（控制理论与控制工程专业论文）数字定位控制系统的研究及其应用.pdf

上海大学研究生论文用纸 摘要 定位控制系统是一种典型的运动控制系统，它以快速、精确定位为主要目标， 是现代高科技各领域中不可缺少、应用十分广泛的一种控制系统。本文以数字定 位控制为主线，主要讨论了定位控制系统的构建、定位控制算法的研究、数字定 位控制系统的实现及其应用等问题。 论文首先介绍了课题背景及研究的目的和意义，在此基础上结合困内外定位 控制系统的发展概况，详细描述了定位控制系统的发展趋势：其后对定位控制系 统基本结构作了全面的综述，重点介绍了半闭环定位控制系统，讨论了它的组成 及性能指标。 其次，从控制算法出发，依据当前定位控制系统的发展，对当前较流行的 p i d 、模糊及单神经元自适应p i d 控制算法进行了介绍，并讨论了它们的数字实 现方法。本文还建立了被控对象的数学模型，通过m a t l a b 对以上提到的三种控 制算法及其混合算法进行了仿真，并依据仿真结果，选择了适合本系统的控制策 略，为系统的实现奠定了理论基础。 再次，本文先讨论了数字定位控制器的实现，由于开放式体系结构的数字定 位控制系统已经成为目前世界范围内工业界的共识，而国内在这方面还停斟在较 低的档次上，为了缩短差距，又将数字定位控制器扩展，开发了一套基于上位机 和多下位机的具有w i n d o w s 操作环境的开放式数字定位控制系统，p c 机与多台 定位控制器之间通过总线实现通信，取得了较好的效果。 最后，将本文设计的数字定位控制系统应用于自动贴片机系统中，结果表| _ i 目， 本文设计的数字定位控制系统达到了预定的要求。 关键字：定位控制，模糊，自适应p i d ，单片机，r s 4 8 5 总线 上海大学研究生论文用纸 a b s t r a c t p o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mi s at y p eo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc e n t r a lo b j e c t s a r ec e l e r i t ya n dp r e c i s i o n i th a sc o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o n sa n di si n d i s p e n s a b l et o h i g hs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e sp o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m m a k i n g ，p o s i t i o n i n gc o n t r o la l g o r i t h m s ，p o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mr e a l i z a t i o na n d a p p l i c a t i o na n d o t h e r p r o b l e m s f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ，p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h i sp r o j e c t c o m p r e h e n s i v e l y c o m b i n e dw i t hd e v e l o p m e n to fp o s i t i o n i n gc o n t r o li nh o m ea n d a b r o a d ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fp o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mi n d e t a i lt h e nt h i sp a p e rf u l l yd e s c r i b e sb a s i cs t r u c t u r e so fp o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m a n dd i s c u s s e ds e m i - c l o s e dl o o pp o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e ma n di t s c o m p o n e n t sa n d p e r f o r m a n c ei n d e x e s s e c o n d l y ，i nt h el i g h to ft h ed e v e l o p m e n to fp o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e ma tp r e s e n t ， s e v e r a l p o p u l a ra l g o r i t h m s - - p i d ，f u z z y a n d a d a p t i v e p i da r ei n t r o d u c e dt h e i r d i g i t a li m p l e m e n t a t i o n m e t h o d sa r ea l s od i s c u s s e d i tp r o p o s e st h em o d e lo fa cs e r v o m o t o ra n ds i m u l a t e sb ym a t l a bw i t ht h et h r e ec o n t r o la l g o r i t h m sa b o v ea n dm i x e d a l g o r i t h m s b a s e do ni t t h e o p t i m a l c o n t r o l s t r a t e g y i sa s c e r t a i n e da c c o r d i n gt o s i m u l a t i v er e s u l t s w h i c hi st h e o r e t i c a lb a s i so f t h ep r 。j e c t sr e a l i z a t i o n t h ep a p e rt h e nd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no fad i g i t a lp o s i t i o n i n gc o n t r o l l e ri n d e t a i l b e s i d e s e n t e r p r i s e sw o r l d w i d eh a v ec o m et o a na g r e e m e n tt h a t o p e na r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r ss h o u l db es e tu pn o 聃a d a y s a n da tp r e s e n t ，d o m e s t i cp o s i t i o n i n gc o n t r o l s y s t e mr e s to n a1e l a t i v el o w e rl e v e lt os h o r t e ng a pi nt h i sa r e a ，a no p e na r c h i t e c t u r e d i g i t a lp o s i t i o n i n g c o n t r o l s y s t e m h i c h c o n s i s t so fam a s t e r - s l a v e ，m u l t ic p u s y s t e m a n dw i n d o w s o p e r a t i o ns y s t e m i s d e v e l o p e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n p c c o m m u n i c a t e sw i t hm u l t i m c ub yb u sa n dt h er e s u l ti ss a t i s f i e d 上海大学研究生论文用纸 a tl a s t ，t h e p o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e md e s i g n e d i s a p p l i e dt o aa u t o m a t i o n c h i p m o u n t e rs y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p o s i t i o n i n g c o n t r o l s y s t e md e s i g n e d a c h i e v e sa n t i c i p a t o r ye f f e c t k e yw o r d s ：p o s i t i o n i n gc o n t r o l ，f u z z ha d a p t i v ep i d ，m c u ，r s - 4 8 5b u s 第一章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 定位控制技术是适应现代高科技需要而发展起来的先进控制技术，是高科技 产品丌发过程中不可或缺的关键手段，它应用现代电子、传感技术及计算机等高 新技术，并综合应用了机械技术发展的新成果，不管是在民用工业，还是在国民 经济建设中都有着极其广泛的应用前景。如机床定位、精密医疗器械、计算机硬 盘定位系统、纺织、自动贴片等。现阶段，作为定位控制领域中一个关键性技术 难题高精度定位，引起了各个国家的高度重视。定位控制技术作为现代高科技 的重要组成部分又推动着自动化生产、计算机、材料加工、医疗、纺织等相关 领域的发展。因此，定位控制技术已成为国家科学技术的重要组成部分，它也是 衡量一个国家科学技术水平的重要标志【4 “。 在定位控制技术的研究和发展过程中，定位控制算法起着决定性的作用，它 是实现高精度定位的基础，也是衡量一个国家定位控制优劣的重要标志。当然， 我国自行研制的定位控制器的性能同美国、日本、德国等国家相比，还存在很大 的差距。而各国对这些技术是严格保密的，因此依靠自己的力量，研究定位控制 系统，既具有重大的理论价值，又具有重要的实际意义。 本课题来源于上海银钻网络信息技术有限公司的重点科研项目“数字定位控 制系统的研究”。其研究的目的是跟踪当今精密定位发展的最新动向，研究和丌 发可以适用于定位的新型数字控制系统，并将各种先进的控制理论和方法应用于 控制系统中，改善系统特性，以满足对定位精度提出的要求。 1 2 定位控制的发展及现状 1 2 1 国外的发展概况f 3 】 伺服定位技术仍是现代科学技术的基础技术之，不论在航空、航天等高精 尖的吲防军r 系统或是在机械、冶金、矿i 等国民经济基础工业中，都无不遍及 定位技术的应用。伺服定位技术的每一次进步和提高，均给上述领域带来巨大的 效益。随着科学技术和生产不断发展的需要，伺服定位技术己逐步形成了一门较 完整的学科体系，正朝着快速、高精度、数字化的方向迅速发展，并活跃存各个 箱1 “共7 4 艇 经济部门和科学领域。 近年来，计算机技术己渗透到各个学科领域，有力地推动着定位控制技术的 发展，目前，美国、同本、德国、韩国等国家的定位控制技术较领先，它们也 相继推出了一系列定位控制器。如美国的g a l i l 公司，自1 9 8 3 年成立之日起， 专门致力于精密运动控制器的开发。现己被世界公认为运动控制领域的先驱及领 导者。它开发的运动控制器采用3 2 位微处理器，可以实现多种运动控制方式， 定位精度可达o 0 1 r a m ，控制轴数可以实现l 8 轴任选。同本在这方面技术也 是领先的，如它们开发的d s s ( s l i d e rt y p e ) 型定位控制器，采用交流伺服电机， 在保证最高速度3 3 0 m m s e c 下，重复定位精度可达0 0 2 m m 。德国的费斯托 ( f e s t o ) 公司也推出了它们的定位控制器，可以实现多轴、多点精确定位控制。 另外，韩国i n c o m 技术公司通用定位控制器r o b o 系列也是目前性能较好的定 位控制器之。 通过对比国外几家著名公司的定位控制系统产品，可以看出目前国外定位控 制系统大都采用数字化控制，速度和位置检测多采用编码器，实现全数字化控制 也是一个总体的发展方向。在以前的模拟电路中，电阻、电容、运算放大器等器 件的特性都会随着温度的改变而改变，这意味着，一个模拟电路的性能在o 时 和在7 04 c 时会大不一样，而数字电路在其保证的工作范围内受温度变化的影响 就要小的多。此外，对于模拟电路来晚，还必须考虑到器件及制造器件的材料的 寿命，这将极大的影响整个电路的性能，如果定位控制系统实现数字化，就可以 省去测速机，充分发挥光学编码器的功能，不仅能实现速度闭环，而且可以实现 位置闭环，进一步提高了控制精度和性能价格比，从而使得其应用前景非常广阔， 主要应用于对控制精度要求高和环境温度变化大的场合。 另外国外开发的伺服定位产品，采用模块化结构，体系结构越来越丌放t 用 户接口越来越完善，大部分都是通用性的，非常适合批量生产，这也是他们的产 品占领市场的一大优势。 1 2 2 国内的发展概况( 1 1 随着国外伺服定位技术的飞速发展，f 时，我国的在这一方面也有了极大的 发展，比如，哈尔滨工! 毗大学精密工程研究所、华中理工大学、国防科技大学、 第2 贝共7 4 负 长春光学精密机械研究所等单位都在从事定位控制方面的研究工作，并取得了阶 段性的成果。但是，对于高速、高精度伺服定位控制技术方面，较国外还有较大 的差距。推出的一些定位控制器，模拟伺服系统较多，且体系结构不够丌放，用 户接口不够完善，部分还只是停留在专用性上，不适合批量生产。 从目前看，我国虽然拥有巨大市场潜力，但致力于这方面研究的人员却较少， 且全数字伺服系统总体上还处于研发初期阶段，本课题乜正是基于这一点提出 的，希望本论文的研究工作能对定位控制系统的研究及其应用做一点有益的工 作。 1 3 定位控制系统的发展趋势 纵观定位控制系统的发展和现状，展望其未来，它的发展趋势主要表现为以 下几个方面： 1 伺服技术将由传统的直流转向交流。可以预见，在不久的将来，交流伺 服将有可能取代直流伺服。 2 伺服系统向更高性能的全数字化、智能化方向发展，以满足高精度数控 机床、机器人、特种加工设备精细进给的需要，这是伺服系统发展的主流，反映 了伺服系统发展的水平和主导方向。 3 伺服系统由以采用模拟电子器件为主转向采用数字电路、微处理器、数 字信号处理器，实现半数字或全数字化，进而由硬件伺服技术转向软件伺服技术。 由于软件伺服技术的发展，极大的增强了伺服系统设计与使用的柔性，同时提供 了丰富的自渗断、保护、显示等功能。根据运行要求，町以很方便的设置参数， 增强了与上位控制机的通信能力。 4 伺服驱动器集成化及采用d s p 微处理器系统是今后的发展趋势，在控制 上由通常所采用的p i ( d ) 控制开始转向应用智能控制理论，注意将模糊控制、 神经网络等新成果应用于伺服系统的研究中。 5 伺服系统中所有的电力f _ c ! 子器件将不断向高频化发展，智能功率集成电 路将进步得到普遍的应用。 1 4 论文的主要工作 第3 负共7 4 负 本文以数字定位控制为主线，主要讨论了定位控制系统的构建、定位控制算 法的研究、数字定位控制系统的实现及其应用等问题。全文共分六章，下面简要 介绍各章的主要工作： 1 介绍了本课题的背景、研究目的和意义，综述了国内外定位控制系统的 发展概况，并比较全面的介绍了它的发展趋势。 2 对定位控制系统基本结构作了一个全面的综述，重点介绍了半闭环定位 控制系统，并讨论了它的组成及相关性能指标。 3 从控制算法出发，依据当前定位控制系统的发展，对当前较流行的p i d 、 模糊及单神经元自适应p i d 控制算法进行了介绍，并讨论了它们的数字实现方 法，为了更好的选择控制算法，本文还建立了被控对象的数学模型，通过m a t l a b 对以上提到的三种控制算法及其混合算法进行了仿真，并依据仿真结果，选择了 适合本系统的控制策略。 4 时论了数字定位控制器的软、硬件设计及具体实现。为了适应当前发展 的需要，本文还将数字定位控制器扩展，开发了一套基于上位机和多f 位机的开 放式数字定位控制系统，p c 机与多台定位控制器之州通过总线实现通信，上位 机监控软件用w i n d o w s 平台下v b 6 0 开发，下位机用c 和汇编语言开发。取得 了较好的效果。 5 将本文设计的定位控制系统应用到上海银钻网络信息技术有限公司的自 动贴片机系统中，结果表明，本文设计的数字定位控制系统可以依据设计要求满 足一些实际应用需要。 6 作为全文的结尾，总结了本文的主要工作、取得的成果及有待改进的地 方，并进一步展望了定位控制系统的长远发展趋势。 第二章定位控制系统的基本问题 2 1 引言 在前章定位控制系统国内外发展概况的基础上，本章主要从定位控制系统 本身出发，介绍了有关定位控制系统的一些基本问题。 本章首先从位置伺服系统出发，阐述了系统的四种基本结构，其次，讨论了 半闭环定位控制系统的基本组成，并对各部分做了详细的介绍。最后，从广义和 狭义两大角度讨论了定位控制系统的性能指标。 2 2 定位控制系统的结构分析 从广义上讲，位置伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两大组成部 分。机械执行机构常包括工作台、滚轴丝杠、导轨等；电气自动控制部分包括交 流或直流伺服电机、驱动功率放大器、反馈检测传感器和控制调节器等。根据应 用场合和对控制性能要求的不同，位置伺服系统有多种结构形式。按构造特点， 大体可分为以下四种： 1 开环位置伺服系统 丌环位置伺服系统是一种没有位置反馈的位置控制系统。它的伺服机构按照 指令装置发来的位置移动指令，驱动机械作相应的运动，但并不对机械的实际位 移量或转角进行检测，从而也无法将其与指令值进行比较。它的位置控制精度只 能靠执行机构本身的转动精度来保证。 早期简易型进给驱动位置伺服系统，常采用步进电机为主要执行部件的丌环 位置伺服系统。步迸电机实质卜是一种同步电动机，每当控制装置向步进电机发 出一个进给脉冲指令的时候，步进电机的转子就在此脉冲所产尘的同步转矩作用 下旋转一个固定的角度，通常称之为步距角，因此它是- - 十i , 4 电脉冲变为角位移 或线位移的电磁装置。其特点是定位精度高，但转换速度不快，约在毫秒数量级。 步进电机再经过减速齿轮带动丝札旋转，通过丝杠、螺母的相对转动，最后形成 工作台的运动：这样，工作台的位移量将与迸给指令脉冲的数量成正比，而r 作 台移动的速度将与进给指令脉冲的频率，即单位时i i j 的脉冲量成一比。显然，这 种丌坏位胃伺服系统的位置控制精度完全依赖于步进电机的步距角精度和齿轮、 丝杠等传动部件的精度。若传动链存在误差系统是无法随时进行修正的。加之 搪5 儿共7 4 吹 海 # _ 士# m * 女 受步进电机本身力矩频率特性的制约，系统的进给移动速度不能很高，所以这种 丌环位置伺服系统仅适用于那些对位置控制精度要求不高、位移速度较低的位置 控制系统。但由于其结构简单、造价低、调试容易，仍被广泛应用于低档的位置 控制系统中。 2 半闭环位置控制系统 与丌环位置伺服系统不同，半闭环位置控制系统是具有位置枪i n r i 反馈的闭 环控制系统。它的位置检测器与伺服电动机同轴相连，可通过它直接测出电动机 轴旋转的角位移，进而推知当前执行机械( 如工作台) 的实际位移。由于位置检 测器吖j 是直接装在执行机械上，位置闭环只能控制到电机轴为止，所以称之为半 闭环，它只能阳j 接地检知当前的位置信息，且也难以随时修f 或消除因f 巳动机轴 与传动链误差引起的位置误差。半闭环位置伺服系统巾一般采用伺服电动机( 交 流伺服电动机或直流f 司, l l 电动机) 作为执行电动机。伺服电动机与普通电动机相 比，具有明速范围宽和短时输出力矩大的特点，这样，系统设计时不必再为保证 低速性能和增大力矩添置减速齿轮，而可将电动, fr l 轴与丝杠直接相连，使传动链 误差与非线陛误差大大减小。另外，系统还可以采用节距误差补偿与间隙补偿的 方法来提高控制精度。存只强调重复定位精度的场合，工作台的误差也可以得到 解决。 在半闭坏位管伺服控制系统的闭环中非线性因素少，容易整定，还可以比较 方便地通过7 1 、偿来提高位置控制精度，f l r t - ，半闭环的结构使它的执行机械j 电 气自动控制部j h f 1 对独立，系统的通用性增强了，因而这种结构是当自u 位置伺服 系统叶i 最普遍采用的方案。 但严格的说反转m 隙量会随_ l 作台上1 引二的重量和i 安装位置而发_ 变化节 距误差也会闪叫、境温度、润涓和f r l f j r 磨损而发i k 变化。为了达到更好的控制效果， 人t i 、j 自然提出了卣接对二l 作台实际位旨进行闭环控制的结构方案。 3 全l 羽蚪位舀f 霹服系统 它籽位霄检测器直接! 费装存：工作台 - 从而可以获得1 作台实际移动的 i 确 信息，通过反馈闭蚪实现高精度的位筲控制。从理【；仑上说，这是一种最理想的位 嚣伺服控制方案。但是，在实际的系统中却很少采用，主要是因为当采, r t j 伞吲环 时，乍台本身的机减传动链也被包岔在扭胃口j 环中，伺服的电气自动控制粥分 掌掌论i 和执行机械不再相对独立，传动的i n 隙、摩擦特性的非线性、传动链的刚度等都 将影响控制系统的稳定，使系统容易产生机电共振和低速爬行。同时，工作台上 的负载变化也会对系统产生影响，给系统的整定造成困难。此外，由于工作台被 包含在化置闭环内，位置控制器的设计就得考虑这部分机械的传输特性。工作台 不同，机械的传输特性也有差异，这就给全闭上不位置伺服系统的通用性设i f 带柬 困难，也不利于降低成本。 4 混合闭环位置伺服系统 对有的执行机械( 重型机床i 作台) ，位置伺服系统采用半闭环结构虽然容 易戆定，俺很难补偿其机械传动部分引起的位管误差，使位置控制精度不能达剑 要求的指标，采用全闭环结构系统又很难整定，系统闭环后因环内多种非线性因 素诱发的振荡很难消除。于是，人们指出一种混合结构的位置伺服系统方案。系 统中同时存在半闭环和全闭环。系统： 作时，半1 = j j 环起主要控制作用。由_ i _ = 半闭 坏中电气自动控制部分与执行机械相对独立，可以采用较高的位置增益，使系统 易整定、响应快、跟踪误差小；而全闭环只用于稳态误差补偿，位置增益町选得 较低以保证系统的稳定性。两者相结合可最后获得较高的位置控制精度和跟踪速 度。仇山于系统中同时存在两个闭环，使系统的控制复杂程度大大增加，它们之 j 、自j 的刚合、增益调整等都必须仔细整定，位置f o j n 系统也困之不再具有通用性。 幽2 一i、i h 环位蕾伺服控制系统 存位蔼：伺j i ； 系统的 述四种堪本结构形式中，半闭坏结构足当时胁嗣最为r 泛：j l j 。鲜；l if 它的电。e 臼列疗二! 和j 矧；分与十扎 ? 机械相划独奇，了刁以伐士i l 槭 惯i 量翱i 饥城批眦划分为不问的等级，让立地埘其f u7 i 自动挖制部分进行通j ；j 化改 汁，增强了系统的通剧性。吲而这种结构是当蓟位置f 叫服系统中最普遍聚用的方 案。 综 ? 所j _ ! = 木课题选片j 笫“科z 控制力集半闭j = 1 f = 位置伺服控制系统。f 控 - 已* # 女掌m 论i 制系统框图如图2 - 1 所示。 2 , 3 定位控制系统的组成【2 j 研究的半闭环定位控制系统，由交流伺服电机来完成运动部分，微控制器完 成控制部分，采样部分是通过一个与交流伺服电机连在一起的位置检测装嚣实现 的，其控制系统框图如图2 2 所示。该伺服系统的基本工作原理：首先由上位机 或手操器给定所需要到达的目标位罱相对应的给定信号，由此信号与位置检测装 置检测到的实际位置信号相比较，再通过控制器的算法运算，求出为消除陔偏差 所需施加于功率变换器输入端的控制量，经过信号转换与功率放大，驱动伺服机 构，使偏差逐渐减小，直至达到要求的定位精度。 圈2 - 2 单轴定位控制系统 1 位置检测装置：它是伺服系统的主要部件，位置检测传感器的合理选择， 对于一个伺服系统的静态与动态性能能雷达到要求，起着重要作用。目前常用的 位置检测传感器有感应同步器、光电脉冲发生器、光学编码器等。本系统采用目 前检测精度较高的光学编码器作为检测装置。 2 功率变换电路：它是伺服系统中实现高性能伺服电动机调速的关键设备。 通常应眩具有一定的输出功率外，还要求频带宽、热稳定性好、抗干扰能力强、 有过流保护和限流功能。由于曰前高性能伺服系统均采用交流伺服电动机作为执 行机构，因此，功率变换器也多采用p w m 矢量控制交流变频装置。功率器件有 大功率晶体管( g t r ) 、大功率可关断晶闸管f g t o ) 、场效应管( m o s f e t ) 、 司控硅、场擦型丌关器件( i g b t ) 等。 3 伺服 包动机：它是构成f 司服系统的重要部件。系统要有高的f 亩：f 戕精度和 定位精度，要求f 4 n 电动机必须具有良好的低速特肚，伺服系统的快速陀还要求 伺服电动机必须具有转子转动惯最小、加速转矩大、工作稳定性好等性能。目时， 伺服电动机有直流伺服电动机、交流伺服电动机两种。 i - 海 掌掌* 文 4 控制器：它通常是由单片机或数字信号处理器( d s p ) 构成。随着微电 子技术的进步和众多高级控制方法的研究，使其可以达到体积小、功能强、成本 低、控制性能好等诸多优点。 2 4 定位控制系统的性能指标 3 ：| 【4 】 从，3 义上讲，要评价一个系统的性能优劣，首先就要求有一个标准尺度，这 就是所渭系统的性能指标，它包括：( 1 ) 稳定性；( 2 ) 稳态误差；( 3 ) 瞬态性能 指标；( 4 ) 灵敏度：其中瞬念性能指标又包括上升时问、峰值时间、超调量、调 整时问和衰减比。 从狭义上讲，定位控制系统的主要性能指标是要使被控对象在任意给定位置 上实现快速、准确的定位。虽然因应用场合的不同，其性能指标会有所侧重和差 异，但都包含以下两大技术指标： i 定位精度 定位精度是评价定位系统位置控制准确度的性能指标。系统最终定位点与指 令目标值问的静止误差定义为系统的定位精度。 对于。个位置伺服系统，最低限度也应当能对其指令输入的最小设定单位一 1 个脉冲做出相应的响应。要达到这一目标，除了必须使用分辨率足够高的位置 检测器件外，系统的速度伺服还应当具有足够宽的速度控制范围。 2 快速性 快速性也是评价一个定位控制系统性能好坏的指标，它决定着。个定位控制 系统的执行效率。快速性与许多因素有笑，如伺服电机、驱动电路、定位控制算 法等。在保证定位精度的情况卜，怎样满足定位的快速性，也是决定采样何种定 位控制算法的依据之。 2 5 本章小结 术章划定位控制系统基本结构件了 控制系统。然后对定位控制系统的缉成及性能指标作了介绍。本章存确定丁所采 用的定位控制系统方案的同时，电为后续章节的展丌作了铡挚。 笫9l _ 、”7 4 贝 第三章定位控制算法的研究 3 1 引言 定位控制系统的定位精度、快速性等重要指标均取决于它的的动态与静态性 能。因此，研究与开发高性能的定位控制系统，一直是研究定位控制的关键技术。 目前定位控制仍然普遍应用经典控制方法，如比例型或比例积分型等算法，其 优点是算法简便易于实现，但存在着控制参数的适应性差、抗干扰能力不强等缺 陷。为了适应社会对高效率地生产高质量产品目标的追求，要求不断地改善与提 高定位控制系统的稳态精度、动态响应特性、对系统参数变化的自适应性和抗干 扰性，因而采用并发展先进的控制技术是一必然趋势。可惜的是，目前提出的诸 多控制算法中，真正具有实用价值的技术极少，与实际应用尚有较大差距，主要 表现在：1 ) 受算法计算量等限制，难以满足控制的实时性要求；2 ) 控制理论在 参数设计及稳定性分析等方面不完善。口】本章正是在这一背景下写的。 本章首先从控制算法出发，依据当前定位控制系统的发展，对当前较流行的 p i d 、模糊、单神经元自适应p i d 三种控制算法进行了介绍，主要讨论了它们的 数字实现方法，它们是后续章节控制算法实现的基础。其次，进行了定位控制系 统的设计。在这一节里，首先建立了被控对象的数学模型，然后进行速度环和位 置环的设计，为了更好的选择控制算法，本章最后，通过m a t l a b 对各种算法及 其混合算法进行了仿真，并依据仿真结果，选择了适合本系统的控制算法，为本 系统的设计，奠定了理论基础。 3 2 定位控制算法介绍 3 2 1p i d 算法【6 【7 j 多年来，在控制系统中，按偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 进行控 制的p i d 控制器( 亦称p i d 调节器) 具有原理简单、易于实现和适用面广等优 点，是应用最为广泛的一种自动控制器。在计算机控制系统中，p i d 控制规律的 实现可用数值逼近的方法。当采样周期较短，使用求和代替积分，用后向差分代 替微分，将模拟p i d 离散化为差分方程。数字p i d 算法常见的有位置型控制算 法和增量型控制算法。 在模拟控制系统中，p i d 控制规律的表达式为： 第1 0 豇共7 4 页 砸眦小+ 毒出+ 警】 式中，足，为比例增益，l 为积分时间，为微分时间，“( r ) 为控制量 ( 3 1 ) 为了便于计算机实现p i d 控制算法，必须将微分方程式改为差分方程。为 此，可作如下近似，即 出瓦扣， ：， 一d e ( t ) 。坐2 二坐二望 d t t o ( 3 3 ) 式中，瓦为采样周期( 或控制周期) ，k 为采样序号( k = 0 , 1 ，2 ，) ，e ( k 一1 ) 和p ( 七) 分别为第( n 一1 ) 和第n 次采样所得的偏差信号。 将式( 3 - 2 ) 和式( 3 - 3 ) 代入式( 3 - 1 ) ，可得位置型p i d 控制式为： m)=，)+争圭呻)+孕以炉哪_1)】)(3-4)k“( 尼) = ， p ( ) + 争p ( f ) + 等 p ( 七) 一p ( 一1 ) 】) 1 i1 = 0 1 0 k = k p p ( 女) + k ，p ( f ) + k d e e ( k ) 一e ( k 一1 ) 式中，u ( k ) 一第k 次采样时刻计算机的输出 k ，一为积分系数： k ：茎墨 k 。一为微分系数。 k：竺五i 瓦 再由位置式算法推出增量式p i d 表达式 z f ( 女) = u ( k ) 一u ( k 一1 ) = k ， g ( ) 一e ( k 一1 ) + k ，e ( k ) + k d p ( ) 一2 e ( k = a e ( k ) 一b e ( k 一1 ) + c e ( k 一2 ) 式中a = k p + k ，+ k d ，b = k p + 2 k d ，c = k d 。 ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 无论位置式p i d 还是增量式p i d ，都可用计算机实现，但增量式较位置式有 更多的优点，主要表现在以下几点： 1 增量式算法不需要做累加，控制量的确定仅与最近几次误差采样值有关， 而位置式要用到过去的累加值，易产生较大的累加误差。 2 增量式得到的是控制量的增量，误动作影响小，而位置式的输出是控制 量的全量输出，误动作影响大。 3 ，采用增量式算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。 3 2 2 模糊算法8 智能控制方法是现在发展起来的最新控制方法，目前还在不断发展和完善之 中。模糊控制是智能控制方法中的一种。由于模糊控制采用人的经验规则，有时 也称经验控制或规则控制。模糊控制有如下几个特点： 1 无需知道被控对象的数学模型。 2 易于对不确定系统或非线性系统迸行控制。 3 对被控对象的参数变化有较强的鲁棒性。 4 对外界的| 一扰有较强的抑制能力。 由r 模糊控制的上述特点，使人们想到用模糊控制代替传统的p i d 控制。 模糊控制。h 模糊控制器是核心。目前，较普遍采用的是以误差及误差变化 率为输入的二维模糊控制器。这样既避免了使用一维控制器的动念性能不佳，电 避免了采用三维控制器的过于复杂、难以设计和占有计算机时间过长、实时性差 等弊端。 f 丽，以二：维模糊控制器为例具体介绍它的软件实现方法。模糊控制的史时 算法一般分四步： 1 获取当i u 的偏差e 和偏差变化率e c ； 2 模鞴j 化 i 述e 和e c 为精确量，而模糊控制器的输入为模糊量，吲此需要将e 和e c 摸糊化。一种常用的模糊化方法的过程为：首先将确定量e 和e c 乘上备目的量 化因j ，k e 、k e c ，并四舍血入取整，求得各自在其基本论域的量化等级值n 和 m ：再订：偏差手u 偏差变化的语昂变量赋值表中查询n 和m 对应的语言值所决定 笫i ! 共7 4 _ 的模糊集合e 和e c 。这旱，e 和e c 分别代表e 和e c 的模糊化。 3 按推理合成规则进行模糊判决 不失一般性，殴已建立的模糊控制规则库为： r l ：如果e 是e 1a n de c 是e c l ，则l l 是u l ； r 2 ：如果e 是e 2a n de c 是e c 2 ，则l l 是u ! ； r 。：如果e 是e 。a n de c 是e c n ，则u 是u 。 则对丁上述所得的模糊量e 和e c ，经过模糊推理后的输出模糊量为 u = f ea n de c l 0 月 式中r = y r ，r ，= ( ，a n de c ，) 呻u ， ，o i ：面出现了三种主要的模糊逻辑运算：与运算“a n d ”，合成运算“o ”，蕴 含运算“斗”。与运算通常采用求交( 取小) 或求积( 代数积) 的方法；合成 运算通常采用“最大最小”或“最大积”的方法；蕴含运算通常采用求交或求 积的方法。具体参见相关文献。 另外，r 可以根据规则由软件实时地运算得到，也可事先离线计算制成决策 表。 4 精确化 运算所得的u 仍是一个模糊子集，需要将它变成一个精确量。一般通过最 大隶属度法、中位数法或加权平均法等可将模糊量变成精确量。得到的精确量。 般还要乘以个比例因子j 能作为最终的输出。 随着单片机性能的4 i 断提高，模糊控制算注应用的越来越成熟，使我们用单 片机束实现模糊控制算法成为可能。目盹实现模糊控制算法有两种力法：种 是使用以模糊推理为罄础的模糊f p 片机，一种是用通用的单片机。由于前一种实 现方法成本较高，因此目前普遍采用的是后一科t 实现方法。下面具体讨沦一f 通用单片机模糊控制算法的实现。 在程序设汁c h 如果模糊控制的算法采用在线计算的方法求得最终的控制结 果，山自i 面可以看出它需要经过大量的矩阵运算，不仅需要k 的运算时叫，还占 用人量的存储空削，这对通用单片机术晚是比较困难的。为了在通用单片机e p 实 现模糊控制算法，必须考虑单片机的特点，力求使其存储、变换及处理过穰简瞥、 输13 虹拈7 4 i 上海夫掌硕士掌位论文 快捷、节省内存。 虽然偏差e 和偏差变化率e c 的变化范围( 或基本论域) 是连续的，但它们 模糊集合的论域是离散的，经过量化的输入量种类个数是有限的。因此，可以依 扼两维输入的不同组合，离线计算出相应的控制量，从而制成一张模糊控制表 控制量只需通过查表就可获得。这种离线计算、在线查表的模糊控制方法实现简 单，实时性好，十分适合在通用单片机中使用。这种系统的结构框图如图3 - 1 所 示。图中k e 、k e c 、k u 分别为e 、e c 、u 的量化因子。 剀3 i离散模蝴控制系统绵构幽 3 2 3 单神经元自适应p i d 算法心胛1 5 2 】 神经网络控制或神经控制是指在控制系统中，应用神经网络技术，列难以精 确建模的复杂非线性对象进行神经网络模型辨识，或作为控制器，或进行优化计 算，或进行推理，或进行故障诊断，或同时兼有上述多种功能。这样的系统称为 基于神经网络的控制系统，称这种控制方式为神经网络控制。 传统的p i d 凋节器，由j 二其技术成熟，在过程控制中获得厂泛应用，但对 于些复杂过程，参数时变系统，l 自于p i d 的参数不易实时在线阔整，住应用 - lz 影叫系统的控制品质； 增量式p i d 控和j 规律；z j 用差分方程表示为 z f ( 七) = 世，p ( 膏) + k ，p ( 七) 4 - k ，) a ：8 ( 七) ( 3 - 8 ) 式中，乃积分系数，k ? = 1 , 2 ，瓦7 j ： - 匕* $ 女掌位论 世。为比例系数； k 。为微分系数，k d = k ，瓦瓦 2 ：1 2 1 一l + z - 2 。 图3 2 单神经元白适廊p i d 结构框图 用单神经元实现自适应p i d 控制的结构框图如图3 - 2 所示。图中转换器的输 入反映被控过程及控制设定的状态，设，( 女) 为设定值，y ( k ) 为输出值，经转换器 后成为神经元的三个输入z 。，t ：，： x ( 七) = p ( 七) x ：( 七) = p ( 七) = p ( 七) 一p ( 七一1 )l x 3 ( ) 。p ( ) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) j 没 _ ( 女) ( i = 1 , 2 ，3 ) 为对应x ，( k ) 输入的加权系数 单神经元自适应p i d 的控制算法为 3 a u ( k ) = 足w 肚) x ，( 女) j = i ( 3 9 ) k 为神经元的比例系数，k 0 。 ( 3 1 0 ) 在神经元学习过程中，权系数w ，( k ) 正比于递进信号( t ) ，( 女) 随过程进行 缓慢衰减。权系数学习规律如下 w ，( k + 1 ) = ( 1 一c ) w ，( k ) + ，7 l ( k ) ( 3 1 1 ) r ( k ) = z ( k ) u ( k ) x ，( k ) ( 3 1 2 ) 式l ； _ 1 ，c 为常数，c 0 ；_ 为学习速率，r l ，0 ：( ) 为输出误差信号，是教师 信号， ：( t ) = r ( ) 一y ( 女) = p 【女) ( 3 - 1 3 ) w ，( 七) = 一c w ，( 七) 一翌z ( 七) “( 七) x ，( 七) 】 c 式中，a w ，( 七) = w ，( k + 1 ) 1 4 2 ，( k ) 如果存在一个函数：h ( 幻，：( ) ，“( 的，x ，( 女) ，则有 耍：。，( 女) 刚 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) c ( 3 一1 7 ) 上式表明，加权系数w ，( 女) 的修正按函数厂( ) 对应于w ，( ) 的负梯度方向搜索，应 用随机逼近理论可以证明，当c 充分小时，使用上述算法，w ，( 七) 可收敛到某一 稳定值w ，且其与期望值的偏差在允许范围内。 为了保证上述单神经元自适应p i d 控制算法，即式( 3 - 1 4 ) 或式( 3 一1 7 ) 的 收敛性与鲁棒陛，对学习算法进行规范化处理 2 r ( ) = “( 女一1 ) + 足w ，( 憾( 女) ，；i 3 w 。，( 女) = r ，( ) 1w ，( i ) l f = 3 w 1 ( k + 1 ) = w i ( k ) + ，z ( k ) u ( k ) x i ( k ) - f ! ( + 1 ) = w ! ( ) + 叩p z ( k ) u ( k ) x ! ( ) w ( t + 1 ) = w 3 ( t ) + ，7 d z ( k ) u ( k ) x 3 ( 女) 式中，口，7 _ ，为积分，比例，微分的学习速率。 ( 3 1 8 ) 单神经元自适应p i d 学 - - 3 算法的运行效果与可调参数k ，叩，r r 。的选 取有关，存此将仿真与试验研究的选取规则归纳如下： 1 对阶跃输入，若输出有大的超调，目多次出现正弦衰减现象，应减小k 维持，7 ，7 _ 不变：若| _ _ 升时间氏，无超调，虑增大k ，保持7 7 ，7 _ 叩一，不 螭i6r l 共7 49 r 器 吖 1 1 为 写 可 ， 1 j( 式h 变。 2 对阶跃输入，若被控对象产生多次正弦衰减现象，应减小坪，其他参数 不变。 3 若被控列象响应特性出现上升时间短，超调过大现象，应减小叩_ 其他 参数不变。 4 若被控对象响应特性出现上升时唰长，增大又导致超调过大，应增加，7 ， 其他参数不变。 5 在丌始调整时，选择较小值，当调整玑，7 ，和k ，使被控对象有良 好特性时，再逐步增大_ o ，而其他参数不变，使系统输出无纹波。 6 足是系统最敏感的参数，足值的变化，相当于p 、i 、d 三项同时变化， 应在第一步先调整，然后依据“2 ”“5 ”项规则调整。 3 3 定位控制系统设计与仿真 3 3 1 被控对象数学模型分析 被控对象数学模型是自动控制系统设计、分析、仿真、运行中不可缺少的。 如前所述，本系统采用半闭环定位控制系统，其被控对象是交流伺服电动机，因 此，本小节主要介绍两相交流伺服电动机的基本结构、工作原理及其特性，然后， 针对它的非线性，建立了它的近似线性数学模型，用于以后的定位