（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的贴片机的非线性自适应逆控制的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 abstract m o t i o nc o n t r o li so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rs m tm o u n t e r m o s t c o m m e r c i a lm o u n t e rs y s t e mc u r r e n t l y e q u i p p e d w i t hc o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o ll e r sd u et ot h e i rs i m p l es t r u c t u r ea n de a s yd e s i g n i nf a c t ，s m t m o u n t h e a d e ri sam e c h a n i c a la r mw it hf o u rj o i n t s a n dd y n a m i ce q u a t i o n s o fam e c h a n i c a la r ma r e t i g h t l yc o u p l e d ，h i g h l y n o n l i n e a ra n d u n c e r t a i n u s i n gap i dc o n t r o l ，h o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v ea m o t i o nc o n t r o l p e r f o r m a n c e w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fm o d e r nc o n t r o l t h e o r i e s ，m o r ea n dm o r ec o n t r o lm e t h o d sa r ea p p l i e dt os o l v i n gt h i s p r o b l e m t h ea d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o lt h e o r yi sah o v e lm e t h o dt h a ti sy e tn o t m a t u r ea n dp e r f e c tt h e o r ys y s t e mp r o p o s e da n dd e v e l o p p e db yw i d r o w i n r e c e n ty e a r s ，i t sr e s e a r c hh a sy i e l d e dt h es u b s t a n t i a lr e s u l ti ns o m e c o n t r o lf i e l d so fc o m p l e xs y s t e m ，s oi t ss u p e r i o r i t yw a sd i s p l a y e ds h a r p l y b e c a u s et h i st h e o r yi n v o l v e sal o t sp r o f o u n dm a t h e m a t i c sk n o w l e d g e 。m a n y f o r m u l a t i o n sa n dc o n c e i v ei sy e to p e n ，w h i c ht h ed e p t ha n dt h eb r e a d t h o ft h et h e o r yr e s e a r c h h a v ea l s ot h ev e r yb i gs p a c e ，a n dt h ed e p t ha n d t h eb r e a d t h t h et h e o r ya p p l i c a t i o nr e s e a r c hh a v eh u g es p a c e t h ep a p e rh a ss t u d i e dt h en o n - 1 i n e a ra d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o lt h e o r y a n dm o u n t e rs y s t e m ，a l m l n ga t i n a u g u r a t l n gan o v e la d a p t l v e i n v e r s e c o n t r o lm e t h o df o rm o u n t e r ，a l s os i m u l t a n e o u s l yg i y e sa d a p t i v ei n v e r s e c o n t r o lt h e o r yd e m o n s t r a ti o ns u p p o r ta n dr i c ht h et h e o r ys y s t e m t h ep a p e rp r e s e n t e dan o v e lm e t h o dt h a th a su s e ds t r u c t u r eo f n o n l i n e a ra d a p t e df i i t e rt oc a r r ym o u n t e ra d a p t i r ep l a n tm o d e l l i n g ，t h e i n v e r s em o d e l l i n ga n do b t a i n e dt h ec o n t r o l l e r ，a n dp r e s e n t e do n ek i n do f n o n l i n e a r a d a p t i v e i n v e r s e c o n t r o l s y s t e m w i t haa d a p t i v en o i s e c a n c e l l e r a c c o r d i n gt ot h ea d a p t i v ei n v e r s et h e o r yi ns o m eh e u r i s t i c q u e s t i o n s ，p r o p o s e dm o u n t e r ss y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la l g o r i t h ma sw e l l a si m p r o v e dt h ef i i t e r e d 一l m sa l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h em o d e l l i n gm e t h o di sa d v a n c e da n dt h ee f f e c ti s g o o d t h i sk i n do fn o n 一1 i n e a ra d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o ls y s t e mc o n v e r g e n c e s p e e di se x t r e m e l yf a s t ，a n de l i m i n a t e st h ep e r t u r b a t i o na b i l i t yi sv e r y s t r o n g t h ec o n t r o lo fp l a n t sd y n a m i cr e s p o n s ea n dp l a n t 7 sd i s t u r b a n c e e r a s i o ni sr e s p e c t i v e l yd o n e t h e yd o n ti m p a c te a c ho t h e r t h a tm a y e n h a n c et h es y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt h ea sf a ra sp o s s i b l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 i n t e r f e r e n c ee li m i n a t i o n t h ed e s i g n e da d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o ls y s t e m ， n o to n l yw a sa l l o w e dt oo b t a i nt h eg o o dd y n a m i cr e s p o n s e ，b u t a l s oc a u s e d t h en o i s ea n dt h ep e r t u r b a t i o nr e d u c e st om i n i m u m f i n a ll y ，t h ep a p e rp r e s e n t e dat y p eo fo p e nm o t i o nc o n t r o ls y s t e m w i t ha d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o lb a s e do nd s p a n dp r e s e n t e dt h eh a r d w a r e m o d u l a r i o nr e a l i z a t i o na n dt h es o f t w a r em o d u l a t i o nr e a l i z a t i o n k e yw o r d s ：m o u n t e r ：n o n l i n e a ra d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o l ；m o d e l i n g ；f i l t e r e d el m sa l g o r i t h m ：n o n l i n e a rf i i t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 。1s m t 贴片机技术现状及课题意义 s m t 技术是随着r r 技术和i c 的微型化而发展起来的p c b 装配技术，其特点是高密度， 高精度、微型化，是光机电一体化最尖端的应用领域也是r r 技术发展的基础，广泛应用 于计算机主板、手机、数码相机、数字化装置、p l c 、变频器等尖端产品的p c b 装配工序。 随着电子产品向微型化、便携式、网络化和多媒体方向迅速发展，s m t ( s u r f a c em o u n t t e c h n o l o g y 表面贴装技术) 在电子工业中正得到越来越广泛的应用，并且在许多领域部分或 全部取代了传统电子装配技术，s m t 的出现使传统电子装配技术发生了根本的、革命性的 变革“1 。 贴片机将s m t 元件粘贴在p c b 的相关位置上，此类设备分为中速、高速高精度和超高 速高精度等几种。生产此类设各的公司有德国西门子、a t l a n t i c ，a u t o t r o n i k 、日本日立、富 士、三洋、松下、雅马哈、韩国三星、1 1 3 、美国m p m 、环球仪器公司、港资企业日东电子 设备等。三洋高科技有限公司的t c m - 3 0 0 0 系列直接驱动高速高精密贴片机中d d ( 直接驱动1 机械旋转头分辨率0 0 0 7 0 ，脉冲，带xy ，z 三轴实时校正补偿功能。a s s e m b l e o n 公司的a c m m i c r o 多功能高精度贴片机，用于高精度贴装异形组件，产能4 5 0 0 片l 小时，贴装精度9 p m 3s i g m a ；f c mm u l t i f l e x 超高速表面贴装机，产能加万片d 时，贴装精度7 5 p m 3s i g m a ；雅 马哈公司的w1 8 0 x g 超高速贴片杌，产能9 5 m s 片。贴装精度5 0 p r o ；日立高科技株式会社 的t i n t 一5 1 0 0 系列高质量多功能贴片机，其贴装头具有2 组共4 套直接驱动机械旋转头，超 高分辨率0 0 0 7 0 胁：冲：富士公司的c p 7 4 3 e 高速贴片机产能6 8 m s 片；西门子公司的s i p l a c e h s 一5 0 超高速贴片机，产能5 万片l 小时，贴片精度6 7 5 p r o 3s i g m a l 2 1 。 经过3 8 年的市场竞争与淘汰，生存下来的十几个品牌的贴片机中，一些大公司始终保 持技术领先的地位。十多年来，国内先后有十来家企事业单位从事过贴片机的国产化工作， 但都没能形成气候。那么，研制国产贴片机究竟难在何处? 据我分析有这样一些难点：首先， 贴片机本身发展很快，技术要求不断提高，企业投入较大而收益却不定；其次，贴片机是机 电光计算机等多学科一体化的高技术精密设备，国内企事业单位各方面技术力量基础有限： 这些就是多年来国内贴片机国产化迟迟无法取得突破的原因所在。 中国贴片机市场前景极其广阔，这块”大蛋糕* 应该也必须有中国企业的一份，否则与电 直南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 子制造大国的地位不相称。因此有眼光有实力并愿有所作为的中国大企业及研究人员责无旁 贷，这对于提高我国s m t 生产线的国产化和自动化水平、推动我国s m t 技术和r r 技术的 发展具有非常重要的现实意义和应用前景。 运动控制技术是s m r 贴片机的关键技术之一。运动控制技术作为机电体化技术的核 心部分，提高其技术水平缩小同发达国家的差距，是摆在我们面前的一个重大课题。 运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。 按照使用的动力源的不同，运动控制主要可分为以电机作为动力源的电气运动控制、以气体 和流体作为动力源的气液控制和以燃料( 煤、油等) 作为动力源的热机运动控制等。随着微电 子技术和电力电子技术以及微计算机控制技术的发展，在这几种运动控制中，电气运动控制 因其具有易实现与计算机接口等明显优点而成为运动控制的主流，大多数中小功率的运动控 制系统都是采用电气控制。电气运动控制就是以电机作为动力源，通过对电动机的控制来对 执行机构运动的位置、速度、加速度实现精确控制。 s m t 贴片机的贴片头实际上一个四关节的搬运机械手。因为机械手的动力学方程是具 有强耦合、高度非线性和高度不确定性的，使用单纯的p i d 控制器很难完成期望的运动控制 性能要求硎。随着现代控制理论的发展，众多控制算法都在尝试解决这个问题。 1 2 非线性控制的理论和方法 自动控制理论的发展是随着杜会需求的发展而不断发展的。历经近一个世纪的发展，线 性系统控制理论己十分成熟，并且获得了许多成功的应用，渗透到人类生活的各个方面。但 随着科学技术的不断进步被控对象和工业过程越来越复杂，控制要求也越来越高，使得现 有的线性控制理论与方法远远不能满足要求。随着航天控制、过程控制、远程机器人控制以 及生物医学工程等学科的发展，相应出现了一些强非线性系统的控制问题。因此，研究非线 性控制理论不仅具有理论意义，还具有巨大的社会应用价值。非线性控制已成为控制理论研 究领域的热点和重点。与线性系统控制理论的完整性和系统性相对照的是，由于非线性系统 的多样性和复杂性，非线性系统控制还缺乏一个完整的、系统的研究体系和有效的分析工具， 还需进尸步完善和发展。但在非线性控制研究过程中，针对某些具体类型的控制问题，出现 了一些重要的、具有代表性的理论和方法。 1 描述函数法 由英国的d a n i e l 于1 9 4 0 年首次提出。研究对象可以是任意阶次的系统，但其中只有执 行机构具有非线性特性，忽略了非线性因素造成的高次谐波成分，仅使用基波分量来近似描 述其非线性特性。 2 相平面法 由p o i n c a r e 于1 8 8 5 年首先提出，是的一种求解常微分方程的图解方法，能给出系统的 全都动态特性，能同时适用于解析、非解析、线性和非线性系统，但局限于二阶及简单三阶 系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 3l y a p u n o v 方法 这是迄今为止最完善、最一般的非线性分析方法旧是分析和研究非线性控制系统稳定 性的经典理论，主要用于分析系统的稳定性和镇定综合，具有不可替代的作用。缺点在于欠 缺构造助l y a p u n o v 函数的一般性方法。 4 微分几何方法 微分几何方法的实质是通过非线性反饭或动态补偿，将非线性系统变换为线性系统。经 h e r m a n n ，l o b r y , b r o c k e t t ，i s i d o r i 等学者的积极倡导，非线性系统的微分几何控制理论在近二 十年的非线性控制研究中成为主流，在理论上形成了自己的完整体系，分为状态反馈精确线 性化和输入箱出解祸线性化两大类。其主要缺点是使用的数学工具较抽象，研究对象只是特 定的一类非线性系统，对系统模型精度要求很高，因而对参数摄动不具有鲁棒性，在涉及系 统的可逆性和在动态反馈下的结构性质时呈现病态，实际应用难以实现。 5 变结构控制 变结构控制产生于5 0 年代，8 0 年代后逐渐受到重视。这种控制方法本质上是种开关 型控制，它要求频繁、快速地切换系统的控制状态。变结构控制与常规控制的根本区别在于 控制的不连续性，即一种使系统结构随时间变化的开关特性，其滑动模态具有对摄动及干扰 的不变性，可赋予系统各种良好的性能与品质，具有很强的鲁棒性能。理想的交结构控制需 要理想的切换，但实际系统中由于存在惯性、时滞等非线性因素，会产生振颤现象对某些 未建模部分起到激励破坏作用，从而影响滑动模态的优良性能。 6 逆系统方法 逆系统方法是另一种反馈线性化方法，适用于对一般非线性系统进行研究，近年来得到 显著发展，在非线性系统解藕线性化控制方面取得了一系列理论研究成果。其基本思想为： 对于给定系统，首先利用对象模型生成一种可用反馈方法实现的“a 阶积分逆系统”，将逆系 统与原系统复合得到具有线性传递关系并解藕的伪线性系统，最后利用线性系统的各种设计 理论来设计控制器。遂系统方法概念清晰直观，其缺点是需要原系统的精确数学模型，而且 还需要求出逆系统的显式表示，这些在实际工业控制过程中是难以满足的，戴先中等人提出 的基于神经网络的逆系统方法在一定程度上克服了以上不足。逆系统方法和徽分几何方法存 在同样的缺点一如果直接应用于控制则鲁棒性较差，还需要增加额外的控制策略予以弥补。 7 智能控制 智能控制是自动控制发展的高级阶段，是控制论、系统论、信息论和人工智能等多种学 科交叉和综合的产物，为解决那些用传统方法难以解决的复杂系统控制提供了有效的理论和 方法。常见的智能控制方法有：( 1 ) 模糊控制( 2 ) 神经元网络控制( 3 ) 专家控制( 4 ) 分级递阶智能 控制( 5 ) 拟人智能控制( 6 ) 智能p d 控制等 智能控制作为一门新兴学科，对研究非线性系统控制极具潜力，目前仍处在形成和发展 的过程中，尤其是智能控制的基本概念和理论体系的建立，对稳定性、收敛性和鲁棒性等的 描述，动、静态性能指标的提法都还有待于深入研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 自适应逆控制的发展 1 3 1 经典控制理论 1 9 4 8 年，wr e v a n s 提出“根轨迹”法理论，标志着控制工程发展的第一个阶段基本完 成。2 0 世纪5 0 年代是自动控制经典理论( c l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y ) 的x 展期和成熟期。建立 在奈奎斯特判据及伊万斯根轨迹法两大基础之上的经典控制理论对解决单输入、单输出的线 性系统非常有效。而根据偏差的比例、积分、微分实现的控制( p d 控制) 更成为控制系统中 应用最为广泛的一种控制规律闭。实际运行的经验和理论分析都表明运用这种控制规律对许 多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。但是，经典控制理论存在一些固有的局限： ( 1 1 经典控制理论只适用于单输入、单输出线性定常系统。对时变系统、复杂非线性系统和 多输入多输出系统无能为力。 用经典控制理论设计控制系统只能根据幅值裕度、相位裕度、超调量、调节时间等笼统 的性能指标来确定校正装置，该设计方法很大程度上依赖于设计者的经验。对同一要求可设 计出几个性能和质量不同的系统，但无法确定哪种系统是最优的。 经典控制理论在设计时无法考虑初始条件，且不便于使用计算机分析和控制。随着科学 技术的发展，人们所研究的对象已经由单输入、单输出的简单系统发展成多输入、多输出的 复杂系统，设计的控制系统需要具备实时信息处理、排除干扰、寻求最优操作条件和适应环 境的改变面改变自身性能等要求。特别是在研究空间技术时遇到的控制对象的参数和控制作 用往往是时变的，它们的数值还受到一定的限制。由于这些客观需要的推动，同时数字计算 机得到了广泛应用，在2 0 世纪6 0 年代前后，控制理论由经典控制理论发展到现代控制理论。 1 3 2 现代控制理论 在1 9 6 0 年的第一届美国自动控制联合会年会上，首次提出了“现代控制理论”的名称。 该理论以下述三个方面作为其形成的标志： f 1 ) 用于系统的整个播述、分析和设计过程的状态空间方法： ( 2 ) 最优控制中的p 0 n t r y a g i n 极大原理和b e u m a n 动态规划； f 3 ) 随机系统理论中的k a l m a n 滤波技术。 般认为，现代控制理论包括系统辨识和参数估计两个互相关联的领域，其主要内容包 括：系统辨识、最优控制、最优估计。并由此产生了众多的分支学科，如线性系统理论、系 统辨识、最优估计理论、最优控制理论、自适应控制理论、大系统理论。现代控制理论通过 对被控过程的运动规律进行定量描述来设计控制系统。它主要通过状态空间方法，在时域范 围内研究系统状态的运动规律，并实现最优化设计。该理论的形成背景使其具有许多经典控 制理论不具备的优点：它适用于多输入多输出系统、线性或非线性系统、定常或时变系统： 采用时域的分析方法对于控制过程来说是直接的；采用基于确定一个控制规律或最优控制策 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 略作为设计系统的方法，可以使得某个性能指标为极小；应用滤波器或有源网络可以对比较 简单的系统实现最优策略，采用数字计算机可以对复杂系统产生最优控制策略；另外，在现 代控制理论的综合步骤中还能考虑任意初始条件。 但是应当看到，现代控制理论的分析、综合和设计都是建立在严格和精确的数学模型基 础之上的。而在科学技术和生产力水平高速发展的今天，人们对大规模、复杂和不确定性系 统实行控制的要求不断提高。因此，传统的基于精确模型的控制理论的局限性日益明显。在 这样的需求推动下。产生了智能控制。 智能控制对于环境和任务的复杂性有更大的适配程度。与常规控制相比较，它所涉及的 控制范围更为广泛，控制的目标更为一般化，在处理控制问题时，控制对象与控制器不明显 分离，控制律可以嵌入对象之中而成为被控系统的一部分。可以认为智能控制的控制问题是 常规控制问题的一种增强形式，它具有任意性和一般性。 1 3 - 3 自适应逆控制 智能控制的蓬勃发展，使得众多相关学科之间互相渗透，产生了许多新的控制方法。自 适应逆控制( ( a d a p t i v ei n v e r s ec o n t r 0 1 ) 以信号处理的方法解决某些控制问题，成为控制系统和 调节器的设计中一种很新颖的方法。1 9 8 3 年6 月在美国旧金山市举行的第一届“控制和信号 处理中的自适应控制系统”的i f a c 专题研讨会( f i r s ti f a c w o r k s h o po l ia d a p t i v es y s t e m si n c o n t r o la n ds i g n a lp r o c e s s i n g ) 上，b e r n a r dw i d r o w 等人宣读了一篇题为“a d a p t i v es i g n a l p r o c e s s i n g f o r a d a p t i v e c o n t r o l ”的论文：并于1 9 8 6 年7 月在瑞典l a n d 举行的t h e s e c o n d i f a c w o r k s h o po l la d a p t i v es y s t e m si nc o n t r o l a n ds i g n a lp r o c e s s i n g 会上做了给“自适应逆控制”命 名的主导性发言，这引起学术界极大关注。 1 9 9 1 年4 月1 5 1 7 日在r 西n i a 的综合工艺研究所召开了第一次主动控制声音和振动国 际会议，英国航空航天局的作者发表的论文描述了关于利用自适应逆控制方法为商用飞机上 的客舱消除噪声问题。近年来，随着神经网络理论渗透到各个领域，对自动控制产生了深远 的影响。自适应逆控制借助于神经网络很好地推广到了非线性系统，在控制不确定性和复杂 性及达到高的控制性能方面的优势尤为突出。并且，非线性滤波理论的出现为一类输入输出 关系呈高度非线性的系统提供了建模的有效手段。 到目前为止，国外研究自适应逆控制比较多，而且在很多方面都得到了应用，如心电图 噪声消除、飞机摆动控制等。在美国能源部设在斯坦福大学的斯坦福直线加速中心( s l a c ) 。 电子束控制中的自适应噪声消除系统是最为成功的应用一个8 输入8 输出的自适应消除器， 被用于实时控制2 英里长的高能线性加速器中的离子束。使离子束的位置被控制在l m 的 范围内。而在我国，这方面的研究还很少。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 高速贴片机运动控制 l 4 1 贴片机的各轴组成和运动方式 贴片机机械系统根据功能划分为：贴装头、x - y 运动机构、送板机构、送科装置等四 个模块嘲，各模块分别实现不同的功能。 图1 一l 贴片机运动各轴组成 f i g 1 - z c o m p o 娩o f m o t i o na x i si nm o u n t e r 表l 一1 各轴功能表 轴功能 各注 x 平行于p c b 板流程移动头部组装件 y 垂直于p c b 板流程移动头部组装件 z 贴片头组装件竖直方向贴装高度 r 旋转头组装件一组电机 w 调整传送宽度 p u 执行竖直方向顶板操作 两组电机 一组电机 一组电机 1 4 1 1 贴片头 贴片头是贴片机关键部件，它拾取元器件后能在校正系统的控制下自动校正位置，并将 元器件准确地贴放到指定的位置。贴片头的发展是贴片机进步的标志，贴片头已由早期的单 头、机械对中发展到多头光学对中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 4 1 2x - y 、7 0 运动机构定位系统 1 x - y 定位系统 x y 定位系统是贴片机的关键机构，也是评价贴片机精度的主要指标“，它包括x y 传动机构和) ( y 伺服系统。它的功能有两种，一种是支撑贴片头，即贴片头安装在x 导轨 上，x 导轨沿y 轴方向运动从而实现在x - y 方向贴片的全过程，这类结构在通用型贴片机 中多见；另一种功能是支撑p c b 承载平台并实现p c b 在x y 方向移动这类结构常见于 塔式旋转头类的贴片机中。 随着s m c s m d 尺寸的减少及精度的不断提高，对贴片机贴装精度的要求越来越高， 换言之，对墨y 定位系统的要求越来越高。丽x ，y 定位系统则由ky 伺服系统来保证， 即上述的滚珠丝杠一直线导轨及及齿形带一直线导轨，是由交流伺服电机驱动，并在位移传 感器及控制系统指挥下实现精确定位，因此位移传感器的精度起着关键的作用。目前贴片机 上使用的位移传感器有圆光栅编码器、磁栅尺和光栅尺。编码器在工作时，可以检测出转动 件的位置、角度及角加速度，它可以将这些物理量转换成电信号，传输给控制系统，控制系 统就可以根据这些量来控制驱动装置因此，圆光栅编码器通常装在伺服电机中，而电机直 接与滚珠丝杠相连。贴片机在工作时，将位移量转换为编码信号，输入编码器中，当电机工 作时，编码器就能记录丝杠的旋转数，并将信息反馈给比较器，直至符合被测线性位移量， 这样就将旋转运动转换成了线性运动，保证贴片头运行到所需位置上。采用圆光栅编码器的 位移控制系统结构简单，抗干扰性强，测量精度取决于编码器中光栅数及滚珠丝杠导轨的精 度。 2 z 轴控制 在通用型贴片机中，支撑贴片头的基座固定在x 导轨上，基座本身不做“z ”方向的运动。 这里的z 轴控制系统，特指贴片头的吸嘴运动过程中的定位，其目的是适应不同厚度p c b 与不同高度元器件的贴片需要。z 轴控制系统常见的形式有下列几种。 圆光栅编码器一a c d c 马达伺服系统 在通用型贴片机中，吸嘴的z 方向伺服控制与x - y 伺服定位系统类似，即采用圆光栅 编码器的a c d c 伺服马达一滚珠丝杠或同步带机构。采用a c d c 伺服马达一滚珠丝杠控制 时，其马达一滚珠丝杠安装在吸嘴上方：采用a c d c 伺服马达一同步带控制时，其马达则可 安装在侧位，通过齿轮转换机构实现吸嘴在z 方向的控制。由于吸嘴z 方向运动行程短， 以及采用光栅编码器，通常控制精度均能满足要求。 圆筒凸轮控制系统 在松下m v b 型贴片机中，吸嘴z 方向运动则是依靠特殊设计的圆筒凸轮蓝线实现吸嘴 的上、下运动，贴片时在p ( b 装载台的配合下，完成贴片程序。 3 z 轴吸嘴的旋转口控制 早期贴片机的z 轴吸嘴的旋转控制是采用气缸和档块来实现的。只能做到o 和9 0 。控 制，现在的贴片机已直接将微型脉冲马达安装在贴片头内部以实现日方向高精度的控制。 松下m s r 型贴片机的微型脉冲马达的分辨率为0 0 7 2 0 脉冲，它通过高精度的谐波驱动器， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 直接驱动吸嘴装置，由于谐波驱动器具有输入轴与输出轴同心度高、间隙小、振动低等优点 故吸嘴的日方向实际分辨高达0 0 0 2 4 0 ，脉冲，确保了贴片精度的提高。 1 4 2 贴片机的运动控制 传统的贴片机的控制都是采用p i d 控制田。国外先进贴片机的贴装精度一般保证在0 1 m m 之内吲。例如：富士c p - - 7 3 2 、x p - - 3 4 1 e 贴片机的c h i 口贴片精度达0 0 6 6 m m ( 3 s ) 、q f p 贴片精度达o 0 6 6 m m ( 3 s ) 。a s s e m b l e o n 公司的a c m 系列贴片机z 相配备包括直线电机 的“持续校正”模块在9 d 4 0 0 0 克范围内控制贴片力；m y d a t a 公司z 轴在0 6 6 n 范围内拥 有2 8 段贴放力控制，力步距为0 2 n ，贴片力可视元件材质锡膏状况、厚度而设定。由前面 的贴片机的关键技术分析可知，控制技术是核心问题，也是本文要研究的主要问题。贴片机 的控制问题主要是对贴片机的运动控制研究。 1 4 。2 1 砧片机的主控计算机 贴片机的发展经历了手动、半自动、全自动贴片机三个时期，目前绝大多数正在使用的 贴片机都属于全自动贴片机类型。全自动贴片机是机一电一光及自动控制、计算机技术的综 合应用。它通过拾取、移动、定位、贴装等功能，将表面贴装器件( s m d ) 快速而准确地贴装 到p c b 板指定的焊盘位置上。贴片机对所有元件的贴装是按顺序进行的：拾取，贴装头先移 动到指定的喂料器位置上拾取要贴装的元件，再通过视觉处理系统对贴装元件进行检测和对 中，最后移动到p c b 板上的指定焊盘位置上贴装元件：在这一过程结束后，拾取贴装头又移 动到喂料器拾取下一批元件、再进行识别、贴装操作，如此周而复始，直到所有元件都贴装 完。整个流程完全由计算机控制自动完成，无需人力介入。所以。对运动控翩部分的速度、 精度等都提出了很高的要求。 根据生产任务在主控计算机上进行编程，主要任务有三项w ”： ( 1 ) 对每个需要贴装的元器件，按照元器件轨道设置文件进行装料，并安放于分配到的元 器件供料轨道上。 ( 2 ) 根据待加工f c b 的宽度将贴片机传输轨道调整到相应的宽度。 ( 3 ) 依据贴片任务需要来设定吸嘴配置，进行相应的吸嘴更换。其次，等这些准备工作结 束后，就进入p c b 坐标识别步骤，对p c b 定位处理。若该块p c b 的基准点不能够被识别， 就放弃贴片，并传送到输出端轨道处：若该块p c b 通过视觉系统的判别，则它就被正确定 位于贴片工作区。旋转头按照加工程序到相应的供料轨道上取料，然后到指定的贴片位置 进行贴装。如果在贴片过程中发生故障，如元器件供料轨道、机器驱动及气路等控制有问题， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 机器会做出相应的报警提示。假如排故成功可继续贴片。宣至完成所有的元器件的贴装，否 则退出贴片作业，p c b 传输到输出端轨道上。对一块p c b 贴片作业完成后，自动进入下一 个p c b 作业循环。 1 4 2 2 贴片机的运动控制 将运动控制分为三个层次，由低级到高级逐步完成贴片的各种动作。 第一层是基本运动控制。包括各轴的回复原点、各轴按指定速度，加速度运动到指定位 置、x 、y 轴插补控制、y i 、y 2 轴同步控制、传送带的控制、各轴的伺服报警等。例如，轴 模块属性为速度( 速度上限、速度下限) 、加速度( 加速度上限、加速度下限、加速度曲线) 、 当前位置、目标位置、超行程位置、轴运行状态、轴报警信息。轴模块方法为运动、停止、 回原点等。 图1 2 各轴的运动控制种类 f i g 1 2a t c g o r yt om o t i o nc o n t r o lf o rm o u n t c r s a x i s 第二层主要为开始贴装p c b 之前的预备动作。第一步传送p c b 板、到位停止。传送板 模块的属性为传送速度借送速度下限、传送速度上限) 、传送板出错报警。传送板模块的方 法为传送板动作、传送板停止。第二步是夹板、项板、定位等操作。第三步是吸嘴吸放动作 控制。第四步是吸嘴角度校正动作控制。第五步是飞行换嘴控制。第六步是废弃动作控制。 第三层为贴装动作。第一步是拾取芯片内容包括、y 行走控制、喂料器控制、吸嘴 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 吸放动作控制和飞行换嘴控制。拾取芯片的属性为芯片类型、拾取芯片报警。第二步是贴装 芯片。内容包括：x 、y 行走控制、吸嘴吸放动作控制、飞行换嘴控制和吸嘴角度校正动作 控制。第三步是废弃芯片。内容包括：x 、y 行走控制、废弃动作控制。 各个轴需要程序实现的运动控制方式分为基本运动和组合运动， 基本运动包括所有 轴的原点复位、恒速运动、以给定的加速度，速度运动到目标位置；组合运动包括x 、y 轴 的直线插补运动、匀加速的之字形运动：z 、p u 轴的匀扼速上下运动：r 、w 轴的匀加速正 反运动等系统的精度起着关键的作用。定位精度对最终的贴片精度的影响至关重要，同时由 于实时的要求，速度也是个非常重要的因素，因此，需要提出一种高精度且快速的算法才能 满足系统要求。 1 4 2 3 贴片机的自适应逆控制 自适应逆控制的出现，并不是为了填补自适应信号处理和自适应控制两大学派之间的缝 隙，而是用自适应信号处理的一套方法从另一个角度来触及自适应控制中的某些问题。 作为一种智能控制，自适应逆控制是一种新颖的控制方法，具有不同于传统控制的独特 之处。它的开环控制方式使得控制过程和扰动消除过程可以分开进行，两者都具有最优的性 能。自适应逆控制对于不稳定和稳定的、非最小相位和最小相位的、非线性和线性的以及多 输入多输出和单输入单输出的对象都表现出优良的控制品质，且对各种对象类型都可以给出 模型参考控制。 我们知道控制理论的任务是：对于一个给定的动态对象，使其尽可能精确地按照设计者 指定的方式运行。这一目标包括两个任务：对象动态特性的控制和对象扰动的控制。通常是 使用反馈手段同时处理这两个问题，因此为了达到较好的控制目的，必须在好的动态响应和 好的扰动控制之间做一些折衷。而自适应逆控制方法成功地解决了上述问题，其基本思想的 确立，最早期的有关工作是在w i d r o w 关于血压调节的一篇文章中提到的【2 】。该方法利用一 个串联控制器来达到系统动态特性的开环控制问题，这个控制器的传递特性与被控制对象的 逆的特性相同，并且能自适应地调节自身参数，使其与对象的总体动态响应达到最优。和传 统的控制不一样，自适应逆控制采用反馈不是为了控制系统中的信号流动，而是仅仅限于自 适应过程中用于控劁系统可变参数的调整，这避免了因反馈可能引起的系统不稳定，同时又 能做到对系统动态特性的控制与对象扰动的控制分开处理而互不影响。 采用自适应逆控制对给定动态响应的实现往往比较容易，甚至能得到一些特殊的响应 例如，能够控制一个稳定的振荡型对象，使整个系统对一个阶跃输入的响应，除了一个很小 的延时外，仍然是个非常好的阶跃，即具有很陡的上升前沿且无超调：而这样的一类响应是 很难用传统的方法来获取的。 自适应逆控制作为一种全新的控制方法，为解决复杂对象的控制问题提供了一条新的途 径。在自适应逆控制中，以w i e n e r 滤波器理论为基础方便而简洁的解决了对象建模和逆 建模问题，设计的开环控制结构使被控对象输出与参考模型输出以最优的最小二乘匹配：同 时实现了一种特殊扰动消除系统结构，它可以消除对象的扰动而不改变对象的动态特性，也 就是说，动态特性控制的最优并没有牺牲掉对象扰动控制的最优。目前，在国内外。关于贴 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 片机的控制理论研究的成果多集中在p i d 控制领域嘲，还没有自适应逆控制应用于贴片机控 制领域方面的研究介绍。鉴于这种控制方式具有优良的动态自适应控制性能和简单易实现等 特点，它必将为贴片机控制研究领域注入新的生命力。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题以通用高速贴片机的位置控制为研究对象，对贴片机系统的精确定位控制问题进 行了较为深入的应用研究，设计了一个自适应逆控制控制系统，提高响应速度，实现精确轴 定位控制及联动定位控制。 在查阅、分析大量国内外相关领域资料的基础上，对贴片机的自适应逆控制问题进行综 述。系统学习自适应逆控制理论以及信号滤波理论等相关领域理论，创造性地应用理论 得到贴片机运动控制系统的研究和设计方法。 贴片机的建模与逆建模，扰动消除器的建模，控制器的获得。 对贴片机的控制在自适应逆控制进行系统的研究，设计一个贴片机的自适应逆控制系 统。 仿真研究。采用m a t l a b 软件对系统进行了仿真，验证所提方案的合理性。 贴片机的自适应逆控制的的硬件实现，软件实现基本构架和主要功能块的完成。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 第二章非线性系统建模机理及分析 2 1 非线性系统可逆性分析 若已知系统是可逆的，可以通过一定的方法求取它的逆系统。对于线性单变量系统，系 统的可逆性是很显然的。线性多变量系统，经过适当矩阵变换也可得出。实际上与之对应的 是系统的能观性问题。 对于贴片机这样一个非线性系统，情况要复杂得多，通常要基于特定的非线性模型来求 取逆系统，这里我们考虑非线性动态系统的可逆性。设有一个未知单变量输入、输出系统， 可以推广到m i m o 系统，可用如如下n 维状态方程表示： j x ( k + 1 ) i 【x ( k ) ，o ( k ) 】，f ( o ，o ) - o( 2 - 1 ) l y 0 0 h 【x ( k ) 】 假设系统( 2 1 ) 是有界输入有界输出( b i b o ) 稳定，则系统存在非线性自回归滑动平均模 型( n a r m a ) 柳，可表示为： y ( k + d ) 。f ( y k ，1 , 1 k 】( 2 - 2 ) 其中yk = 【y ，y ( k 一1 ) ，y ( k - n + d 】1 uk = u ，u ( k - 1 ) ，u $ m + l 】， 式中，d 一系统延迟能够保证系统逆的存在，y 一输出，u 输入，e 一非线性函数，n ，m - - 输入和输出时间序列的阶次，m n 2 1 1 可逆性定义 m + n - i 设子集合a e r尉于a 中任一元桑： y ( k ) ，y ( k 1 ) ，y ( k - n + 1 ) ；l l ，u 0 ( - d u o 【- m + 1 ) ， 如果任何两个不同的输入“t ，u2 ( k ) ，都使得 f 【y ，y ( k - 1 ) ，y ( k - n + 1 ) ；“l0 0 ，u 皿1 ) ，u ( k - m + t ) f y 0 0 ，y ( k 一1 ) ，y ( k n + 1 ) ；u2 体) ，u ( k - 1 ) ，u ( k - m + 1 ) 】 那么，系统n p 在b r ，y ( k - 1 ) ，y ( k - n + 1 ) , u u 1 ) ，u ( k - m + 1 ) 7 上是可逆的。 查童窒鋈盔堂塑主壁塞皇兰垡迨塞! 也蔓 2 1 2 贴片机系统可逆性的存在性说明 贴片矾应该是属于工业机器人的范畴，因此，在其对象模型的的描述上，用机器入的模 型来描述是无可非议的，因此，这里我们把贴片机作为一个四自由度的机器人来讨论。我们 知道，一个机械手的多自由度的运动控制系统，第i 轴( i 1 。2 ，3 ，4 ) 的动力学方程式嘲 可以用 日( 口) 百+ c ( 疗，台) 台+ g ( 口) 一f ( 2 - 3 ) 其中r 为4 x l 控制力矩向量，0 为4 1 维关节角向量，日( 日) 为4 x 4 维惯量阵，c ( o ，台) 为 4 x 4 维哥氏力及离心力矩向量，g ( o ) 为4 l 维重力力矩向量，下面以