柔臂振动控制半实物实时仿真系统的研究.doc

柔性臂振动控制半实物实时仿真系统的研究周摘要：柔性臂运行过程中的振动对其定位和操作精度有很大影响，柔性臂的振动控制研究受到极大重视，但缺乏有效的、统一的实时仿真实验平台。在对柔性臂耦合建模及动力学特性研究的基础上，建立了双杆压电智能结构型柔性机械臂系统。利用单片机系统和Simulink提供的串行通信模块实现机械臂的运动控制，通过数据采集模块实现机械臂系统与MATLAB工作空间的数据交换，将实际系统和虚拟环境结合起来，建立了柔性臂振动控制实时仿真实验系统。采用PID控制算法，对整套实验系统进行了实验调试，结果表明该系统运行正常，PID控制算法也能有效地抑制机械臂的振动。该平台可用于振动控制实验研究与实际系统。关键词：实时仿真；柔性臂；主动控制；RTWResearch on Hardware-in-the-loop Real-time Simulation System for Vibration Control of Flexible ManipulatorAbstract: Precision of positioning and operation were enormously affected by vibration while flexible manipulator was running. The vibration control of flexible manipulator have been studied deeply, however, the effective and uniform real-time simulation platform was lacked. Based on the study of coupled modeling and dynamic characteristics, the two-link piezoelectric smart structure flexible manipulator system was established. The manipulators motion was controlled by single-chip microcomputer system and serial communication module that was provided with simulink. The date exchange between manipulator system and the MATLAB workspace was implemented by the data acquisition module, which combined practical system with virtual environment, so as to establish the real-time simulation system of the vibration control of flexible manipulator. The PID control algorithm was adopted to debug the entire experimental system, the results showed that the system can work normally, and the PID control algorithm can also effectively suppress the vibration of flexible manipulator. The platform can be used for vibration control experimental study and the actual system.Key Words：Real-time Simulation; Flexible Manipulator; Active Control; Real-Time Workshop1 引言高速度、高精度、轻质柔性机械臂具有工作效率高、能量消耗低、载荷质量比大、构件设计紧凑等优点，已广泛应用于航空航天、精密加工、坐标测量等领域。由于柔性结构的模态阻尼小，外扰引起的振动往往很大，且持续时间较长，使得机械臂难以精确定位，降低了工作效率，严重影响了系统的正常工作。柔性臂振动控制研究已经成为国内外的研究热点，目前常采用被动控制、逆动力学以及主动控制等方法，特别是基于压电智能结构的振动控制研究更是受到相关学者的重视。楚中毅等1采用双重驱动的抑振策略实现了对2-DOF平面并联压电智能杆型柔性机器人的运动控制。邱志成等2建立了基于压电传感器的交流伺服电动机驱动谐波齿轮的柔性梁实验平台。余跃庆等3针对含有压电智能结构的柔性机械臂，采用模糊PID融合控制理论实现了主动控制。Timothy等4针对高加速水平运动柔性机器人垂向振动超标的情形，采用基于压电作动器的辅助手段消除垂向振动。Xue等5研究了单杆柔性旋转臂的滑模振动控制算法。目前柔性臂的振动控制研究主要侧重于理论仿真或简易实验研究，没有统一的实验平台或检验平台，无法对各种建模方法与控制算法给出一个统一的评价；并且理论研究与实验系统不能有机结合，实验系统研制难度大。解决此问题的关键在于建立柔性臂的实物实时仿真系统。MATLAB软件能提供一个半实物实时仿真平台构建的工具，其通过对数学模型的数值计算来模拟各种实际控制过程，检验各种控制算法的性能和适用范围，以Simulink作为仿真环境，并以Simulink模型作为连接物理目标的接口，应用MATLAB和C语言作为控制器的编写工具，实现实时仿真系统6。本文在对柔性臂耦合建模及动力学特性分析研究的基础上，建立了双杆压电智能结构型柔性机械臂实验系统。利用MATLAB软件的RTW实时工具箱，结合振动控制算法，通过虚拟环境与现实环境构建了半实物实时仿真系统，为柔性臂振动控制的研究提供了实时仿真研究平台。2 柔性机械臂的动力学模型本文以压电双杆柔性机械臂为研究对象，建立柔性臂的惯性坐标系和动坐标系，描述刚体运动及弹性变形，计算各智能杆动能、势能（变形、压电元件的电势能）、电机外力功，以控制力矩表示压电作动器对柔性臂的作用，利用假设模态法和拉格朗日方程，建立柔性臂的动力学模型7： （1）式中：为广义坐标矢量；为对称的惯性矩阵；为表征哥氏力和离心力作用的交叉耦合矩阵；为刚度矩阵；为系数矩阵；为控制力矩矢量。将其转换成状态空间模型。选取状态变量为，输入为，输出为，状态空间模型表达式： （2）上述方程是高度耦合的非线性数学模型，在较短的仿真步长内，假设系数矩阵恒定，根据状态空间模型（2），运用龙格-库塔（Runge-Kutta）法求解动力学方程。为了便于实时仿真与控制算法的实现，利用S函数设计状态空间模型，包括mdlInitializeSizes、mdlInitializeSampleTimes、mdlInitializeConditions、mdlOutputs和mdlUpdate等模块，这些模块分别起到初始化、计算系统输出和更新系统当前状态变量值的作用。以臂2的弹性变形为反馈量，采用PID控制算法实现柔性臂的振动主动控制。3 MATLAB实时仿真环境RTW(Real-Time Workshop)是MATLAB图形建模、仿真和样机开发环境Simulink的一个重要功能补充模块，是基于Simulink的代码自动生成环境。它能直接从Simulink的模型中产生优化的、可移植的和可定制的ANSIC代码，并根据目标配置自动生成多种环境下的程序，在硬件上运行动态系统模型，同时还支持基于模型的调试。RTWT(Real-Time Windows Target)是MATLAB提供和发行的一个基于RTW体系框架的附加产品，它可将PC机转变为一个实时系统，其目的是引入一种快速原型设计的方法，用于控制器的实时测试和开发。RTWT支持多种类型的I/O板卡，用户只需安装相关软件、一个编译器和I/O设备板卡，就可将一台PC机用作实时系统并通过I/O设备与外部设备进行连接。当用户在Simulink环境下建模，并得到较满意的仿真结果后，可利用RTW和一个C编译器将模型编译为一个可执行文件，然后实时运行可执行文件，与用户的物理系统连接在一起，使用Simulink模型作为连接物理目标的接口，利用生成的代码在实时环境中测试与验证自己的设计方案。4 柔性臂振动控制实时仿真平台的构建柔性臂实时仿真系统由虚拟环境、实物系统两部分组成，两者之间通过串行通信及A/D模块相连，见图1所示。PCL-818L底座 单片机系统电机驱动器电机驱动器柔性臂1 电机柔性臂2压电传感器压电作动器电荷放大器压电驱动电源电机工控机数字信号模拟信号RS232动力学模型基于S函数的控制算法特性分析模块RTW图1 柔性臂实时仿真平台虚拟控制器环境实际现场环境Instrument Control Toolbox柔性臂运动控制模块现场实物系统主要由双杆柔性臂本体、电机及其运动控制系统、压电传感器/作动器、电荷放大器以及压电驱动电源等组成。双连杆柔性臂在水平面内转动，利用压电传感器/作动器对柔性臂的振动进行检测与控制。电机及其运动控制系统包括两个电机、电机驱动器、单片机系统等。实物部分有关参数见文献7。虚拟环境则是由安装了数据采集卡的工控机担任，主要由MATLAB软件结合其Simulink工具箱实现，以Simulink模型作为连接物理目标的接口。Simulink的外部模式与RTWT结合提供了一个图形用户接口。Simulink 模型和实时应用程序之间保持着一个校验机制，实时内核应用这个校验机制来判断Simulink模型结构在代码生成的过程中是否与实时应用程序结构保持一致。确保了在线修改模型参数的时候，Simulink模型的参数可以正确地映射到实时应用程序相应的参数上。在Simulink环境下利用Instrument Control Toolbox实现与单片机的串行通信，再通过单片机实现柔性臂的运动控制。通过研华公司的PCL-818L作为连接外设的接口，弹性变形由压电传感器检测，通过电荷放大器后接入A/D，再反馈到工作空间，由S函数实现的控制算法获取工作空间的反馈信息，再将计算的控制量通过模拟输出口输出至压电驱动电源，从而将虚拟控制器与实际现场环境连接起来，实现了柔性臂振动控制的实时仿真。5 实验研究在完成实物系统研制及仿真环境建立的基础上，结合PID控制算法开展实验验证。基于RTW的柔性臂振动控制实时仿真的基本步骤如下：(1) 设置软件配置。在第一次进行实时仿真时，首先安装实时内核并设置默认的编译器，在MATLAB命令窗口输入rtwintgt -setup安装实时内核，然后输入mex -setup，根据提示设置默认的编译器，配置好实验仿真环境。(2) 搭建实验硬件系统。组装研制的实验系统，安装好机械臂硬件系统，再通过RS232适配器联接单片机与工控机，保证两者正常通信；将采集卡安装于工控机中，并联接好其与电荷放大器、压电驱动电源的连线。(3) 建立仿真模型，并设置模块参数。在Simulink模块库中将数据采集所需的输入信号A/D、D/A（PCL-818L）、目标示波器、通信、输出等模块拖放到Simulink框图中，进行参数设置，保证其与实际硬件参数相一致，如设置参数与实际A/D卡通道数目、输入输出电压范围、基地址等参数值相对应。(4) 设置仿真参数，创建目标应用程序。针对仿真模型，在打开的Simulation Parameters对话框中单击Solver标签，在该选项卡中设置固定步长和仿真停止时间，选择积分求解器；单击Real-Time Workshop标签，在该选项卡中设置系统目标文件、模板联编文件、Make命令等，在Category下拉列表中选择Real-Time Windows Target build options选项，选中External model选项。设置完仿真参数后，对仿真模型进行编译、连接生成可执行的目标应用程序。(5) 运行实时仿真程序进行实验研究。目标应用程序生成之后，将Simulink设在外部模式下，单击链接目标按钮链接目标应用程序，然后单击启动或停止按钮便可开始或结束实时仿真。在Simulink模型中添加Scope模块，可以显示需要的信号。至此，就可开展实验研究。 a) 未加PID弹性变形图 b)加PID弹性变形图图2 柔性臂振动控制效果图采用PID控制算法，对臂2实施振动主动控制实验研究，结果如图2所示。从图中可以看出：采用主动控制后，臂2弹性变形幅值的峰-谷值衰减为控制前的25%左右，且曲线变得更为平滑，从而表明PID控制算法能有效地抑制柔性臂的弹性振动，亦验证了本实时仿真系统的有效性。6 结论本文基于MATLAB/RTW构建了柔性机械臂振动主动控制的半实物实时仿真平台，在柔性臂耦合建模及动力学特性分析研究的基础上，利用单片机系统和Simulink提供的串行通信模块实现机械臂的运动控制，通过数据采集模块实现机械臂系统与MATLAB工作空间的数据交换，建立了柔性臂振动控制实时仿真实验系统，最后实验验证了该系统的有效性。为柔性臂振动控制的研究与系统实现奠定了基础。参考文献1 楚中毅,崔晶,孙立宁,等. 双重驱动平面并联机器