（信号与信息处理专业论文）基于运动控制器的高重心建筑平移技术研究.pdf

摘要 摘要 随着城市建设的发展和城市规模的扩大，建筑物整体平移技术作为一项新型 实用工程技术得到人们越来越多的重视和研究，工程技术发展也不断提高。此技 术的应用有效地解决了城市规模扩大改造和保留城市原有文化的矛盾，既满足城 市建设发展的需要，又使得古老而现代的文化都市的传统建筑得到传承，特别是 保护文物古迹和历史文化遗产等，做到古典和现代的完全融合，具有较好的社会 效益和经济效益。但是，我国对建筑物平移的理论和工程技术研究尚处于初步阶 段，实际工程开展不多，特别是对高重心类建筑的工程应用，相关理论还处于研 究阶段，目前还没有相关的应用实例。 本课题来源于广东省科技计划项目“建筑物整体平移的计算机同步控制设备 研制 ( 项目编号：2 0 0 4 8 1 0 1 0 1 3 ) 。整体平移在运动控制技术方面的主要性能要求 是同步和平衡。多电机同步是建筑平移首先要解决的问题，本文主要对运动控制 器的多轴同步控制进行了较为详细的研究，提出了基于交流伺服电机的平行同步 控制算法，以取代以往在工程上应用较广泛的液压系统作为主要驱动机构的解决 方案。另外，本文对高重心建筑平移的模型和运动过程的受力情况做了初步的分 析，得出关于建筑平移效率与保护建筑不受损的一个平衡条件，对实际开展工程 项目有一定的指导意义。 本课题的实验设备使用固高公司g t - 2 0 0 s v 运动控制器作为运动控制的核心 运算组件，结合自主开发的同步控制软件作为上位控制单元，执行机构使用安川 电机公司的交流伺服电机及其驱动器，通过丝杆将伺服电机的旋转运动转换为建 筑模型的直线运动，利用电机的旋转编码器作为电机的速度检测元件，光栅尺作 为直线运动的位置检测元件，构成两轴全闭环高精度同步控制系统。软件设计上， 使用基于w i n d o w s 系统下的v i s u a lc + + 和运动控制器提供的运动函数库，按照运 l 广东t 业大学工学硕上学位论文 动流程编写完整的同步运动控制软件，其中的同步控制算法采用多轴平行的同步 控制算法，较以往的主从跟踪算法具有更有更高的精度和动态响应速度。 目前，国家建设部正在全国范围内大力推广城乡规划计划，保存历史文物等 的建筑物将是城市规划实施工作的重点和难点之一。同时，如何更有效地、节约 地调整生产设备和工业设施位置将是提高生产效率的重要方面。本文对整体平移 新技术进行了有益的探讨，具有实际应用的价值。 关键词：整体平移；运动控制器；同步控制；平行同步算法 a b s t r a c t a b s t r a c t w i n lt h ed e v e l o p m e n ta n de x p a n d i n gs c a l eo fi n t e r n a t i o n a ll a r g ec i t i e s ，s t m c t u r e m o v e m e n tt e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ea t t e n t i o na n dh a sb e e nm o r er e s e a r c h e da san e w a p p l i e de n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , t h et e c h n i q u e so fw h i c hi si m p r o v i n gc o n s t a n t l y t h e a p p l y i n go ft h i st e c h n o l o g yw i l ls o l v et h ec o n t r a d i c t i o no ft h es c a l eo fc i t i e s a n d r e s e r v i n gt h eo r i g i n a lc u l t u r e i tc a nn o to n l ym e e tt h en e e do ft h ec i t yd e v e l o p m e n t , a l s oi n h e r i tt h et r a d i t o n a lc u l t u r ea n dc o n s t r u c t i o n so ft h ec i t y , e s p e c i a l l yi n t h e s a f e g u a r do fc u l t u r a lr e l i c i tw i l lh a v eb e t t e r s o c i a la n de c o n o m i ca d v a n t a g e sf o r m a k i n gt h eb e s to ft h ef u s i o no fc l a s s i c a la n df a s i o n h o w e v e r , i no u rc o u n t r y , t h e o r y a n dr e s e a r c h e so fp r a c t i c a le n g i n e e r i n gt e c h n o l o g i e so fs t r c t u r em o v e m e n ta r ej u s tt h e b e g i n n i n g ，a n da c t u a lp r o j e c t si sr a r e ，e s p e c i a l l yi nt h em o v e m e n to fc o n s t r u c t i o n sw i t h m 曲b a r y c e n t e r t o p i co f t h i st h e s i sc o m e sf r o mt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a n n i n go fg u a n g d o n g p r o v i n c et h a tn a m e d ”t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs y n c h r o c o n t r o le q u i p m e n t so f b u i l d i n gm o n o l i t h i cm o v e m e n t ( p r o j e c ti d ：2 0 0 4 8 1 0 1 0 1 3 ) t h em a i np e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so fs 仃u c t t l r em o n o l i t h i cm o v e m e n ta r es y n c h r o n i z a t i o na n de q u i l i b r i u m m u l t i - a x i ss y n c h r o n i z i n gi st h ef i r s tp r o b l e m t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h e m u l t i - a x i ss y n c h r o n i z i n gb a s e do nt h em o t i o nc o n t r o l l e r , a n dp u t sf o r w a r dp a r a l l e l s y n c h r o c o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nt h ea cs e r v om o t o r , t a k i n gp l a c et h eh y d r a l i c p r e s s u r es y s t e mt h a tu s e dw i d e l yi np r a c t i c a le n g i n e e r i n g i na d d i t i o n ，t h i st h e s i s p r i m a r i l ya n a l y s e st h em o d e lo fh i 曲一b a r y c e n t e ra n dt h ef o r c ep r o c e s s ，p o i n to u tt h e b a l a n c ec o n d i t i o n sf o rt h ee f f i c i e n c yo fs t r u c t u r em o v e m e n ta n dt h ep r o t e c t i o no f c o n s t r u c t i o n w h i c hh a ss i g n i f i c a n c e sf o rt h ep r a c t i c a ls 仃u 曲】r em o v e m e n tp r o j e c t s f o rt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ec o r eo p e r a t i o nc o m p o n e n to ft h es y s t e mi nt h i st h e s i s i st h em o t i o nc o n t r o l l e rg t - 2 0 0 一s vf r o m g o o g o lc o m p a n y , c o m b i n i n g t h e s y n c h r o c o n t r o ls o f t w a r ea st h eh i 曲l e v e lc o n t r o lu n i t e x e c u t i n gm a c h i n ei st h ea c s e r v om o t o ra n ds e r v ou n i tf r o my a s a k a w ac o m p a n y r o t a r ym o t i o no fs e r v om o t e r 广东工业大学工学硕士学位论文 i sc o n v e n e dt ol i n e a rm o t i o nb yt h es c r e w , a n dt h ev e l o c i t ya n dp o s i t i o nd e t e c t i o n c o m p o n e n t sa r er o t a r ye n c o d e ri nt h em o t e ra n do p t i c a lg r a t i n gr u l e r a l lo ft h ea b o v e m a k eu po fac l o s el o o p ，h i g hp r e c i s i o ns y n c h r o c o n t r o ls y s t e m i nt h es o f t w a r e ，d e s i g n s s y n c h r o - c o n t r o ls o f t w a r eb yt h eo r d e ro fm o t i o nf l o ww i t hv i s u a lc + + i nw i n d o w sa n d t h el i b r a r yf u n c t i o no f f e r e db yt h em o t i o nc o n t r o l l e r t h ec o r ea l g o r i t h mo fw h i c hi s m u l t i a x i sp a r a l l e ls y n c h r o - c o n t r o la l g o r i t h m ，t h ep r e c i s i o na n dt h es p e e do fd y n a m i c r e s p o n do fw h i c hi sh i g h e rt h a ne v e rb e f o r e a tp r e s e n t ，t h em o d i f i c a t i o no fn e wu r b a np l a n n i n gl a wo fo u rc o u n t r yi sg o i n go n w i t h i nq u i t eal o n gp e r i o di nt h ef u t u r e ，i tw i l lb eo n eo ft h ee m p h a s i sa n dd i f f i c u l t i e so f t h eu r b a np l a n n i n gt oc o r r e c ta n dt r a n s f o r mt h ei l l e g a lb u i l d i n g st h a th i s t o r yh a sl e f t a t t h es a m et i m e ，谢t l lt h ed e v e l o p m e n to fs o c i a l i z a t i o nm a n u f a c t u r e s ，h o wt oa d j u s tt h e p o s i t i o n so fe q u i p m e n t se f f i c i e n t l ya n df r u g a l l yw i l lb ea ni m p o r t a n tp a r tt oi m p r o v et h e m a n u f a c t u r ee f f i c i e n c y k e yw o r d s ：m o n o l i t h i cm o v e m e n t ；m o t i o nc o n t r o l l e r ；s y n c h r o n o u sc o n t r o l ；p a r a l l e l s y n c h r oa l g o r i t h m 广东工业人学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导老师签字：1 他 2 0 0 8 年5 月2 5 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着城市建设的蓬勃发展，城市规模日趋扩大，城市规划的统筹布局已经成 为城市建设的重要问题。当原有的旧建筑物与新的建设规划相冲突，如妨碍城市 道路的扩建或建筑空间的充分利用，而这些建筑物又有较大的使用价值或历史价 值，拆除重建将产生巨大的经济损失或根本无法重建。建筑物平移技术由此产生 并得到迅速发展。 城市中的一些原有旧建筑物往往会被拆除或移走。拆除不仅会造成固定资产 的损失，还会对周边环境造成污染，而通过建筑物的移位，既能满足新的规划要 求，又基本不影响建筑物的正常使用，与拆除重建相比可以缩短工期，节约大量 人力和财力。一般建筑物位移所需要的成本约占拆除重建的1 4 1 2 ，高层建筑物 的经济效益尤为可观。 在工程建设中，进行变换的原因一般可以分为两种：一是已建建筑物与建设 发展相冲突，如妨碍了城市道路的扩建或建筑空间的充分利用，而这些建筑物又 有较大的使用价值或历史价值，拆除重建将产生巨大的经济损失或根本无法重建； 另一种情况是由于建筑位置的空间限制或功能限制，建筑物不能在预定的位置建 造，需在另外的地方建好再平移到预定的位置。近十几年发展起来的建筑物平移 技术是解决这些矛盾的最好方法，可节省一半以上的资金，并且工期较短。 而随着计算机技术和机电控制技术的发展，建筑物平移技术也得到迅速的发 展，许多各种各样的方法运用到建筑物的平移当中。最初，建筑平移以基于辊轴 的滚动方式和钢轨的滑动方式居多，其动力设备以液压千斤顶和反力架为主。近 年来，随着计算机控制技术和机电一体化技术的迅速发展，以平面托架为载体， 伺服电机作为动力设备的新形式建筑平移技术得到工程技术的证明并发展。 近年来，随着电子技术的发展，基于d s p + f p g a 的高性能p c i 总线运动控 制器引进到建筑物整体平移的技术研究中。利用d s p 和f p g a 数字运算的高速度 广东工业大学工学硕十学位论文 和高精度，通过运动控制器控制相应的执行机构伺服电机作为牵引执行机构， 同时由运动控制器接受其所带来的辅助编码反馈信号，并根据需要做出调整，使 电机能比较精确地依照人们的意愿以任意速度驱动承载着整个建筑物重量的负载 ( 只要电机驱动能力许可) 向前运动。这种“p c + 运动控制器”的控制方案日渐 得到广泛应用。 1 2 建筑物平移技术概述 建筑物的整体平移，就是在保持建筑物整体性和可用性不变的前提下，或者 说在不破坏建筑整体结构和整体造型的前提下，转移到平台装置，同时利用外加 的牵引力或顶推力等牵引装置将建筑物沿规定的路线搬移到预先设置好的新基础 上【1 1 。简单来说，它是指在保持结构体整体性和可用性不变的前提下，将其从原 址移到新址，包括纵横向移动、转向或者移动加转向【2 j 。 建筑物平移技术包括如下技术要求： 1 能降低成本，省工省时，具有较高的经济效益。据统计，整体平移所需费 用约占拆除重建费用的2 0 6 0 ，整体垂直升降约2 0 ，整体水平移位4 0 。整 体移位所需有效工期较短，一般整体平移的工期是2 5 个月，比新建同类建筑所需 的有效工期缩短约5 0 以上p j 。 2 具有较好的社会效益。例如在建筑物整体平移应用领域中，在平移施工期 间，除首层外的其他各层一般仍可以有效地使用，很好地解决了房屋拆迁与居民 生活安置或企业生产正常的矛盾，有利于社会稳定。 3 节省能源，保护环境。由于平移后建筑物绝大部分完好无损，节省大量的 建筑用材，还避免拆除过程中产生的灰尘、噪音及大量不可再生的建筑垃圾。 4 有效的保护文物。建筑物整体平移技术的出现使得一些妨碍城市发展或道 路拓宽的文物类建筑平移后得以完整保存下来，避免了拆除造成的难以估价的人 文损失。 5 能源通信等行业的发展中，起到节约生产成本和优化生产规划设计等重 要作用。如在通信工程中，大型移动通讯发射机站位置的调整更是关系通信能否 正常工作的关键因素。 本论文主要针对高重心建筑物平移过程所需要的动力牵引装置及其运动控制 第一牵绪论 技术设计进行研究，它是建筑物平移方案的核心。 1 3 建筑平移技术的发展 l 。3 。l 建筑物平移技术的国外发展状况 建筑物平移技术起源予2 0 世纪薛2 0 年代的建筑工程孛。世赛上第一座建筑物 整体平移工程是位于新嚣兰新普利茅螽市的一所一层农宅，当时使用蒸汽祝车作 为牵引装置。 现代建筑平移技术始于2 0 世纪初。1 9 0 1 年美国依阿华大学由于校园扩建，将 重约6 0 0 0 0 k n 、三层高的科学馆进行了整体平移，而且在移动的过程中，为了绕 过另一栋楼，采用了转向技术，将其旋转了4 5 。该建筑物平面为2 6 m x 3 5 m ， 建筑露积约3 0 0 0 m 2 ，此项移位工程采用的是圆木滚轴滚动装置，用了6 7 5 个直径 1 5 0 m m 圆木滚轴，用8 0 0 个螺旋千斤顶将建筑物顶起，采用木梁托换，翅3 0 个螺 旋千斤顶提供水平牵引力。这技术在当时的土木工程界引起了相当大的兴趣和 广泛的评论。该建筑物至今仍在使用，已经经受了上百年的考验【引。 在以后近一百年的时间里，许多国家都有过移位工程的实例。1 9 9 8 年，美囡 的一所豪华别墅，从波卡罗顿长途跋涉约1 6 1 k m 至l j 皮斯城，建筑物进行顶升托换 时用了6 4 个1 5 0 k n 千斤顶，这座移位工程的特殊之处在于这座别墅行进中必须要 经过条运河，在这一段路程上采用一艘特殊的船体作为运输工具，通过调节船 中的水量来保证该建筑物从陆地到船上和从船上到陆地的平稳性。 1 9 9 9 年1 月2 5 日美国明尼苏达州s h u b e r t 剧院进行了平移【4 j ，平移采用的平板拖 车自身具有动力装置，在平移现场外观看不到牵引设备，令人惊叹不已，参观者 络绎不绝，引起了新闻媒体注意，进行了广泛报道，平移工程取得圆满成功。 1 9 9 9 年9 月，丹麦哥本哈根飞机场由于扩建将候机厅从机场一端移至另一端， 经过4 今胄的准备工作，在4 天之内移动2 5 0 0 米。移动时，通过水平和斜向钢结构 支撑将建筑物的荷载均匀地落在6 0 台宣推动多轮平板拖车上。为了保证移动的速 度，采用了多种规格的自推动多轮平板拖车，在车上安装了自动化模块和电脑设 备，借此来自动调节x 或y 方向的同步移动以及补偿z 方向不同路面之间的沉降差， 而且能够自动确定旋转中心。该建筑物整体平移成功标志着整体平移技术开始进 入了以计算机控制为核心的开方式智能控制时代。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 建筑平移技术的国内发展现状 我国建筑物整体平移技术应用始见于2 0 世纪9 0 年代。1 9 9 2 年重庆地区某四层 砖混结构平移了8 m ，此工程采用了液压千斤顶钢拉杆牵引机构，并采用滚动装置 【5 】。随后在全国各地普遍推广，至今已有近过百座建筑物整体平移，超过国外平 移工程实例的总和。平移工程结构形式多样，在房屋建筑中涉及砖混、砖木和钢 筋混凝土框架及框剪结构。从移动的数量、距离和房屋高度来说，我国的房屋整 体平移层数最高的实例为8 层；砖混结构房屋移动的最长距离为1 9 6 m ，框架结构 为1 7 1 m 。 2 0 0 0 年1 2 月，山东省临沂市国家安全局办公大楼进行了整体平移。此办公楼 为八层框架结构，且建筑物顶层有一座近3 5 m 高的电视接收塔。建筑物长3 0 2 0 m ， 宽1 5 5 0 m ，建筑物高度为3 4 5 m ，建筑物总重约6 0 0 0 0 k n ，总面积为3 6 0 4 m 2 。经过 精心设计，科学施工，成功的把办公大楼从原址向西平移9 6 9 m ，然后又向南移 动7 4 5 m ，安全准确的将办公楼移至规划指定位置。此工程采用了1 2 个1 0 0 0 k n 同 步液压千斤顶，实心钢辊作为滚动装置并用钢绞线作牵引拉绳。平移时间共用了 约2 5 d ，平均移动速度约在1 5 2 0 m h 之间，其技术复杂程度非常高，是我国建 筑物整体平移的标志性工程。 另外，在其它应用场合中，建筑物整体平移技术也得到了应用。据特种结 构1 9 9 4 年第3 期报道，1 9 9 2 年8 月2 7 日，中国统配煤公司第1 2 工程处在山西常村 煤矿，成功地将高6 5 m 、重6 2 0 t ，3 腿支撑的巨型井塔平移7 5 m ，使用的是两台1 6 t 牵引设备。另据新浪网2 0 0 1 年0 4 月0 5 日报道，成都石羊场丰收村三环路一座8 孔道 跨度超过8 0 m 、高逾1 0 m 、自重达9 0 0 0 t 的公路地道桥整体被移动2 3 m ，“镶嵌”入 被挖空的成昆铁路路基下面。由于施工期间，成昆线不能停运，该工程在偏离预 定位置2 3 m 处建设好，然后通过整体平移较圆满地解决了这个问题。 建筑物整体平移技术也应用到一些较小的纪念性建筑迁移中，例如南京莫愁 湖公园南大门纪念牌坊平移，这类建筑物的整体平移的特殊困难是解决“头重脚 轻 的高重心类建筑物整体平移问题。 我国对建筑物整体平移技术的研究明显落后于工程实践，例如在建筑物平移 领域，与国外相比，我国建筑物整体平移工程的规模较大，但早期的平移工程使 第一耄绪论 用千斤顶( 螺旋、液压) 牵引较多，有的工程也用卷扬机做牵引设备，在河道和 海上使用船的工程也有若干例，目前使用还有一种移动设备是多轮平板拖车，一 般由汽车或挖掘机等做牵引，最新又出现了一种自身可提供动力的多轮平板拖车。 假如使用液压系统作为牵引设备，由于液压系统本身存在容易受到污染，液压系 统设备搬迂不方便，而且液压驱动系统需扶机械能转换到液压动能再转换回机械 能豹二次能量转换，所以工作能量效率较低。 正因为牵引设备和自动控制技术明显落后，已往也出现一些个别的事故案例。 1 9 9 8 年底，我国移动的又一个规模较大的框架结构工程是广东省阳春市阳春大酒 店，因国道扩建，需将其向后平移6 m 。此办公楼为七层框架结构，建筑面积 3 6 6 5 m 2 ，重达5 0 0 0 0 k n 。此工程平移过程中由于对受力情况估计不足，出现了上 轨道梁拉弯裂缝，以及千斤顶顶推点和轨道上滚轴魇点感现局部压坏的情况，所 牵阆题得到及时解决，使工程得以顺利进行猹j 。 总的来说，我国建筑物整体平移技术与发达国家仍然存在一定的差距，在篱 内已经实施的建筑物移位项目中，无论是平移或是顶升，多以手动控制为主，只 是传统的机械式的、过分依赖已往经验并使用液压控制系统作为驱动装置，采用 计算机控制技术的更少。因而同步控制的自动化水平比较低，控制方法过于单一 和自适应性差，不能根据平移过程中不断出现的位移和结构变型进行调整，对高 重心类结构体整体平移更是无能为力的。与其他平移处理技术褶眈较丽言，对离 燕心类结构体整体平移的研究还是远远不够的。为此，我们应对该项技术进行系 统的理论分析和试验研究，并研究适合我国国情的牵引设备和自动控制系统，使 该项技术沿着健康的轨道发展。针对这种落后的情况，本论文提出一种基于运动 控制器和交流伺服系统代替液压机械系统作为牵引机构的新型自适应同步控制蹩 体平移技术。 1 4 本课题主要研究的内容 本文对建筑物整体平移技术进行了系统的理论分析和试验，主要的研究包括 以下的几个方面： 1 提出以基于运动控制器为上位控制单元的新型整体平移全闭环电机伺服控 制方案代替使用步进电机或以液压系统作为主要驱动装置的方案，目的是在平移 广东工业大学工学硕： 学位论文 的过程中实现平移同步控制的高精度。 2 根据运动控制方案的同步要求，利用运动控制卡的资源，研究基于多伺服 电机控制系统的平行同步控制算法，并使用v i s u a lc + + 设计软件实现计算机对数 据的处理。 3 建立控制系统的状态空间模型并对其进行软件仿真。使用m a t l a b 软件对 建筑平移系统进行模拟，分析系统的稳定性及根据高重心类结构体的特点，提出 实际建筑平移工程的制约条件。 针对本文的研究内容，共分为5 个部分： 第一章，绪论。介绍课题的研究背景和整体平移技术的国内外发展状况及其 方案设计与优点。同时，说明了本论文主要研究的内容。 第二章，建筑物平移系统设备组成。首先提出了全闭环交流伺服驱动技术及 系统控制方案的选择。然后与传统平台相比，介绍了新型整体平移技术的系统方 案，并具体说明该方案的实验设备组成，主要组成包括运动控制器和交流伺服系 统。 第三章，同步控制算法研究与软件设计。首先介绍运动控制模式选择和运动 轨迹规划，然后具体描述基于运动规划的平行同步控制算法的基本思想和同步控 制软件的实现，最后由实验数据进行总结。 第四章，高重心建筑物建模与仿真。首先介绍了经典控制论和现代控制论的 相关理论，然后根据系统受力分析，建立平移控制实验系统的状态空间数学模型， 并运用软件进行仿真和性能分析。最后对高重心建筑物平移工程实际应用可能产 生的问题作了简要的分析。 第五章，总结与展望。对本论文的工作进行了具体的总结，并对同步控制算 法的改进和推广、建筑平移课题的进一步研究提出了建议和展望。 第一二章建筑物平移系统设备组成 第二章建筑物平移系统设备组成 2 1 全闭环交流伺服驱动技术以及系统控制方案的选择 常用的控制电机主要有步迸电机和伺服电机。步进电机将电脉冲信号转变为 角位移或线位移，采用单向的信号传输，只存在从电机到负载方向的信号，而负 载的实际运行情况如何，步进电机完全不予干涉，属于开环控制。这种控制方式 的优点是结构简单，控制方便。但由于开环特性的限制，以及受到步进电机步距 角大小的限制，其控制精度较低，不适于高精度控制要求。 伺服电机可以说是闭环控制系统在电机中的应用。伺服电机将模拟的电压信 号转化为转矩和转速，通常在其轴端都安装有旋转编码器，以电压的大小决定轴 旋转的快慢，以编码器的位数决定伺服电机的控制精度。 在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，广泛使用数字 式交流伺服系统r 7 1 。这种伺服系统的驱动器利用先进的d s p 技术，对电机轴后端 部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制 系统，充分发挥d s p 的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，位置 控制分辨高，可靠性好。 按照控制系统是否包含传感器或其它形式的反馈环节，常用控制系统包括开 环、半闭环和全闭环三种结构形式，三种结构的对比如下表。通常带位置环的伺 服系统，位置环的反馈采样取自伺服电机的编码器，属于半闭环控制，其缺点就 是不能克服传动链上的间隙及误差。如果位置环的采样可以直接采自装在最后一 级执行机构上的位置反馈元件( 如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等) ，而电机上的 编码器此时仅作为速度环的反馈，这样就可以消除机械上存在的一切间隙，并且 该伺服系统还可以对机械传动上出现的误差进行补偿，达到真正全闭环的功能， 实现高精度的位置控制。这正是半闭环和全闭环控制方式的主要区别。 广东工业大学工学硕上学位论文 表2 - 1 控制系统三种结构的比较8 】 t a b l e 2 - 1c o m p a r i s o no f t h r e es t r u c t u r e so f c o n t r o l l i n gs y s t e m 汰 开环半闭环全闭环 项目 结构简单复杂复杂 传感器不需要需要( 与电机连成一体) 需要 系统稳定性稳定比较稳定容易不稳定 对于负载变动弱 强强 精度含机构误差含机构误差由传感器精度决定 电机类型步进电机伺服电机伺服电机 速度低速 高速高速 根据建筑物整体平移的控制功能要求，在控制过程中，必需实时检测平移中 建筑物的运动速度、加速度、基部受力情况等数据。需要利用编码器( 编码盘) 、 位置检测装置( 光栅尺、磁栅尺等) 和应力传感器把负载的当前运动位置、受力 等信息反馈到运动控制器进行处理，得到负反馈的控制信号作为系统的输入，以 得到更准确的系统控制的精度。因此初步确定闭环控制方案更能满足要求。 2 2 系统设备组成 本系统以固高公司的g t - x 0 0 s v 系列通用运动控制器作为运动控制基础，连 接p c 机作为上位控制单元。g t 运动控制器通过p c i 总线连接上位负责总控制的 计算机，下面通过专用的数据线将控制指令传送至交流伺服电机驱动器。系统使 用安门i 电机公司的伺服驱动单元s g d m 0 8 a d a 和伺服电机s g m a h 0 8 a a a 4 1 作为运动执行机构，驱动两轴作同步旋转运动；通过螺纹丝杆将电机的旋转运动 转化为负载的直线运动，并使用伺服电机中的旋转编码器和安装于丝杆旁边的光 栅尺将旋转脉冲数和绝对位置值反馈至运动控制器，由其作统一处理。最后由运 动控制器发出反馈控制信号，实现对位置信号的闭环控制。系统的硬件设备装置 如图2 1 所示。 第- 二章建筑物平移系统设备组成 伺服单元r l伺服电机n 运动指令n 位置反馈n 图2 1 控制系统硬件组成示意图 f i g 2 lh a r d w a r es y s t e mo f c o n t r o le x p e r i m e n t 2 2 1g t 运动控制器 2 2 1 1 运动控制器及其特点 从控制方案来看，运动控制系统的上位控制一般有单片机系统、专业运动控 制p l c ( 可编程控制器) 和通用集成运动控制器等形式【lo 】。与单片机或p l c 系 统相比，通用集成运动控制器因其使用d s p 和f p g a 芯片作为运动控制处理器， 利用p c 为信息处理平台，以插卡的形式嵌入p c 机中，将p c 的信息处理能力和 开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处 理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的优点，能完成速度快、 精度高、运动过程和机械轨迹较复杂的运动控制，因此近年来越来越得到广泛的 应用。图2 2 为以集成运动控制器作为上位控制单元的运动控制系统典型构成图。 图2 2 运动控制系统的典型构成图 f i g 2 - 2t y p i c a lc o m p o s i t i o no fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m 广东工业大学工学硕十学位论文 通用集成运动控制器从结构上可分为基于p c 标准总线的运动控制器、s o f t 型运动控制器和嵌入式结构的运动控制器【1 1 】。 1 基于p c 标准总线的运动控制器。以插卡形式嵌入p c 机中，即“p c + 运 动控制器 的模式。具有开放体系，独立于计算机，并与计算机相结合构成，大 多采用d s p 作为运动处理芯片，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制 和p l c 功能，并提供开放的函数库供应用开发，是目前运动控制的主流产品。 2 s o f t 型运动控制器。运动控制软件全部装在计算机中，而硬件仅是计算机 的标准化通用接口，用户利用开放的运动控制内核开发运动控制系统，提供给用 户最大的灵活性。 3 嵌入式运动控制器。把计算机嵌入到运动控制器当中，能够独立运动。同 样依靠计算机总线与计算机进行通信，属于基于总线结构的运动控制器的变种， 其采用更加可靠的总线连接方式，更适合工业应用。 在此基础上，基于p c 总线的运动控制器还具有以下优点： 1 基于p c 总线的运动控制器是伺服电机的控制单元，与p c 机构成主从控 制结构，可用于包括位移、速度、加速度等各种运动控制。p c 机主要完成人机交 互界面的管理、控制系统的监测和控制工作，控制器负责运动控制的细节，运动 控制器只需要从微机接收控制命令，然后自己完成与运动有关的发脉冲方向信 号、检测限位原点等信号的控制，几乎不占用微机c p u 时间。 2 硬件组成简单。把运动控制器插入p c 总线，连接信号线就可组成系统； 可以使用p c 机已经具有的丰富软件进行开发；运动控制软件的代码通用性和可 移植性较好； 从以上可以看出，在以伺服电机作为执行机构，并以p c 机作为上位机控制 的条件下，考虑到功能性能和成本的因素，拟选用基于p c 标准总线的运动控制 器较为适合本课题的研究需要。 2 2 1 2g t - x 0 0 s v 系列运动控制器 g t - x 0 0 s v 系列运动控制器是固高科技有限公司生产的高性能通用运动控 制器，其核心由a d 公司的数字信号处理器a d s p 2 1 8 1 和f p g a 芯片组成，能充 分利用d s p 处理器的高速信号处理能力，提供高性能的控制计算能力10 1 。运动控 制器以p c 机作为主机，基于标准的p c i 总线，通过运动控制器特有的通信接口 第二章建筑物平移系统设备组成 与运动控制器交换信息，包括向运动控制器发出运动控制指令( 速度模式、加速 度、速度以及目标运动位置) ，并通过该接口获取运动控制器的当前状态和相关控 制参数。运动控制器完成实时运动轨迹生成、位置闭环伺服控制、主机命令处理 和控制器i o 管理等功能，通过编码器接口，获得运动位置反馈信息，通过模拟 电压输出( 或脉冲输出) 接口控制伺服电机实现主机要求的运动。对伺服电机进 行控制时，g t - x 0 0 s v 运动控制器输出1 0 v 模拟电压的控制信号， g t - x 0 0 s v 最多能同时控制8 个电机( 运动轴) ，通过模拟量和脉冲量输出 的方式控制伺服电机和步进电机，达到闭环( 伺服电机) 或开环( 伺服电机，步 进电机) 控制的目的。g t - x 0 0 s v 为每一轴提供增量式编码器作为输入反馈，能 利用其提供的两路位置输入信号的相位差对编码器输入信号进行4 倍频，使运动 伺服控制更加平移。另外，g t - x 0 0 s v 还带有2 路辅助编码器的反馈输入，可为 具体的执行负载提供位置检测或其它检测的反馈信号。 2 2 2 交流伺服系统 2 2 2 1 伺服电机的控制方式 伺服电机常用的三种控制方式包括：速度模式、位置模式、转矩模式【1 1 1 。 1 速度模式。通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制， 在有上位控制装置的外环p i d 控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的 位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负 载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由 直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程 中的误差，增加整个系统的定位精度。此模式一般在需要控制转速时，或者是需 要在伺服单元的编码器反馈分频输出并在指令控制器配置位置环进行位置控制时 使用。 2 位置模式。位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速 度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直 接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制， 所以一般应用于定位装置。此模式适用于利用脉冲列位置指令控制伺服电机的位 置，或用输入脉冲数控制位置、脉冲频率控制速度的场合。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 转矩模式。转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来 设定电机轴对外的输出转矩的大小。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设 定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。此模式主要应 用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设 备。 本课题的同步控制算法是基于运动速度曲线规划的逐次比较插补算法，在每 一个控制周期内必须实时监控负载的运动速度，并对其速度和位置有较为精确的 控制，精度要求较高。基于以上考虑，本课题较适合使用速度控制模式，以便能 较好地达到控制的要求。 2 2 2 2 伺服电机速度控制原理 系统的速度控制模式原理框图如图所示，其中包含伺服电机的三个控制环， 即所谓的3 个闭环负反馈p i d 调节系统( 图2 3 ) 1 1 】。 一二= ：重! 二一一一一一一一一一一一一一? 二! 重! 二：一：一：；：i j j 图2 - 3 速度控制系统框图 f i g 2 - 3b l o c kd i a g r a mo fv e l o c i t yc o n t r o ls y s t e m 最内的p i d 环是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检 测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行p i d 调节，从而达 到输出电流尽量接近等于设定电流。电流环用于控制电机转矩，所以在转矩模式 下驱动器的运算量最小，动态响应最快。 第2 环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈p i d 调节，它 的环内p i d 输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电 第二章建筑终平移系统设蚕组成 流环。换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位 置控制的同时系统实际也在进行电流( 转矩) 的控制以达到对速度和位置的相应 控制。 第3 环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器之间构建，也可 以在外部控制器和电机编码器或最终负载之间构建，要根据实际情况来定。由于 位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3 个环 的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。 2 2 2 3 交流伺服系统特点 与用于开环控制麓步进电枫相毙，交流伺服电机具有以下一些优点猕l ： 1 控制精度高。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证， 对于具有1 7 位编码器的电机，驱动器每接收2 = 1 3 1 0 7 2 个脉冲电机转一圈，酃 其脉冲当量为9 8 9 ，是步距角为1 8 。的步迸电机脉冲当量的1 6 5 5 。 2 。低频特性较好。交流饲服电机运转非常平稳，郄使在低速时也不会出现步 进电机的振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盏机械的刚性不足， 并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3 矩频特性好。步迸电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会 急剧下降。而交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速( 一般为2 0 0 0 r m i n 或3 0 0 0 r m i n ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4 具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力，可用于克服惯性负载 在启动瞬间的惯性力矩。黼步进电机通常不具有过载能力。 5 运行性能可靠。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码 器反馈信号进行采样，内部构戒彼置环和速度环，一般不会寤现步进电机的丢步 或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6 速度响应快。交流饲服系统的加速性能较好，大多交流伺服电机从静止加 速到其额定转速3 0 0 0 r r a i n 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。而步 进电桃从静止加速到工佟转速( 一般为几百转每分) 需要2 0 0 - 4 0 0 m s 。 广东工业人学工学硕士学位论文 2 2 3 速度和位置检测机构 在运动控制系统中，检测环节的起到两个作用：( 1 ) 检测出被测信号的大小， ( 2 ) 把被测信号转换成可与指令信号进行比较的物理量，构成反馈通道。通常测 量环境转换作用可以看作是一个比例环节，其比例系数就