输入延迟的性能退化环境中，能够以较低的调试成本实现有界轮廓误差。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种针对具有位置相关柔性和输入延迟的双轴机器的新型控制策略。该策略旨在确保末端执行器在指定的轮廓误差范围内，精确地沿着期望的轮廓轨迹运动，同时满足系统约束。为了捕捉具有机械振动系统的旋转动力学特性，本文引入了一个高保真模型，并显式地考虑了具有增广系统状态的输入延迟。控制器设计基于模型预测控制方案，以强制系统状态保持在由参考模型和切换线性时不变控制导向模型定义的鲁棒控制不变集中。所提出的算法不限于被遍历曲线的特定形状。实验结果表明，在性能退化环境中，通过所提出的方法，以较低的调试工作量，可以实现有界轮廓误差。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决双轴系统中由于结构柔性和输入延迟导致的轮廓控制精度问题。现有方法难以同时处理位置相关的柔性和输入延迟，导致在高速高精度轮廓控制中性能下降。特别是在激光切割、水刀切割等高精度加工场景下，这些因素会严重影响产品质量。
核心思路：论文的核心思路是设计一种基于模型预测控制（MPC）的控制策略，该策略能够显式地考虑系统的柔性和输入延迟。通过建立高保真模型来捕捉系统的旋转动力学特性，并利用增广系统状态来处理输入延迟。同时，利用参考模型和切换线性时不变控制导向模型定义鲁棒控制不变集，确保系统状态保持在安全区域内。
技术框架：该控制框架主要包含以下几个部分：1) 系统建模：建立包含位置相关柔性和输入延迟的高保真系统模型。2) 控制器设计：基于模型预测控制（MPC）设计控制器，显式考虑系统约束和性能指标。3) 鲁棒控制不变集设计：利用参考模型和切换线性时不变控制导向模型定义鲁棒控制不变集，确保系统状态的安全性。4) 实验验证：在实际双轴系统上进行实验，验证所提出控制策略的有效性。
关键创新：论文的关键创新在于：1) 提出了一种能够同时处理位置相关柔性和输入延迟的控制策略。2) 利用增广系统状态显式地考虑了输入延迟，提高了控制精度。3) 基于鲁棒控制不变集的设计，保证了系统状态的安全性。
关键设计：在模型预测控制（MPC）设计中，需要选择合适的预测时域和控制时域。鲁棒控制不变集的设计需要仔细选择参考模型和切换线性时不变控制导向模型，以保证控制性能和鲁棒性。此外，还需要考虑系统约束，例如执行器的速度和加速度限制。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的控制算法能够在存在离散化和输入延迟的性能退化环境中，以较低的调试成本实现有界轮廓误差。具体性能数据未知，但论文强调了在实际应用中，该方法能够有效提高轮廓控制精度，并降低调试难度。
🎯 应用场景
该研究成果可广泛应用于需要高精度轮廓控制的工业领域，例如激光切割、水刀切割、焊接、3D打印等。通过提高轮廓控制精度，可以显著提升产品质量和生产效率，降低废品率，从而带来显著的经济效益。此外，该方法还可以应用于机器人控制、自动化生产线等领域，具有广阔的应用前景。
📄 摘要（原文）
Precision contouring control is crucial in industrial machining processes, particularly for applications such as laser and water jet cutting, where contouring accuracy directly determines product quality. This paper presents a novel control strategy for biaxial machines featuring position-dependent flexibility and input delays, ensuring that the end-effector accurately traverses the desired contour within specified contouring error bounds and system constraints. To capture the rotation dynamics for systems with mechanical vibration, we introduce a high-fidelity model and explicitly consider the input delay with augmented system states. The controller design is based on the model predictive control scheme to enforce system states staying in robust control invariant sets defined by the reference model and switched linear time-invariant control-oriented models. The proposed algorithm is not restricted to a specific shape of the curve that is being traversed. The effectiveness of the proposed control algorithm is demonstrated in an experimental environment with discretizations and input delay. The results show that a bounded contouring error can be achieved by the proposed method in a performance degradation environment with a low commissioning effort.