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控制系統(tǒng)

基于DSP NNC-PID的電液位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

星之球激光 來源:中電網(wǎng)2011-11-15 我要評論(0 )   

在汽車制造過程中,大量應(yīng)用電液位置伺服式機(jī)械手(焊裝、噴漆)、機(jī)床(沖、壓)以及其他加工裝置。電液位置伺服系統(tǒng)具有功率大、響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn),這就要求控制系統(tǒng)...

 

       在汽車制造過程中,大量應(yīng)用電液位置伺服式機(jī)械手(焊裝、噴漆)、機(jī)床(沖、壓)以及其他加工裝置。電液位置伺服系統(tǒng)具有功率大、響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn),這就要求控制系統(tǒng)不僅有良好的定位精度,而且要有好的伺服跟蹤性能,因此是控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分。電液位置伺服控制系統(tǒng)的典型特征是非線性、不確定性、時(shí)變性、外界干擾和交叉耦合干擾等,系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型不易建立。因此,對電液系統(tǒng)的控制一直是一個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng)問題。

       常規(guī)PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)意義明確、控制的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等特點(diǎn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NNC)具有信息綜合、學(xué)習(xí)記憶和自適應(yīng)能力、逼近任意非線性函數(shù)的能力,可以處理那些難以用模型和規(guī)則描述的過程,但也存在局部最小點(diǎn),不易達(dá)到最優(yōu)控制。

       將NNC與PID控制相結(jié)合組成智能控制器可以取得更好的控制效果,這里提出采用DSP實(shí)現(xiàn)NNC-PID控制器對電液位置系統(tǒng)進(jìn)行智能控制,滿足電液位置伺服對控制系統(tǒng)響應(yīng)快和高精度的要求。

1 電液位置伺服系統(tǒng)構(gòu)成

以噴漆機(jī)械手第一關(guān)節(jié)為對象,構(gòu)造了研究實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示。其中反饋器件采用精密導(dǎo)電塑料電位計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)以DSP為核心、由噴漆機(jī)械手第一關(guān)節(jié)、位置傳感器、12位A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理電路和輸出放大驅(qū)動(dòng)電路以及上位機(jī)PC等組成,實(shí)現(xiàn)定位和伺服跟蹤控制。



2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

TMS320F2812是TI公司推出的2000系列的數(shù)字信號處理(DSP),主要應(yīng)用在控制領(lǐng)域。頻率達(dá)150 MHz,定點(diǎn)32位的CPU,可運(yùn)行16×16和32×32的運(yùn)算。片上高達(dá)128 KB的程序存儲器,128 KB的ROM和18 KB的SARAM,外部接口16位數(shù)據(jù)線和19位地址線,可外擴(kuò)l MB的ROM。此外還集成有16通道的12位的A/D轉(zhuǎn)換器,最小化周期80 ns,以及56個(gè)可單獨(dú)編程的通用I/0(GPIO)引腳。高速的數(shù)字信號處理能力及豐富的外擴(kuò)資源使TMS320F2812適合應(yīng)用在要求較高的控制系統(tǒng)。

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用了PC+DSP的控制方案,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中PC機(jī)主要用來顯示控制界面,調(diào)節(jié)各控制參數(shù),實(shí)時(shí)顯示各相關(guān)信號。而DSP則完成低層的控制功能,通過A/D轉(zhuǎn)換器采集各路信號,經(jīng)過一定的算法處理后,由D/A口輸出,以及通過I/0口、光電隔離驅(qū)動(dòng)放大電路來控制各電磁閥的開關(guān)。同時(shí)通過通信,向PC機(jī)發(fā)送采集來的信號,并接收PC機(jī)的起動(dòng)、停止等指令以及各控制參數(shù)。


2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換器模塊時(shí)鐘可達(dá)25 MHz,轉(zhuǎn)化精度為12位,可采集16個(gè)通道,0~3 V的電壓模擬信號。多種觸發(fā)方式:軟件觸發(fā)(DOC)、事件管理器A(EVA)、事件管理器B(EVB)。其轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)與輸入電壓的關(guān)系為:數(shù)字量=4 095x(V輸入-VADCLO)/3,其中VADCLO為各通道的基準(zhǔn)電壓。

在PCB布線時(shí),信號引入端到TMS320F2812引腳的距離要盡量的短,同時(shí)各通道遠(yuǎn)離數(shù)字信號,并且大面積鋪地。A/D轉(zhuǎn)換器電路模塊中J3接傳感器,J19可接示波器等,可供其他儀器采集數(shù)據(jù)。

2.3 I/O及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

I/0板主要用來驅(qū)動(dòng)各電磁閥,驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)數(shù)安培,電磁噪聲較大,各繼電器的開關(guān)會產(chǎn)生較強(qiáng)電磁干擾,開關(guān)的電流沖擊及電壓峰值較大,這會影響DSP的運(yùn)行。因此與DSP主板分開布線制板。I/O板設(shè)計(jì)中采用74LS244作為驅(qū)動(dòng)元件,TLP521作為光電隔離和繼電器來驅(qū)動(dòng)外負(fù)載。在PCB布線時(shí),有大電流通過的導(dǎo)線適當(dāng)加粗,該板可驅(qū)動(dòng)8路(可擴(kuò)展至16路)的電磁閥。

2.4 通信電路

USB通信電路設(shè)計(jì)中采用的ISPl581是Philips公司的通用串行總線接口器件,它完全符合USB2.0規(guī)范。支持USB2.0的自檢工作模式和USBl.1的返回工作模式,直接與ATA/ATAPI外設(shè)相連,集成8 K字節(jié)的多結(jié)構(gòu)FIF0存儲器;高速的DMA接口:7個(gè)0UT端點(diǎn)和一個(gè)固定的控制IN/OUT端點(diǎn)。通過一個(gè)高速的通用并行接口,ISPl581為基于微控制器/微處理器的系統(tǒng)提供了高速的USB通信能力。使用已有的結(jié)構(gòu)和參考的固件,不僅縮短了開發(fā)時(shí)間,還減少了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用,是一種簡捷、經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)解決方案。

將ISPl581映射到TMS320F2812的XINTF ZoneO空間,使用作為ISPl581的片選信號,選用TMS320F2812的1個(gè)GPIO引腳作為復(fù)位ISPl581的信號,將讀寫控制信號直接相連,在對ISPl581操作中有重要作用的中斷信號接到DSP的XINTl,以便DSP能及時(shí)處理USB的通信中斷,由于ISPl581的存儲空間是8位組織的,而TMS320F2812的存儲空間是16位組織的,可將其數(shù)據(jù)線DO~D15直接相連,ISP1581的地址線A0接地,A1與DSP的A0相連,A2與DSP的A1相連,依次類推至A7與DSP的A6相連。ISP1581的工作模式選為通用處理器模式,即單獨(dú)的地址線AO~A 7,處理器和DMA共用數(shù)據(jù)線D0~D15,讀寫模式選為8051模式即讀寫控制為。將MODEl引腳直接與+5 V連接,引腳ALE/AO接地。

2.5 外擴(kuò)存儲器電路

TMS320F2812將外部的存儲空間映射為5個(gè)16位的區(qū)域,XINTF Zone0~XINTF Zone2、XINTF Zone 6和XINTF Zone7。其中XINTF ZoneO和XINTF Z0nel均為8 KB,并且共用片選信號;XINTF Zone2為521 KB,片選信號;XINTF Zone6為521 KB,XINTF Zone7為16 KB,共用片選信號。存儲器電路使用XINTF Zone2和INTF Zone6的存儲空間,選用IS6lLV25616作為存儲器件。將TMS320F-2812和IS61LV25616的數(shù)據(jù)線D0~D16、地址線AO~A17、讀寫控制直接連接,TMS320F2812的、A18通過由邏輯門器件74AC04和74LVC32組成的譯碼電路后形成片選信號,從而實(shí)現(xiàn)了對IS61LV25616的讀寫控制。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高度非線性的超大規(guī)模連續(xù)時(shí)間動(dòng)力系統(tǒng),具有大規(guī)模并行分布處理、高度的魯棒性、自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)聯(lián)想等能力,它能很好地自適環(huán)境變化,自學(xué)習(xí)修改過程參數(shù),這些特性為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到電液位置伺服系統(tǒng)控制中提供了巨大的潛力。

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。從控制系統(tǒng)框圖中可以看出,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制包括兩個(gè)控制子模塊:NNI為被控對象模型辨識器,NNC為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。NNC-PID控制系統(tǒng)的工作原理是:首先獲取實(shí)際被控對象的輸入輸出樣本對,然后利用NNI對被控對象進(jìn)行離線辨識,當(dāng)辨識精度達(dá)到設(shè)定的要求時(shí),通過實(shí)時(shí)調(diào)整NNC的權(quán)值系數(shù),使系數(shù)具有自適應(yīng)性,從而達(dá)到有效控制的目的。#p#分頁標(biāo)題#e#



3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器(被控對象模型辨識器NNI)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器NNI采用3層串并聯(lián)BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),包括輸入層、隱層、輸出層,其結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。網(wǎng)絡(luò)的輸入是被控對象的輸入/輸出序列[u(k),y(k)],網(wǎng)絡(luò)的輸出為教師信號。

網(wǎng)絡(luò)隱層的輸入輸出為:




3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器(單神經(jīng)元自適應(yīng)NNC-PID控制器)

由于被控對象模型不確定、不確知,并且存在著外界隨機(jī)擾動(dòng),為了達(dá)到較高的控制精度,在被控對象模型離線辨識的基礎(chǔ)上,采用單神經(jīng)元自適應(yīng)NNC-PID控制器結(jié)構(gòu),如圖4所示。




網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值系數(shù)值V=[v1,v2,v3],即表征PID控制器的3個(gè)系數(shù)KP,KI,KD。,網(wǎng)絡(luò)的輸入為X=[x1,x2,x3],即表征3個(gè)輸入?yún)?shù)e(k)、△e(k)、△2e(k),網(wǎng)絡(luò)的輸出為△u(k)。

有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則,通過對權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能,控制算法和學(xué)習(xí)算法如式(10)和式(11)所示。



根據(jù)有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則,權(quán)系數(shù)按式(12)~式(14)規(guī)律調(diào)整如下:




式中,K為神經(jīng)元比例系數(shù),ηI、ηP、ηD分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分,使用Labview編寫的PC機(jī)程序和用C語言編寫的DSP程序,其中PC機(jī)的程序用來顯示和處理DSP發(fā)送來的數(shù)據(jù),并向DSP發(fā)送指令及調(diào)節(jié)參數(shù)。

DSP的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在CCS2000的開發(fā)系統(tǒng)下采用C語言設(shè)計(jì)和編寫,采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路,按功能劃分軟件模塊,系統(tǒng)軟件如圖5所示,主要由初始化模塊、故障診斷、USB通信模塊、機(jī)械手NNC控制學(xué)習(xí)模塊和機(jī)械手NNC-PID控制模塊等組成。



5 試驗(yàn)結(jié)果

對電液位置伺服機(jī)械手系統(tǒng)首先采用常規(guī)的PID控制,利用Ziegler-Nichols方法整定PID參數(shù),即控制系統(tǒng)在純比例控制下,調(diào)整比例增益,使系統(tǒng)達(dá)剜臨界穩(wěn)定,記錄這時(shí)的增益ku和臨界振蕩周期Tu,即可確定PID的參數(shù),即:kp=0.6Tu,kI=0.5Tu,kD=0.25Tu,最后確定比例、積分、微分系數(shù)分別為:kP=1.02,kI=0.024,kD=0.006,這時(shí)系數(shù)的位置階躍跟蹤響應(yīng)如圖6所示。在同等情況下,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制方法對電液位置伺服機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行控制,取NNC的初始權(quán)值為PID的調(diào)定值,即:v1(0)=1.02,V2(0)=0.024,V3(0)=0.00 6,為了保證迭代的穩(wěn)定性,限制權(quán)值的迭代范圍:0.1≤v(1)≤1.3,0.001≤v(2)≤0.06,0.001≤v(3)≤5,這時(shí)系統(tǒng)的位置跟蹤響應(yīng)曲線如圖6所示。通過對比可以看出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID方法,由于具有學(xué)習(xí)能力,使系統(tǒng)很快收斂于位置穩(wěn)態(tài)值,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制由于能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整PID參數(shù),使系統(tǒng)的控制性能得到提高,同時(shí)對參數(shù)時(shí)變表現(xiàn)出良好的魯棒性,很好地解決了液壓系統(tǒng)的非線性和參數(shù)時(shí)變問題。




需要注意的是,神經(jīng)元比例系數(shù)K的選擇對系統(tǒng)的控制性能影響最重要,過大或過小都將導(dǎo)致系統(tǒng)性能變差,甚至不能實(shí)現(xiàn)自尋優(yōu)和自適應(yīng)。而ηP、ηI、ηD對系統(tǒng)的性能影響體現(xiàn)在學(xué)習(xí)速度的快慢上。

6 結(jié)束語

通過分析電液位置伺服機(jī)械手運(yùn)行調(diào)試的特點(diǎn)及其對控制器電路的要求,采用一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器的PC機(jī)+DSP的控制方案,對電液位置伺服PC機(jī)+DSP控制系統(tǒng)硬、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),并詳細(xì)分析了硬件各控制子系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)及制版要求,說明了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID的控制器軟件設(shè)計(jì)過程以及軟件的編制和調(diào)試。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室對比運(yùn)行說明,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器的電液位置伺服機(jī)械手PC機(jī)+DSP控制系統(tǒng)的控制效果良好,控制器工作可靠,并且參數(shù)調(diào)節(jié)方便。

 

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