基于DSP NNC-PID的電液位置伺服控制系統設計

       在汽車(chē)制造過(guò)程中，大量應用電液位置伺服式機械手(焊裝、噴漆)、機床(沖、壓)以及其他加工裝置。電液位置伺服系統具有功率大、響應快、精度高的特點(diǎn)，這就要求控制系統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的典型特征是非線(xiàn)性、不確定性、時(shí)變性、外界干擾和交叉耦合干擾等，系統精確的數學(xué)模型不易建立。因此，對電液系統的控制一直是一個(gè)復雜控制系統問(wèn)題。

　　常規PID控制器具有結構簡(jiǎn)單、參數意義明確、控制的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性?xún)?yōu)良等特點(diǎn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(NNC)具有信息綜合、學(xué)習記憶和自適應能力、逼近任意非線(xiàn)性函數的能力，可以處理那些難以用模型和規則描述的過(guò)程，但也存在局部最小點(diǎn)，不易達到最優(yōu)控制。

　　將NNC與PID控制相結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NNC-PID控制器對電液位置系統進(jìn)行智能控制，滿(mǎn)足電液位置伺服對控制系統響應快和高精度的要求。

　　1 電液位置伺服系統構成

　　以噴漆機械手第一關(guān)節為對象，構造了研究實(shí)驗裝置，如圖1所示。其中反饋器件采用精密導電塑料電位計。整個(gè)控制系統以DSP為核心、由噴漆機械手第一關(guān)節、位置傳感器、12位A/D轉換器和D/A轉換器、信號調理電路和輸出放大驅動(dòng)電路以及上位機PC等組成，實(shí)現定位和伺服跟蹤控制。

　　2 控制系統硬件設計

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

　　2.1 控制系統總體結構

　　控制系統采用了PC+DSP的控制方案，系統總體結構如圖2所示。其中PC機主要用來(lái)顯示控制界面，調節各控制參數，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(guò)A/D轉換器采集各路信號，經(jīng)過(guò)一定的算法處理后，由D/A口輸出，以及通過(guò)I/0口、光電隔離驅動(dòng)放大電路來(lái)控制各電磁閥的開(kāi)關(guān)。同時(shí)通過(guò)通信，向PC機發(fā)送采集來(lái)的信號，并接收PC機的起動(dòng)、停止等指令以及各控制參數。

　　2.2 A/D轉換電路

　　TMS320F2812的A/D轉換器模塊時(shí)鐘可達25 MHz，轉化精度為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)。其轉化數據與輸入電壓的關(guān)系為：數字量=4 095x(V輸入-VADCLO)/3，其中VADCLO為各通道的基準電壓。

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

　　2.3 I/O及驅動(dòng)設計

　　I/0板主要用來(lái)驅動(dòng)各電磁閥，驅動(dòng)電流可達數安培，電磁噪聲較大，各繼電器的開(kāi)關(guān)會(huì )產(chǎn)生較強電磁干擾，開(kāi)關(guān)的電流沖擊及電壓峰值較大，這會(huì )影響DSP的運行。因此與DSP主板分開(kāi)布線(xiàn)制板。I/O板設計中采用74LS244作為驅動(dòng)元件，TLP521作為光電隔離和繼電器來(lái)驅動(dòng)外負載。在PCB布線(xiàn)時(shí)，有大電流通過(guò)的導線(xiàn)適當加粗，該板可驅動(dòng)8路(可擴展至16路)的電磁閥。

　　2.4 通信電路

　　USB通信電路設計中采用的ISPl581是Philips公司的通用串行總線(xiàn)接口器件，它完全符合USB2.0規范。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外設相連，集成8 K字節的多結構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(guò)一個(gè)高速的通用并行接口，ISPl581為基于微控制器/微處理器的系統提供了高速的USB通信能力。使用已有的結構和參考的固件，不僅縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，還減少了開(kāi)發(fā)風(fēng)險和費用，是一種簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟的USB外設解決方案。

　　將ISPl581映射到TMS320F2812的XINTF ZoneO空間，使用

　　2.5 外擴存儲器電路

　　TMS320F2812將外部的存儲空間映射為5個(gè)16位的區域，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

　　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(xiàn)性的超大規模連續時(shí)間動(dòng)力系統，具有大規模并行分布處理、高度的魯棒性、自適應性和學(xué)習聯(lián)想等能力，它能很好地自適環(huán)境變化，自學(xué)習修改過(guò)程參數，這些特性為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )應用到電液位置伺服系統控制中提供了巨大的潛力。

　　3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )PID控制系統結構

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )PID控制系統結構如圖3(a)所示。從控制系統框圖中可以看出，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(xiàn)辨識，當辨識精度達到設定的要求時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)調整NNC的權值系數，使系數具有自適應性，從而達到有效控制的目的。

　　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，包括輸入層、隱層、輸出層，其結構如圖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NNC-PID控制器)

　　由于被控對象模型不確定、不確知，并且存在著(zhù)外界隨機擾動(dòng)，為了達到較高的控制精度，在被控對象模型離線(xiàn)辨識的基礎上，采用單神經(jīng)元自適應NNC-PID控制器結構，如圖4所示。

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

　　有監督的Hebb學(xué)習規則，通過(guò)對權系數的調整來(lái)實(shí)現自適應、自組織功能，控制算法和學(xué)習算法如式(10)和式(11)所示。

　　根據有監督的Hebb學(xué)習規則，權系數按式(12)～式(14)規律調整如下：

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

　　4 系統軟件設計

　　系統的軟件設計主要分為兩部分，使用Labview編寫(xiě)的PC機程序和用C語(yǔ)言編寫(xiě)的DSP程序，其中PC機的程序用來(lái)顯示和處理DSP發(fā)送來(lái)的數據，并向DSP發(fā)送指令及調節參數。

　　DSP的系統軟件設計是在CCS2000的開(kāi)發(fā)系統下采用C語(yǔ)言設計和編寫(xiě)，采用自頂向下的設計思路，按功能劃分軟件模塊，系統軟件如圖5所示，主要由初始化模塊、故障診斷、USB通信模塊、機械手NNC控制學(xué)習模塊和機械手NNC-PID控制模塊等組成。

　　5 試驗結果

　　對電液位置伺服機械手系統首先采用常規的PID控制，利用Ziegler-Nichols方法整定PID參數，即控制系統在純比例控制下，調整比例增益，使系統達剜臨界穩定，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，即：kp=0.6Tu，kI=0.5Tu，kD=0.25Tu，最后確定比例、積分、微分系數分別為：kP=1.02，kI=0.024，kD=0.006，這時(shí)系數的位置階躍跟蹤響應如圖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械手系統進(jìn)行控制，取NNC的初始權值為PID的調定值，即：v1(0)=1.02，V2(0)=0.024，V3(0)=0.00 6，為了保證迭代的穩定性，限制權值的迭代范圍：0.1≤v(1)≤1.3，0.001≤v(2)≤0.06，0.001≤v(3)≤5，這時(shí)系統的位置跟蹤響應曲線(xiàn)如圖6所示。通過(guò)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)習能力，使系統很快收斂于位置穩態(tài)值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )NNC-PID控制由于能夠實(shí)時(shí)調整PID參數，使系統的控制性能得到提高，同時(shí)對參數時(shí)變表現出良好的魯棒性，很好地解決了液壓系統的非線(xiàn)性和參數時(shí)變問(wèn)題。

　　需要注意的是，神經(jīng)元比例系數K的選擇對系統的控制性能影響最重要，過(guò)大或過(guò)小都將導致系統性能變差，甚至不能實(shí)現自尋優(yōu)和自適應。而ηP、ηI、ηD對系統的性能影響體現在學(xué)習速度的快慢上。

　　6 結束語(yǔ)

　　通過(guò)分析電液位置伺服機械手運行調試的特點(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+DSP的控制方案，對電液位置伺服PC機+DSP控制系統硬、軟件進(jìn)行設計，并詳細分析了硬件各控制子系統的功能、特點(diǎn)及制版要求，說(shuō)明了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )NNC-PID的控制器軟件設計過(guò)程以及軟件的編制和調試。經(jīng)過(guò)實(shí)驗室對比運行說(shuō)明，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )NNC-PID控制器的電液位置伺服機械手PC機+DSP控制系統的控制效果良好，控制器工作可靠，并且參數調節方便。