（模式识别与智能系统专业论文）双轴运动远程控制系统及其控制方法研究.pdf

摘要 运动控制是自动控制的重要分支，由于它能够实现对运动轨迹与运行速度的精确 控制要求，因此运动控制系统在各类控制工程中有着广泛应用前景。远程控制是本地 计算机通过网络系统实现对远端的生产或者实验过程的监视和控制，实验者从网络上 可以看到直观、可信的实验信息，对校园网络实验教学的发展有着重要的意义。 本课题针对双轴运动控制系统的远程网络控制，将网络技术与运动控制技术结合 起来开发远程网络运动控制系统。 本课题以提高双轴运动控制系统控制精度为目的，从单、双轴两方面进行分析。 对于单轴系统首先利用美国d e l t a t a u 公司的可编程多轴控制器p m a c 自带的控制软 件p e w i n 进行p i d 参数的整定以及前馈补偿环节的参数整定，然后分析系统存在的 非线性摩擦力，利用遗传算法寻优摩擦力补偿环节的参数，达到补偿摩擦力的效果， 有效地提高了系统的控制性能。对于双轴系统设计了一个轨迹为圆的插补器，采用基 于遗传算法一神经网络的在线p i d 参数调整算法，减小了系统的跟踪误差，并分析双 轴之间的轮廓误差，设计出基于r b f 神经网络的综合控制器，经过仿真实验证明， 本文采用的综合控制器能有效地减小系统的跟踪误差和轮廓误差，提高系统的控制精 度。 最后运用网络数据库原理及s q ls e r v e r 数据库编程技术，实现了网络数据库， 并利用双层防火墙技术和数据库存取控制技术来实现系统的网络安全，使得双轴运动 控制系统可供校园网内师生及研究人员实验和观察。 关键词： 双轴运动控制系统，远程控制，遗传算法，神经网络，网络数据库，p m a c a b s t r a c t m o t i o nc o n t r 0 1 i sa n i m p o r t a n tb r a n c ho f a u t o m a t i cc o n t r 0 1 a n db e c a u s ei tc a nr e a l i z e t h er e q u e s to fp r e c i s ec o n t r o lf o rm o t i o nt r a c ka n dm o v i n g v e l o c i t y , i th a sg o te x t e n s i v e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d r e m o t ec o n t r o ls y s t e mi st os u p e r v i s et h er e m o t ep r o d u c t i o no r e x p e r i m e n tp r o c e s s ，i m p l e m e n t e db yl o c a lc o m p u t e rt h r o u g hi n t e m e t t h ee x p e r i m e n t a t i o n p e r s o n n e lc a r lg e tt h er e s u l t st h r o u g hi n t e m e td i r e c t l y , s or e m o t ec o n t r o lh a si m p o r t a n t m e a n i n g i nt h ed e v e l o p m e n t o f e x p e r i m e n tt e a c h i n gt h r o u g hc a m p u sn e t w o r k s t h i st a s ki st oc o n t r o lt h et w o - a x i sm o t i o n s y s t e mt h r o u g hn e t w o r k s ，a n dn e t t e c h n o l o g y a n dm o t i o nc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g ya r eu s e dt oe x p l o r er e m o t ec o n t r o ls y s t e m i no r d e rt oi m p r o v em o t i o na c c u r a c yo ft h et w o - a x i sm o t i o ns y s t e m ，t h ea n a l y s i si s m a d ei nt w oa s p e c t s - - s i n g l ea x i sa n dt w oa x i s a sf o rs i n g l ea x i s ，p e w i n ，t h es o f t w a r e g i v e nb yt h ep r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ( p m a c ) ，i s u s e dt of i n dt h eb e s t p a r a m e t e r s o ft h ep i dc o n t r o l l e ra n df e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r t h e n ，t h e n o n l i n e a rf r i c t i o ni nt h es y s t e mi s c o m p e n s a t e db yt h ef r i c t i o nc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r w i t hg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t h e c o m p e n s a t i o n c o n t r o l l e rc a n i m p r o v e t h e s y s t e m p e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l y i nt w oa x i ss y s t e m ，ac i r c l ei n t e r p o l a t o ri sd e s i g n e d ，a n dan e w m e t h o db a s e do ng a - - n e u r a ln e t w o r k si sp r o p o s e dt oa d j u s tp i dp a r a m e t e r so n l i n et o r e d u c et h e t r a c k i n g e r r o r t h e n ，a ni n t e g r a t e d c o n t r o l l e rb a s e do nr b fn e u r a l n e t w o r k ( r b f n n ) i sd e s i g n e d t or e d u c et h ec o n t o u r i n ge r r o ro ft h et w oa x i s e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e di n t e g r a t e dc o n t r o l l e rs i g n i f i c a n t l yi m p r o v e da c c u r a c yi n b o t ht r a c k i n ga n d c o n t o u r i n g a tl a s t ，n e t w o r kd a t a b a s ei se s t a b l i s h e db yu s i n gn e t w o r kd a t a b a s et h e o r ya n ds q l s e r v e r p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y t w o l a y e r f i r e w a l l t e c h n o l o g y a n dd a t a b a s ea c c e s s c o n t r o lt e c h n o l o g ya r eu s e dt oe n s u r en e t w o r ks e c u r i t y , s ot h es t u d e n t s ，t e a c h e r sa n d r e s e a r c h e r sa l lo v e rs c h o o lc a ns u p e r v i s ea n dc o n t r o lt h et w o - a x i sm o t i o ns y s t e mi nt h e i n t e r n e t k e y w o r d s ： t w o a x i sm o t i o ns y s t e m ，r e m o t ec o n t r o l ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，n e u r a ln e t w o r k ， n e t w o r kd a t a b a s e ，p m a c 南京航空航天丈学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 科学意义和应用前景 作为自动控制的重要分支，运动控制技术应用领域极其广泛。在军事自动化 ( m a ) 、工厂自动化( f a ) 、办公室自动化( o a ) 和家庭自动化( h a ) 中，大量存在对运动 机构进行精确控制的任务。例如军事和宇航方面的雷达天线、惯性导航、卫星姿态等 的控制：工业方面的各种加工中心、数控机床、工业机器人等的控制；家用电器中的 录像机、c d 机、压缩机、洗农机等的控制，。正是由于运动控制系统能够实现 对运动轨迹、运行速度、定位精度的精确控制要求，在各类控制工程中有着广泛应用 前景，因此运动控制系统目前已成为控制科学应用领域中一个很有意义的研究方向。 运动控制系统处理机械系统中一般称之为轴( a x i s ) 的一个或多个坐标上的运动以 及这些运动之间的协调( c o o r d i n a t i o n ) ，涉及各轴上运动速度的调节，以一定的加减速 曲线来进行运动，以及形成准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题。这些精 确的位置、速度、加减速乃至力矩的控制主要通过电动机、驱动器、反馈装置、运动 控制器、主控制器( 如计算机和可编程控制器) 来实现。一个完整的以电力为动力， 以位置控制为目的的运动控制系统如图1 1 所示【2 。 硼勰槲赢囊藏- 攀攀器直瓣机 无刷伺h 驱动等 亩r ；茹篇暇南 直接驱动直线电动机 图1 1 运动控制系统结构图 在图1 1 的运动控制系统中，电能通过电动机提供原始的运动，是机械系统能产 生运动的根源。 反馈装置利用传感器及其信号处理电路，从运动控制系统中提取运动参数信息， 这些信息可提供给控制器，为控制器的控制策略提供依据。控制器按照期望的机械运 动向电动机的实际动作发出指令，运动控制系统一般通过它形成闭环，在它的控制下 一一 型垫重垫垄塑笙型墨竺墨苎丝型互蓬塑塞 整个系统按照定的性能指标实现期望的运动。 由此可见运动控制系统中的核心部件是运动控制器。所谓运动控制器就是利用 高性能微处理器( 如d s p ) 及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制， 具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需 的各种速度、位置控制功能，并且这些功能可以能通过计算机方便地调用。随着自 动化技术的发展，为实现计算机控制的设备轨迹运动，伺服电机控制装置( 步进、交 流、直流) 已越来越多地用于工业自动化设备的控制【5 1 。 运动控制器是军民用机电一体化产品与系统中的关键部件，可以说有伺服电机的 场合就需要运动控制器。它可以直接用于电子机械设备、机器人、数控机床、医疗设 备、液压控制设备、印刷机械等设备上。特别适合用于非标准设备的快速开发，具有 非常好的发展和经济效益前景。其应用领域包括：在航天应用方面的天线定位控制、 空间摄像控制、激光跟踪控制、天文望远镜；食品加工方面的食品包装、家禽修整加 工机、精密切肉机；在工厂机床方面的无心磨床、e d m 机床、激光切割机床、铣床、 冲压机床。在军事应用，测试与 9 1 | 量，半导体测试及加工，产业制造等方蕊也有着广 泛的发展前景h 卯。 本系统所涉及到的是可编程多轴运动控制器p m a c ，也称作运动控制计算机。作 为世界上功能最强，技术最先进的开放式运动控制器p m a c 已同我们日常生活息息 相关。从卫星云图拍摄到经常吃的巧克力及薯片，从航天飞机及其制造到我们身着的 布料，从生物芯片制造到木材的加工等无不体现p m a c 高速高精度的控制给我们生 产带来的高效、优质。 远程网络监控就是本地计算机通过网络系统实现对远端的生产或者实验过程的 监视的控制，目前大多采用接入i n t e m e t 或i n t r a n e t 的方式实现，这些方式已经应用 在视频会议、远程加工或远程诊断等领域，多媒体数字远程监控系统是以计算机为核 心、结合多媒体技术、计算机网络技术的一种监控主机系统。其明显的优点是在远距 离的监控方面。针对该系统的系统软件可在w i n d o w s 下实现，人机界面友好，汉字 菜单，图形化标识，容易操作，使用人员几乎不加任何培训就可掌握。本文结合目前 比较先进的网络技术，即数字视频技术、图象压缩技术、网络控制技术，研究我校智 能实验室配置的双轴运动控制系统，利用网眼p c 一3 7 0u s b 摄影机将该实验设备的运 动过程拍摄并实时播放，供监控人员查看研究。双轴运动控制系统主要用于对各种智 能控制律实验的实现和观察。 基于i n t e m e t 的远程监控在科学研究方面有很重要的意义，因为在现代科技高度 发达的时代，对实验设备的性能、精度等要求越来越高，但是有些实验设备往往比较 昂贵，不是所有实验室都可以轻易配备的，而且如果每个相关实验室都拥有这样的实 验设备，其使用效率也不会很高，从而造成资源的闲置和浪费，本实验室配置的双轴 运动控制系统主要用于控制律的设计和实验，硬件软件的配置都比较完善，但是实验 室场地和人员有限，不可能让每个可能用到该实验设备的人员随时随地的进行实验 南京航空航天大学硕士学位论文 因此可以将实验用到的软件和过程放在服务器上与互联网相连，这样校园网内的研究 人员就可以通过远端的另一台客户机对服务器的数据程序进行访问，可以在他自身的 实验室里对设各进行实验观测，既方便又可以充分利用资源。另外，在实际的科研中， 一些需要在某些恶劣环境下进行的实验往往又容易危害人体健康，这样在建立远程监 控后可以使研究人员，不必亲i 临工作现场，就可以看到设备的工作过程和工作结果。 多媒体的快速发展使得图像和声像能够准确实时的传送到远程控制端，使得整个过程 声形并茂，监控人员更加直观的观测。这种优点同样可以在实际生产过程中得到体现。 随着各种辅助技术的发展和远程控制技术中硬件、软件的不断改进加强，它可以广泛 的应用在电力，水电，教育，军事，公共设施等等领域。 基于互联网的远程监控软件可以把传统的计算机监控画面发布到网上，这样监控 人员就可以使用标准的浏览器或者对应的客户端软件进行监视，不但运行人员可以 看，其他人员可以看，在外地很远地方的领导和专家也可以看。这样就实现了所有有 关计算机监控系统和自动化系统之间的互连，把不同的自动化系统统一到一个控制平 台上来。远程监控的实现在管理工作、生活等多方面都为我们带来巨大的进步。在工 业控制方面，随着生产规模的增大，网络技术亦发挥了巨大作用，人们可以把各种控 制仪表、检测仪表、可控制器等控制设备利用网络技术连接起来，组成工业控制网络， 而且有的控制网络还要与管理网络进行连接，以发挥更大的效益。当与i n t e m e t 网络 连接上后，合法用户可以通过i n t e m e t 网络上任一台p c 对其控制网络进行远程控制 与监测5 l 。 1 2 目前国内外的发展现状和分析 在国外，运动控审1 ( m o t i o nc o n t r 0 1 ) 成为一个专门的产业，一大批厂家正在不断 开发这方面的新技术，研制这方面的新产品。从运动控制器来说，有本系统使用的美 国d e l t at a u 数字系统公司的基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 技术 的p m a c 运动控制器；奥地利b & r 工业自动化公司的新代可编程序计算机控制器 p c c ( p r o g r a m m a b l e c o m p u t e r c o n t r o l l e r ) 。从执行机构来说，有本系统所采用的日本松 下( p a n a s o n i c ) 公司的m i n a sa 系列全数字式交流伺服系统，以其性能卓越，体积小 巧而著称；德国伦茨( l e n z ) 的9 3 0 0 系列交流伺服系统，其特点在于其伺服系统针对 不同行业，配有面向具体应用的软件包，可柔性实现自动化方案；美国科尔摩根 f k o l l m o r g e n ) 的p l a t i n u md d l 系列直线电机，其特点在于直接提供推力给负载， 能提供很高的动态响应速度和加速度。 国内的一些科研单位和高校也相继开发出应用于运动控制的交流伺服系统，如广 州数控，华中数控，开通数控等。各种品牌的运动控制产品正在各个行业越来越广泛 地得到应用。 3 舣轴运动远程控制系统及其控制方法研究 在控制方式上也有了越来越多的新技术。研究人员突破了单一传统的p i d 控制， 越来越多的尝试其他控制方式，例如智能控制。神经网络，模糊控制，自适应控制等 先进的控制方式被应用到了运动控制系统的精确控制中【4 0 i 4 ”。 国际上，在2 0 世纪就提出远程访问控制的设想，但由于种种条件的限制直到几 年后才出现若干个远程控制的实验模型，而且这些模型的一个共同特点是控制指令相 对简单，控制参数相对较少以及时序复杂度较小。最近由于各种软件、硬件技术的飞 速发展，特别是音频，视频技术的迅猛发展，远程监控技术有了很大的进步。其中视 频监控系统将会有越来越广泛的应用。 国外在上个世纪的9 0 年代就在远程监控方面有了很多的研究，除了早期在星际 探索上对机器人的应用外，还在其他实际领域进行了探索研究。1 9 9 3 年美国国家航 空航天局( n a s a ) j o h n s o n 航天中心与德州的四所大学成功地进行了机器人远程分布 式控制试验。该项试验是通过i n t e m e t 在j o h n s o n 航天中心控制位于t e x a sa & m 大学 和t e x a s 大学a s m i o n 分校的机器人，并同时在a r l i n g t o n 分校和r i c e 大学进行监测 和性能分析。1 9 9 4 年美国南加州大学完成m e r c u r y 项目：该项目允许远程用户通过 w e b 浏览器控制一机械手进行文物挖掘。同时南加州大学在i n t e m e t 上已公开的另一 个比较有趣的项目是“t e l e g a r d e n ”：w e b 访问者可以控制个a d e p t 机械手进行种 植，灌溉花园等活动。与此较类似的有英国b r a d f o r d 大学工业技术系于1 9 9 6 年研制 的名为b r a d f o r d r o b o t i c t e l e s c o p e 天文望远镜。该天文望远镜已在i n t e m e t 上对外开 放，天文爱好者可以通过w e b 浏览器访问其主页，控制望远镜的角度和焦距，而且一 般可以在第二天从你的e m a i l 信箱里收到观测结果。另外还有b e r k e l e y 大学研制的 m e c h a n i c a l g a z e 系统，西澳洲大学的t e l e r o b o t 等。 我国在远程网络监控方面的发展也在大踏步的进行，同样很多高校也对网络远程 监控进行研究，国内各企业单位对远程控制系统的需求也很大，远程监控系统的便于 研究人员处理、适于远距离传输、易于维护的管理等优点使得它在各个领域和各种市 场都有很好的开发前途。然而，与市场状况矛盾的是，我国有许多高技术研究和系统 开发，已有一批可以实用化的成果。而且就目前先进的远程数字视频监控系统而言， 在视频压缩、分析、传输、存储和分级控制等方面仍有待提高和完善。因此，加强产 业界与科技界的合作，开发技术含量高的产品，是我国监控行业值得关注的问题。特 别是加入w t o 后，随着更多的国际品牌、有实力的国外公司的进入，势必会对我国 尚不成熟的监控市场带来冲击。加强产、学、研的结合，加大科技开发投入，己势在 必行。相信在不久的将来，监控系统与运动控制系统的结合将会在航天、航空、机械、 工厂、甚至是日常生活中的到广泛的应用，成为我们不可或缺的一部分1 5 l 。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 本文研究内容概述 在双轴运动控制系统研究成果的基础上，本文的研究工作分为两大部分：基于智 能控制的系统性能分析与研究和远程网络安全技术。 1 双轴运动系统的性能分析与研究 本文中将从提高单轴精度和两轴协调精度两个方面进行研究以提高系统性能，并 且利用智能控制算法进行参数寻优和控制器实现。 当前，在工业生产控制过程中，大量采用p i d ( 比例一积分微分) 算法，p i d 参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为基础。当被控对象随着负荷变化或有 干扰因素影响时，其对象特性参数或结构发生变化，控制系统品质指标也无法保持在 最佳范围内。 智能控制是能够模仿人的智能行为的一种控制技术，它是多学科相结合，并利用 计算机技术实现的- - f 技术学科。智能控制是控制理论、人工智能、运筹学、信息论 等学科的交叉，并利用计算机作为手段向工程实用和全面深入的发展。随着智能控制 的蓬勃发展，它的形式也日新月异，目前正在兴起和研究的形式很多，主要有分级式 递阶智能控制( 包括自适应控制、自学习控制和自组织控制) ，专家系统控制( 包括 仿人智能控制和智能p i d 控制) ，模糊控制，人工神经网络元控制、遗传算法控制以 及各种智能控制方法的交叉和结合，以及各种智能控制方法与传统控制理论方法的交 叉和结合方法。 单轴精度主要是减小系统的跟踪误差，在p m a c 控制器中自带p i d 控制算法， 通过调节相应的变量就可实现系统的p i d 控制。分析系统的非线性摩擦力，并使用前 馈控制和摩擦力补偿两种方法对非线性摩擦力进行t b 偿。两轴协调精度要使系统的 跟踪误差与轮廓误差都减小才能实现。在运动控制器中实际已储存了插补算法，以实 现双轴的直线或圆的运动。为了在仿真研究中能够更形象的表现出双轴的运动情况， 必然要模拟一个插补器。插补的方法有很多，通过对比研究，选择了适合闭环系统的 时间分割法圆弧插补算法。本控制系统有两个轴，在实际运行过程中，必然存在两个 轴之间的协调工作问题，这就涉及到了耦合轮廓误差的概念。针对耦合轮廓误差，利 用r b f 神经网络，通过加入耦合轮廓控制器，达到消除耦合误差的目的。并加入前 馈控制器构成综合控制器，使得系统的跟踪误差和轮廓误差都有效的减小，由实验曲 线可以看出控制效果。 2 程控制实验系统的网络数据库及网络安全设计 在课题前面的工作5 】中，已经编制了实验系统的远程网络控制软件。虽然可以进 行远程控制，但没有任何管理来访者及保证网络访问安全性的措施，这样在遇到一些 有害信息时，系统将无法辨别，不但会影响网络的正常工作，而且会对数据库服务器 造成破坏。本文将研究重点放在网络数据库的建立以及网络安全上，使用s q l s e r v e r 7 0 建立网络数据库，对来访的学生和老师进行管理，保证了实验室设备的合理 双轴运动远程控制系统及其控制方法研究 利用。并且从防火墙技术和数据库安全技术两方面考虑，以保证系统运行顺畅。 1 4 论文的章节安排 论文的内容除了第一章绪论以外，主要分为以下几章： 第二章双轴运动控制网络实验系统，主要介绍双轴运动控制系统结构和实验系统 软件，并简单介绍了系统的控制方式。 第三章基于遗传算法的运动控制补偿方法，针对单轴首先利用p e w i n 对p m a c 控制器中的参数进行调节，包括p i d 参数和前馈补偿环节参数。然后分析了系统的非 线性摩擦力，最后由遗传算法对摩擦力补偿环节进行参数寻优，并给出实验结果与分 析。 第四章运动系统的位置控制方法研究，主要对系统双轴的协调性进行了研究。首 先采用提高单轴控制精度的方法，通过在线调整p i d 参数使系统的跟随误差减小。然 后分析两个轴之间的轮廓误差，并设计包括前馈控制器和交叉耦合控制器在内的综合 控制器来提高系统的协调性能，并给出实验结果与分析。 第五章远程实验系统的数据库及其网络安全设计，主要介绍了本实验系统采用的 网络数据库结构，并针对系统网络安全提出的措施，采用双防火墙与数据库存取控制 技术来保证系统网络的安全性。 第六章总结，主要总结了论文所作的工作及需要进一步研究的方面。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章双轴运动控制网络实验系统 本章介绍了本文涉及到的双轴运动控制系统的软硬件构成，以及组成网络控制的 软硬件部分，并简单论述了本系统中采取的控制方式。 2 1 双轴运动控制网络实验系统的硬件构成 2 1 1 系统硬件结构、控制实验设备及组成 本文所讨论的网络控制系统按照功能概括的可分为如下几部分：服务器、客户机、 摄像设备、控制系统实验设备。如下结构图所示： 图2 1系统硬件结构图 本系统采用的是双轴运动控制系统，包括控制器p m a c 接口电路板、交流伺服 电动机、交流伺服驱动器与x y 双轴运动平台等组件。 双轴运动控制系统方块图如下： 图2 - 2 双轴运动控制系统结构图 翌塑堕垫墨塑笙型墨竺垦茎丝型查鲨堕塞 其中，运动控制器选用了美国d e l t a t a u 公司生产的p m a c 运动控制器。本系统 的伺服器为p a n a s o n i c 公司生产的高精度伺服器m s m 0 2 3 a i x 全数字交流伺服驱 动器，它分别与p m a c 和交流伺服电机相连接。其最高转速5 0 0 0 r f m i n ，响应频率 高达2 0 0 h z 。输入采用三相2 0 0 - - 2 3 0 v ，5 0 6 0 h z 的交流电源和1 2 - - 2 4 v 的直流电源， 输出功率为2 0 0 w 。 本系统采用m s m 0 2 2 a 1 c 交流伺服电机，它分别与交流伺服驱动器和x y 双轴 运动平台相连接，工作电源和控制信号均来自交流伺服驱动器，在控制信号的作用下 电机转动，通过丝杆把伺服电机的旋转运动转化为平台在x 、y 轴两个方向的直线运 动，从而拖动平台运动。 x y 双轴运动平台连接于交流伺服电机，丝杆把电机的旋转运动转化为平台的直 线运动，而x 、y 轴的直线运动构成了平面运动。平台每个轴的两端有限位装置，直 接用导线连接到p m a c ，当平台运动至极限位置时，p m a c 接收到限位开关触动信 号，立即限制输出信号，使电机按照参数设定的加速度减速直到停止，此时，系统运 动的实际轨迹将达不到预期的运动目标。 2 1 2 p a m c 控制器 p m a c 的核心是m o t o r o l a d s p 5 6 0 0 1 ( 数字信号处理器) ，具有i o 功能，a d 、 d a 转换功能。系统的两个轴分别由两套电机和驱动器控制，而且两台电机和驱动器 都相同。 本文涉及的p m a c 型号为m i n i - p m a c 。它是p m a c 运动控制系统中应用于双 轴控制的独立单元，使用p ci s a 总线与主机通讯( 也可以是串口通讯方式) ，可以对 每个轴输出速度命令，具有四个增量式码盘接口。p m a c 卡直接插入计算机的i s a 总线插槽，无需外加电源。 模块化、开放式结构是目前计算机数控系统发展的主流和趋势，随着自动化技术 的发展，人们对控制的要求越来越高，不仅要求响应速度快，精度高，而且要求开发 周期短，编程和操作简单。美国d e l t a t a u 公司d e l t a t a ud a t as y s t e m 可编程多轴控制 器p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) ，是一个拥有高性能伺服运动控制器的 系列，它通过灵活的高级语言可最多控制8 轴同时运动，通过一个功能强大的数字信 号处理器( d s p ) ，p m a c 给多轴控制器提供了一个前所未有的价格性能比。 p m a c 是一种非常灵活的运动控制器，它可以插接于各种类型的主机，通过配接 各种类型的放大器、电机和传感器，应用于其软件和硬件的特性，可以设置和实现特 定的功能，完成特定的任务。它可以实现如下特性i z 刈： 机床特性：每个轴6 0 微秒伺服更新率；o1 微英寸的分辨率；1 5 m h z 编码器输 入数据速率；程序块执行速率可达2 k h z ；用于消除谐振的阶式滤波器；刀具半径和 8 南京航空航天大学硕士学位论文 丝杠补偿：s - 曲线加速。机器人特性：反向运动计算；分段轨迹生成；同时对多个轴 进行直线和圆弧插补的多轴控制。通用自动化：方便编程；脱机运行；开放式结构。 p m a c 就是一台完整的计算机，它可以通过存储在它自己内部的程序进行独立的 操作。此外，它还是一台实时的多任务的计算机，能自动对任务进行优先等级判断， 从而使具有高的优先等级的任务比具有低的优先等级的任务能被先执行，这是很多个 人计算机上也无法实现的。即使是与一台主计算机连接到一起使用，它们之间的通信 应被认为是一台计算机与另一台计算机之间的通信，而绝不是主计算机和它的外围设 备之间的通信，在许多应用中，p m a c 能够执行多个任务并能正确的进行优先级排序 的能力，使它能够在处理时间和任务切换的复杂性这两个方面大大减轻主机和它的编 程器的负担。 p m a c 卡的突出特性是其开放性，这不仅表现在它控制轴数可以扩展，所联接的 被控对象及传感器形式多样，更重要的是它在控制内核上实现了很大程度的开放性。 对控制算法而言，p m a c 提供了通用的比例+ 积分+ 微分和阶式位置伺服环滤波算法， 以及用以减小伺服系统轨迹误差的速度、加速度前馈算法和双位置环反馈的能力。控 制算法中各项参数的调节，只需简单改变p m a c 提供的运动控制变量，即使是非控 制专家也很容易调节控制器。p m a c 还允许使用者将自己设计的控制算法下载到板卡 的数字信号处理器中，这样，用户就可利用p m a c 在自己的系统中实现各种先进的 智能控制算法。 2 1 3 p m a c 控制器的应用 在整个实验系统设备中运动控制器是非常重要的一个部件。在控制的过程中 起到举足轻重的作用。运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控 制，以实现预定运动轨迹目标的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离不开 运动控制器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生产设备焕 发出勃勃生机。运动控制技术是在以数字信号处理器d s p 为代表的高性能高速微处 理器及大规模可编程逻辑器件f p g a 的基础上发展而来的，它是广义上的数控装置。 数控技术的发展趋势就是采用运动控制器的开放式的数控系统。随着自动化技术的进 一步发展，运动控制器( 步进、交流、直流) 的应用已走出机械加工行业，越来越多 地应用于其它工业自动化设备控制，如电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等 诸多行业。主要数控技术的发展趋势就是采用“p c + 运动控制器”的开放式数控系统， 不仅具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且 还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。美国将其 称为新一代的工业控制器，日本称其将带来第三次工业革命，并预测其应用将和现在 的p l c 一样普遍。 9 双轴运动远程控制系统及其控制方法研究 由控制器和伺服系统( 包括伺服驱动器和伺服电机) 组成的系统，在其具体的控 制的过程中，可实现闭回路定位，所谓的闭回路定位系统就是有反馈信号的输入。此 种的反馈信号，一般是用编码器( e n c o d e r ) 传入，但依照反馈的方式不同而又可分 为半闭回路系统和全闭回路系统。半闭回路定位系统的组成方式如图2 - 3 所示。 反馈信号 图2 3 半闭环定位系统 此半闭回路系统是将伺服电机尾端的反馈信号反馈至驱动器，驱动器可以检测到 电机是否定位不准，而控制器到驱动器之间的信号传输是送脉冲信号的方式到驱动 器，每送一个脉冲信号到驱动器，电机就转动一个单位，而当电机定位不准确时，驱 动器可以因反馈信号而知道电机已经不准，而输出e r r o r 信号并将伺服电机电力直 接关掉，而此时控制器还不知道电机已经定位不准，而且若系统中控制器和驱动器之 间的脉冲定位信号受到杂波干扰，此脉冲干扰信号也会被送到驱动器而使电机旋转， 也就是驱动器无法察觉到系统的电机和驱动器之间的反馈信号所至，这使得系统的稳 定性降低。 而另外一种就是全闭环回路系统，这是最完全的回路系统，也是欧美伺服电机所 广为采用的一种控制方式。其组成如图2 4 所示。 反馈信号反馈信号 图2 4全闭环回路控制系统 此定位系统和半闭环回路不同的是电机尾部的回馈信号是直接连接到控制器上 而不是连接到驱动器，直接由控制器来检测反馈信号而此时的伺服驱动器只是一个类 似放大器的功能，由控制器送来的信号是电压方式，驱动器是根据此电压信号来调整 伺服电机的转速高低及方向，而定位功能则是由控制器来完成的，控制器会依据现在 电机反馈的状态调整所输出到驱动器的速度命令，所有的伺服参数都是在控制器上调 南京航空航天大学硕士学位论文 整，这种方式是完全的闭环回路，这时无需太多考虑控制器和驱动器之间的干扰信号， 因为反馈是直接回到控制器的就算控制器和驱动器直接的速度命令受到干扰而影响 到电机此时控制器也会依照电机反馈的信号来校正输出的速度命令信号，完全的闭环 回路提供最安全稳定的控制系统。 本系统采用的是后一种形式的控制方式，在本系统中p m a c 是个独立的运动 控制器，必须与p c 机通讯才能完成机床的控制任务。通过p c 机的外设可实现程序 的输入、编辑参数的设置，运动状态的实时显示及软件仿真功能。利用双端口r a m ( d p r a m ) 可以实现p m a c 与p c 机之间高速重复不需握手的数据通信，解决了 p m a c 与主控制处理器的通讯瓶颈问题，实现了系统的实对控制。 d a c 输出 各科妊接和 输 控伟4 信号 及编码器连接 j 婆 l s a 总 反馈植号 运 线连接 p a 缎c 伺 动 驱 服 机数字地动 赢 器 口 模拟地 _ 控制电源r 一一 电源 图2 - 5双轴运动系统的硬件连接框图 本地控制时，服务器上p m a c 的控制程序都将要编制好几种控制方法，并且有 友好的界面，可供本地机方便的访问实现本地机控制。在服务器上可以实现带( 不带) 调整因子的模糊控制、p i d 控制、前馈补偿p i d 控制、模糊自整定p i d 控制等多种控 制方式。在客户机远程访问时，这些控制方式都可以根据不同的需要进行选择，在一 次执行过程中，用户可以任意选择一种方法，根据要求输入需要调整的参数，确定后 程序会将控制数据传递给p m a c 控制器，控制器就会根据用户的要求发出指令，使 得整套设备开始运转，双轴平台上会画出客户需要的图形，同时拍摄下整个执行过程 并实时播放。在一次任务执行完之后，程序还会自动调用m a t l a b 分别对两个轴的运 动曲线和误差曲线进行绘制，可以使客户更直观地看到所选的控制参数对系统的影 响。 当服务器在进行网上实验时，允许安装过客户端程序的计算机通过i n t e r n e t 网或是校园网对服务器进行访问，继而达到控制双轴运动平台的目的。客户机对服务 器的访问当然要有访问权限和服务次序的要求，这些要求要用软件实现。 双轴运动远程控制系统及其控制方法研究 2 1 4 网络传输设备 1 服务器端 服务器端p c 机的处理速度要快，因为它连接着实验控制设备端和网络端，不仅 要有控制设备的功能，还要负责判断、接受、发送、处理各种数据以及管理访问的客 户机。它还可以进行本地操作对运动系统进行直接控制。本系统中采用奔腾4 处理器 主机，w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，服务器内插有p m a c 控制卡，与实验设备相连接。 在服务器端p c 机所在的局域网内还需有另外有一个服务器也起着很重要的作 用，这就是连接控制设备的服务器所在的局域网内的主服务器，它是设备服务器端和 外界进行通讯的必须途径。因为实验设备是在局域网内的，外界客户机通过客户端程 序访问实验设备所在的服务器端时，必须通过局域网服务器这个通道只有它在校 园网乃至教育网内才有真实的i p 地址。局域网服务器的主要任务除了可以进行本地 操作外，还要将用户端传来的实验参数和命令传送到实验设备端服务器，再将仪器通 过设备端服务器传来的实验数据传送到客户端。实际上在进行实验操作时，它只是一 个数据通道，不对来往传送的数据做任何处理。当然，在这个服务器上也可以访问实 验设备和进行各种操作。 以上的部分的服务器和若干个客户机需要装有w i n d o w s 9 8 以上的操作系统，并 且装有t c p i p 协议。 2 。用户端 操作人员及客户有专门的客户端程序，可以通过互联网首先向远端的服务管理器 提出申请，经过允许，再经由服务器，取得控制权实现对设备的控制。在用户端集中 了科学工作者，或是在研究设备的学生，表现了对人力资源的充分利用。对客户端的 要求是该程序要提供一个友好的w i n d o w s 界面，负责将用户设定的，或是设备需要 的各种参数与命令传递到远端的服务器程序端和并随时接收远端的服务器发送过来 的各种实验数据。若有图像压缩数据传来，还要解压缩，并进行图像的播放。 3 视频监视端 视频监视端负责将设备的运行情况拍摄下来，以视频信号的方式发送给服务器 端。视频监视系统对网络的带宽要求比较高，必要时需要对图像数据进行压缩处理。 此时可根据所传输图像的大小容量决定采用硬件压缩还是软件压缩。对于实时的流视 频捕捉和单帧的视频捕捉可利用捕捉视频卡和视频的软件开发包进行处理。 本系统采用的是网眼p c 3 7 0u s b 摄影机，它是全世界第一台数位摄影机兼具数 位相机功能的二机一体双频机种，拥有独特的自动焦距功能与快拍钮，也是一款不需 插卡的数位式摄影机，使用屉新电脑介面u s b ，安装简易，使用方便，支援热拔插， 随插即用。网眼p c 3 7 0 摄影机采用高解析度3 7 万画素c c d ，硬体压缩方式将视讯 南京航空航天大学硕士学位论文 影像输入至电脑中，不向其它同类产品采用软体方式的视讯压缩，故使用网眼p c 一3 7 0 摄影机能减少c p u 的负担，并且能得到较快的速度( c i f 每秒3 0 格) ，并网眼 p h o t o c a m 摄影机采用影像光源自动增益补强技术，故能显视较佳的画面，品质比一 般同级产品好，影像较清析。可以透过网眼摄影机的高解析度影像的画面捕捉，录下 整段的影像，并将它传给对方。 2 2 双轴运动控制系统的软件组成 2 2 1 p m a c 控制器的系统软件 p m a c 的系统软件p e w i n ( p m a c e x e c u t ef o r w i n d o w s ) 是设各自带的 功能强大的开发工具，能对系统进行控制和测试，创建和管理p m a c 应用系统，提 供了与p m a c 进行联系的终端界面，用户可以很方便的使用p e w i n 设置系统参数， 编写p m a c 运动程序和p l c 程序。另外，p e w i n 还包含了一些列设置和使用p m a c 及其附件的工具，包括使电机微动的界面，观察p m a c 参数和状态的界面，以及从 p m a c 中画图和分析数据。它是基于w i n d o w s 操作系统的可执行程序，它能够方便 地配簧、控制、调试p m a c 系统。p e w i n 充分利用了w i n d o w s 窗口操作环境的优点， 界面友好，功能十分强大。但是p e w i n 仅仅是为用户提供了一个编制p m a c 应用软 件的方法和示例，它的设计思想也主要是面向普通的应用场合，因此在一个具体的应 用中使用p e w i n 这个具有强大兼容性的软件没有必要也不切实际，p e w i n 的许多功 能可能都用不上。可见，对于某一特殊的应用问题，p e w i n 就会缺少了解决好办法。 p a t l k d t 是d e l t at a u 的3 2 位驱动器p c o m 3 2 的用户界面。p t a l k d t 是用户 用a c t i v e xc o n t r o l 的形式开发的，它的应用可以减轻编写程序的繁重负担。p t a l k d t 可以灵活地应用于3 2 位版本的v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，d e l p h i 或者c + + b u i l d e r 以及 任何支持a c f i v e x 控件的开发包。p t a l k d t 提供了同p m a c 的快速而稳定的通讯， 用户可以致力于人机界面的功能开发，而不必再在如何编写与p m a c “对话”的软件 上花费太多心思了，p t a l k d t 为用户的应用程序提供与p m a c 即时通讯的能力。本 课题主要利用的就是p w 儿k d t 软件。 p m a c 有四种变量：p 、q 、i 、m 变量，其中p 、q 、m 为用户变量，而i 变量 则是初始化变量，i 变量决定卡的工