（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)論文）多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的研究.pdf

摘要 論文題目 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的研究 學(xué)科專(zhuān)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)及理論 研究生 萬(wàn)亞斌 導(dǎo)師 李鵬飛副教授 摘要 i l i i i i j i i f i j i i i i i i f j l i i l i i i i i i i f 帥 y 2117 5 31 簽名 五亞斌 簽名 孿璺墾堡壘 多臺(tái)電機(jī)同步控制技術(shù)在高速高精度機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用 如何保證多電 機(jī)傳動(dòng)精度的精確同步性是同步控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題 本文從多電機(jī)同步控錆u 系統(tǒng)硬件實(shí) 現(xiàn) 多電機(jī)同步控制策略 模糊自適應(yīng)p i d 控制算法 控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)及實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行 了研究 主要工作和結(jié)論如下 根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 構(gòu)建了多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)平臺(tái) 對(duì)基于p m a c 多 軸運(yùn)動(dòng)控制器控制三個(gè)直流伺服電機(jī)的閉環(huán)負(fù)反饋同步控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析 為實(shí)現(xiàn)三個(gè) 電機(jī)的同步控制做好了硬件基礎(chǔ) 建立了直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)仿真模型 通過(guò)對(duì)p i d 算法及現(xiàn)代智能控帶 j 算法研究分析 設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)p i d 控制器和p i d 控制器仿真系統(tǒng) 在基于m a t l a b 軟件的s i m u li n k 環(huán)境 下對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行了仿真 比較兩種算法的優(yōu)劣性 仿真結(jié)果顯示智能控帛l j 算法性臺(tái)邑優(yōu)于 常規(guī)p i d 算法的控制性能 分析并聯(lián)控制 交叉耦合控制等同步策略的電控方式 結(jié)合智能算法 構(gòu)建基于模糊 自適應(yīng)p i d 補(bǔ)償器的相鄰偏差耦合三電機(jī)同步控制模型 并進(jìn)行仿真 研究了在負(fù)載未 知擾動(dòng)下多電機(jī)的同步性及其實(shí)現(xiàn)方法 基于p m a c 控制的三坐標(biāo)平臺(tái) 完成了多電機(jī)同步控制實(shí)驗(yàn)研究 編鋁i j 了人機(jī)界面 軟件與多電機(jī)運(yùn)動(dòng)程序開(kāi)發(fā) 實(shí)現(xiàn)了p c 機(jī)與p m a c 卡通信并控制電機(jī)運(yùn)行 通過(guò)對(duì)控 制參數(shù)和p i d 參數(shù)設(shè)置調(diào)整并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)試 分析了電機(jī)跟隨誤差和同步誤差 實(shí)現(xiàn)了多 軸同步運(yùn)行 關(guān)鍵詞t 多電機(jī) 相鄰偏差耦合 模糊自適應(yīng)p i d 同步控制 p m a c 運(yùn)動(dòng)控偉i j 器 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 t j t l e r e s e a r c ho nt h e m u l t i m o t o r s y n c h r o n o u s c o n t r o ls y s t e m m a j o r m e c h a n i c a id e s i g na n d t h e o w n a m e y a b i nw a n s u p e r i s o r a s s o c i a t ep r o f p e n g f b il i a b s t 陷c t s i g n a t u 陀 址k 出 s g n a t u 怕 衛(wèi)秘 m u i t i m o t 0 瑙s c h r o n o u sc o n 仃0 lt e c h n o l o g yh 鶴b e e nw i d e l y 啦e di 1 1 h i 曲 s p e e da 1 1 d m g h i r e c l s l o nm e c h 砌c m 仃獅s m i s s i o n s y s t e m s t h ec o r e p r o b l e m i i l m u l t i m o t o r s s y n c h r o n o u sc o 仰舊is y s t e mi sh o wt 0 舢t e e l e p r e c i s es y n c m c i t y0 fm u l t i m o t o r s m 協(xié) o 啪n g 嬲p e c t sl l a v cb e e nr e s e a r c h e di i l t h i sp a p e r t l l eh a r d w a r ei i n p l e m e n t a t i o no f m u i t l m o t o r s 驢c h r o n o u sc 0 n 的ls y s t e m t l l es 姍e g ro fm u l t i 帥0 t o r ss y n c n o u s c o n 昀i m e 嘞a d 印 i v ep i dc o n t r o la l g o r i t t l m t i l ed e v e l o p m e n t0 ft h ec o m r o ls y s t e m 鋤d e x p e r i m e n t s t h em a j nw o r k 鯽dc o n c l u s i o n s a r e 懿f o l l o w s ih el l a r d w 玳 p i a t f o 舳 0 fm cm u l t i 咖o t o r s s y n c h r o n 0 啪c o n 的l s y s t e ml l a sb e e n c o n s 蟣1 c t e db 鼬e d0 nt h ec h 牡a c t e r i s t i c s0 ft i i e t m 嚙m i s s i o ns y s t e m a n 羽y z i n gt l l et i l r e ed c m o t o r sc i o s e d 1 0 0 pf e e d b a c ks y n c h r o n o 岫c o n 仃0 ls y s t e m 訛c hu s en l e p m a cm u l t i a x i s m o t l o nc o n 們l l e ri s p r e p a r e df o rm ek 咄岫f o u n 眈i o n0 f 廿l e 她em o t o r ss y n c h f o n o u s c o n t r o ls y s t e m e s 鼬1 1 s h e dt h ed cs e r v om o t o rm a m e m a t i c a ls i i i l u l a t i o nm o d e l t h e 舭刃a d a p t i v ep i d c o n t r o l l e r 柚dp i dc o n t r o l l e rs i m u l a t i o ns y s t e ma 陀d e s i g i lb a s e d o nt l l e 鯽砒y s i s0 ft l l ep i d a i g o n t t l m 觚dm o d e mi n t e l l i g e n tc o n t r o l 羽g o l i i t h n l t h ed cm o t o rh 勰b e e n s i m u l a t e db 鵲e do n m es 1 m u l l n ke n v i r 0 姍e n to f 腳l a bs o 腳礬t 1 1 es i m u l a t i o n r e s u l ti n d i c a t e st l l a t t l l e i n t e l 1 1 9 e n tc o n n o la l g o r i t h m p e 渤砷觚c ei sb e t t e rt h 觚c o n v e n t i o n a lp i d c o n 仃o la j g o r i t h m s b yc o m b 蛐n gm e 鋤a l y s i s0 f 此e l e c t r i cc o n 昀lm e t h o d s s u c h 嬲刪l e ic o n 的l 鋤d c r 0 鼴c o u p l i n gc o n 昀l 塒t l lm ei n t e l l i g e n t 引g o r i t h m t l l ea 由a c e n t d e v i a t i o n c o u p l i n gt h r e e m o t o 硌驢c h r o n 0 憾c o n 仃d lm o d e lt 1 1 a t 啦e s 如t e l l i g e n t 舵巧p i d c o m p e n s a t o rh a sb e e n c o n s 咖c 砌鋤ds i m u l a t e d 1 1 h es c h r o n i c i t r 饑da p p i i c a t i o nm e t h o d0 f m u l t i m o t 0 瑙c o n 仃0 l u n d e rm eu n l l o 姍l o a dd i s t i 曲舶c eh a s b e e n 他s e a r c h e d 廿勰i n go nt i i et i i r e ec 0 0 r d i n a t e sp i a t f o mw h j c hu n d e rt l l ep m a c c o n 缸d l 恤m u l t i m o t o r s y l l c h r o n o u sc o n 昀l 他s e a r c hh 鼬b e e nf i n i s h e d t km 觚 m a c h i 鵬i n t e 慨e 跚d m u j t i m o t o 璐 i i l 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o r l 仃o lp r o c e d u r e sw e r ep m g 鞠m m e d t h ec o m m u m c a t i o no fp ca 1 1 dp m a ch a sb e 朗r e a l i z e d b ya 兩u s t i n gt h ec o n 缸d l sa n dp i dp a m m e t e r s 卸dd e b u g g i n gt h es y s t e m m em o t o rf o l l o we r r o r 觚ds y n c h 的n o u se r r o ra r ea n a l y z e da n d 血em u l t i a x i ss y n c h r o n i z a t i o nm o t i o ni sr e a l i z e d k e yw o r d s m u l t i m o t o r a d j a c e n td e v i a t i o nc 0 u p l i n g f u z 巧a d 印t i v ep i d s r i l c h r o n o u s c o n 仃o l p m a cc o n t r o l l e r 1 緒論 l 緒論 1 1 論文背景及意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展 一臺(tái)電機(jī)控制已不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求 如在大功率拖動(dòng) 系統(tǒng)中 當(dāng)一臺(tái)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí) 需要兩臺(tái)或多臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行同步拖動(dòng) 多臺(tái) 電機(jī)同步控制技術(shù)在高速高精度機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用 協(xié)調(diào)控制的精度及同步 性問(wèn)題普遍存在于控制系統(tǒng)中 多電機(jī)同步控制關(guān)注于如何解決多軸運(yùn)動(dòng)之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題 以達(dá)到系統(tǒng)整體性能最優(yōu) 化 在傳動(dòng)控制系統(tǒng)中 一般多電機(jī)保持同步運(yùn)行主要有以下幾個(gè)方面 同步控制運(yùn)行 中多個(gè)電機(jī)之間的速度保持一定的比例或者相同 這是最簡(jiǎn)單的同步系統(tǒng) 它已經(jīng)被廣泛 應(yīng)用在冶金工業(yè)中的多軸輥道 大型同步軋機(jī) 大型閘門(mén) 紡織工廠的紗錠 煤球機(jī) 雙 滾筒驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī) 造紙機(jī) 橋式或者龍門(mén)起重機(jī)等 另外在現(xiàn)代大型船舶實(shí)驗(yàn)及大 型飛機(jī)控制系統(tǒng)中 單臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力已嚴(yán)重不足 多臺(tái)大功率電機(jī)協(xié)調(diào)同步驅(qū)動(dòng)已被廣 泛應(yīng)用 同步控制系統(tǒng)中多電機(jī)之間輸出相同相位或者輸出轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角保持恒定的誤 差 如數(shù)控加工設(shè)備 機(jī)器人控制等 在這些精密制造設(shè)備中 多電機(jī)的同步控制運(yùn)行直 接影響控制系統(tǒng)的可靠性 安全性及控制精度 1 所以如何保證多電機(jī)的同步控制是運(yùn) 動(dòng)控制研究領(lǐng)域的重要課題之一 具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值 1 2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展 圖卜l 同步控制與相關(guān)學(xué)科關(guān)系框圖 f i g 1 1t l i er e l a t i o n s h i po fs y n c h r o n o 峭c o n 缸1 0 i 鋤d 他i a t e dd i s c i p i i n e s 多電機(jī)同步控制是一個(gè)跨學(xué)科的綜合性技術(shù) 包含了伺服技術(shù) 電力電子技術(shù) 電氣 傳動(dòng)技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科的有機(jī)結(jié)合 圖卜1 所示為多電機(jī)控制與各 學(xué)科關(guān)系 表明多電機(jī)同步技術(shù)基于多學(xué)科的技術(shù)發(fā)展 伺服技術(shù)是單電機(jī)閉環(huán)控制的基 礎(chǔ) 它影響著多電機(jī)同步控制精度 1 2 1 伺服技術(shù)的發(fā)展 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 伺服控制是現(xiàn)代傳動(dòng)控制的高端 成為現(xiàn)代控制理論的重要部分 現(xiàn)代伺服技術(shù)的發(fā) 展與電力電子器件技術(shù) 脈寬調(diào)控技術(shù) 制造工藝 d s p 處理器技術(shù) 電機(jī)技術(shù)等工業(yè)技 術(shù)的發(fā)展息息相關(guān) 隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的高速發(fā)展 伺服系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代 新型 功率器件 伺服專(zhuān)用模塊 高性能d s p 層出不窮 其數(shù)字化伺服系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣 泛 用戶對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求也越來(lái)越高 結(jié)合國(guó)內(nèi)外伺服技術(shù) 產(chǎn)品路線以及市場(chǎng)變 化需求 伺服技術(shù)主要發(fā)展趨勢(shì)概括為以下幾個(gè)方面 交流化 3 1 交流電機(jī)代替直流電機(jī)已經(jīng)成為大的趨勢(shì) 目前 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上新研發(fā)產(chǎn)品幾乎都是 交流電機(jī)系統(tǒng) 由于直流電機(jī)技術(shù)自身發(fā)展的限制 交流電機(jī)高精度控制技術(shù)的快速發(fā)展 伺服技術(shù)也從直流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向交流伺服系統(tǒng)發(fā)展 國(guó)內(nèi)伺服技術(shù)發(fā)展相對(duì)較慢 但生產(chǎn) a c 伺服電機(jī)的廠家也越來(lái)越多 所以 不久的將來(lái) 除了某些特定領(lǐng)域?qū)χ绷麟姍C(jī)的需 求之外 交流伺服電機(jī)將實(shí)現(xiàn)普遍化 b 全數(shù)字化 1 數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了一種信息工業(yè)革命 數(shù)字化已成為現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ) 傳 統(tǒng)的模擬控制制約了現(xiàn)代控制理論的控制算法的實(shí)現(xiàn) 隨著采用高性能d s p 和高速微處 理器的伺服控制單元的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用 伺服系統(tǒng)的數(shù)字化時(shí)代已經(jīng)到來(lái) 現(xiàn)代先進(jìn)智能控制算 法進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)成為可能 代替硬件實(shí)現(xiàn)的高昂代價(jià)及限制 從而將用軟件伺服控制來(lái)代 替硬件伺服控制 促進(jìn)伺服控制技術(shù)全面數(shù)字化 c 集成一體化 伺服控制系統(tǒng)包括了電機(jī) 反饋裝置 控制驅(qū)動(dòng)等 模塊越多實(shí)現(xiàn)起來(lái)越不方便 將 各個(gè)部分進(jìn)行一體化集成也成為一種伺服發(fā)展方向 當(dāng)然將電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 控制集成一體也 將會(huì)帶來(lái)很多挑戰(zhàn) 隨著伺服數(shù)字化的進(jìn)程 高度集成也將成為一種可能 集成一種通過(guò) 軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置 就可改變其控制性能的一體化產(chǎn)品 d 智能化 隨著通信技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 智能控制技術(shù)等高科技技術(shù)的高速發(fā)展 智能化概念已 經(jīng)成為我們當(dāng)前工業(yè)社會(huì)的主流 伺服智能化也成為一種發(fā)展趨勢(shì) 伺服數(shù)字化的進(jìn)程使 現(xiàn)代大多驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品都具備了智能化功能 自動(dòng)檢測(cè)故障分析 算法參數(shù)自整定 進(jìn)行智 能化一鍵調(diào)試等 通用模塊化和網(wǎng)絡(luò)化 早期很多電機(jī)產(chǎn)品只支持本公司驅(qū)動(dòng)器 很多控制器也只支持本公司電機(jī) 這樣使用 戶的選擇受到很多限制 隨著工業(yè)技術(shù)市場(chǎng)化的發(fā)展 通用型伺服控制單元配有大量的參 數(shù)設(shè)置菜單功能 可以方便用戶在不改變硬件配置的前提下進(jìn)行軟件參數(shù)設(shè)置達(dá)到各種應(yīng) 用場(chǎng)合 使用不同的電機(jī) 完成工業(yè)設(shè)計(jì)要求 通用模塊化也使整套伺服控制系統(tǒng)像裝電 腦那樣方便 快捷 隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的要求 伺服控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化也是變得很重要 將現(xiàn) 場(chǎng)總線 工業(yè)以太網(wǎng)或者專(zhuān)業(yè)局域網(wǎng)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成于伺服控制系統(tǒng)中 只需要幾根 2 1 緒論 光纜或者網(wǎng)線便可以實(shí)現(xiàn)分布式工業(yè)控制 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)程控制 綜上所述 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 一是實(shí)現(xiàn)滿足一般工業(yè)控制要求 追求低成本 簡(jiǎn) 單通用 少維護(hù)等特點(diǎn) 另一個(gè)便是高精度 數(shù)字化 高性能 智能化 高速度 網(wǎng)絡(luò)模 塊化的高端控制 以滿足特定用戶高要求 1 2 2 多電機(jī)同步控制策略的研究現(xiàn)狀 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)是跨學(xué)科綜合性的研究課題 保持多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行通常有兩種方 式 一種是傳統(tǒng)的機(jī)械方式 通過(guò)一臺(tái)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總軸 所有驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)齒輪 嚙合在總軸上 則輸出為同一個(gè)相位信號(hào) 由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 機(jī)械連接可靠 早前應(yīng)用較 為廣泛 但機(jī)械同步控制方式有很多缺點(diǎn) 首先由于靠齒輪傳動(dòng)則同步控制精度低 不能 滿足現(xiàn)代控制精度要求 其次機(jī)械控制主軸容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象 由于主軸在傳動(dòng)過(guò)程存在 機(jī)械摩擦 齒輪磨損會(huì)產(chǎn)生機(jī)械諧振 當(dāng)高速運(yùn)行時(shí)諧振會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定 極易產(chǎn)生共振 且噪音大 機(jī)械諧振是不可避免的 則系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能不穩(wěn)定 同步控制同步性差 還有機(jī) 械傳動(dòng)中 主軸傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩和傳輸距離成反比 要增加轉(zhuǎn)矩則主軸的截面積隨之增大 如 果進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸 則對(duì)工藝要求較高 從而增加控制系統(tǒng)成本 總上 機(jī)械傳動(dòng)同步控 制適合控制精度低 成本不高的場(chǎng)合 另一種是電控方式 即通過(guò)控制多臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)角 相位 轉(zhuǎn)速等參數(shù) 實(shí)現(xiàn)多電機(jī)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行 與機(jī)械傳動(dòng)相反 電控方式的多電機(jī)協(xié) 調(diào)控制更加靈活 目前 多電機(jī)同步控制主要在研究在電控方式 如何提高控制精度 滿 足動(dòng)態(tài)控制要求 一般來(lái)說(shuō)電控方式控制系統(tǒng)主要是由控制器 驅(qū)動(dòng)器 電機(jī)以及檢查裝 置組成 如圖1 2 所示 圖l 一2 控制系統(tǒng)組成框圖 f i g 1 2t h ed i a g 陽(yáng)m0 fc o n t r 0 is y s t e m 多軸同步控制技術(shù)主要分為非耦合和耦合兩種控制策略 1 2 0 世紀(jì)8 0 年代初 l u l l 和z h e n g 提出了主從控制方式 1 從電機(jī)跟隨主電機(jī)運(yùn)行 但從電機(jī)不能反饋到主電機(jī) 主從控制策略屬于非耦合控制 其同步控制精度相對(duì)不高 但在實(shí)際控制系統(tǒng)應(yīng)用也較為 廣泛n 1 交叉耦合控制主要應(yīng)用在現(xiàn)代高精度同步控制系統(tǒng)中 以k o 啪為代表首先提出 交叉耦合控制 隨后很多學(xué)者都對(duì)交叉耦合控制進(jìn)行研究改進(jìn) 其中有k u l k a 玎l(xiāng) i s r i i l i v 觴鋤 等人為代表 研究并發(fā)表了l o 余篇關(guān)于交叉耦合控制的論文n 1 近年來(lái) 隨著交叉耦合 控制理論的成熟 交叉耦合控制技術(shù)已應(yīng)用在機(jī)器人控制系統(tǒng)中 取得了高精度運(yùn)動(dòng)控制 睜 1 但也對(duì)隨機(jī)干擾問(wèn)題并不能很好的解決 有學(xué)者通過(guò)把自適應(yīng)前饋控制策略應(yīng)用到 交叉耦合控制中進(jìn)行研究仿真 解決系統(tǒng)外界隨機(jī)干擾問(wèn)題 提高動(dòng)態(tài)抗干擾性n 幻 有 3 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 文獻(xiàn)中介紹了多臺(tái)大功率拖動(dòng)系統(tǒng)中 通過(guò)耦合速度補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)大功率電機(jī)同步控 制 從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)耦合同步控制 有以多變量非線性強(qiáng)耦合的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)為研 究對(duì)象 實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元自適應(yīng)p s d 控制n 有針對(duì)多電機(jī)同步控制系統(tǒng)在動(dòng)載荷情況 設(shè)計(jì)自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元p i d 同步控制算法 實(shí)現(xiàn)了良好的同步控制n u 也 有對(duì)三電機(jī)同步控制實(shí)現(xiàn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定p i d 參數(shù)的控制方法實(shí)現(xiàn)同步控制 1 釘?shù)鹊?但在這些控制算法的應(yīng)用都有一定的其局限性n 釘 大多以線性控制對(duì)象或者復(fù)雜程度不 夠 于是越來(lái)越多的人關(guān)注智能控制算法 采用智能變結(jié)構(gòu)控制 模糊自適應(yīng)控制 變?cè)?益交叉耦合控制等先進(jìn)控制算法相結(jié)合的方法 來(lái)實(shí)現(xiàn)這種具有非線性軌跡曲線的跟蹤控 制n 所以智能控制越來(lái)越多的應(yīng)用在多電機(jī)控制系統(tǒng)中 以解決多變控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控 制復(fù)雜問(wèn)題 1 2 3 多電機(jī)控制算法的研究現(xiàn)狀 同步控制算法是控制系統(tǒng)的核心 直接影響著控制系統(tǒng)的精度性能 控制理論學(xué)科的 研究經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論到現(xiàn)代控制理論 再到目前的智能控制理論的發(fā)展過(guò)程 經(jīng)過(guò)近 百年的發(fā)展 控制算法也從傳統(tǒng)的p i d 算法 到今年來(lái)智能控制算法 如 滑模變結(jié)構(gòu) 控制 h 一控制 模糊邏輯 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 專(zhuān)家系統(tǒng) 遺傳算法等等 并且隨著自動(dòng)控制理 論 計(jì)算機(jī)技術(shù) 電力拖動(dòng)技術(shù) 微電子技術(shù)等的發(fā)展 很多先進(jìn)控制算法已得到了良好 的應(yīng)用 智能控制是人工智能和自動(dòng)控制的結(jié)合物 是一類(lèi)無(wú)需人的干預(yù)就能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智 能機(jī)器 實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制 智能控制的注意力并不放在對(duì)數(shù)學(xué)公式的表達(dá) 計(jì)算和 處理上 而放在對(duì)任務(wù)和模型的描述 符號(hào)和環(huán)境的識(shí)別以及知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) 上 隨著數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 在伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)智能控制算法軟件編程已成 為現(xiàn)實(shí) 但在國(guó)內(nèi)還在初級(jí)階段 智能控制算法不僅需要強(qiáng)大的處理器運(yùn)算速度高 而且 還是占用大量的存儲(chǔ)空間 對(duì)控制器硬件要求相對(duì)較高 一般的控制器例如p l c 的主頻 相對(duì)較低 存儲(chǔ)器容量限制 所以其智能算法在p l c 的應(yīng)用較少 在國(guó)外 智能控制器 已發(fā)展相對(duì)較為成熟 其控制器控制功能強(qiáng)大 如美國(guó)d e i t at a ud a t as y s t e m 公司生產(chǎn)的 p m a c 控制器 是世界上多軸控制器最強(qiáng)大之一 可以進(jìn)行智能控制算法軟件編程 隨 著經(jīng)濟(jì)全球化 中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展 智能控制的研發(fā)和生產(chǎn)的重心已慢慢轉(zhuǎn)向中國(guó)國(guó)內(nèi) 目前 進(jìn)行研究的智能控制算法有 專(zhuān)家控制 滑模變結(jié)構(gòu) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 遺傳算法 模糊控制算法 自適應(yīng)算法等等 大多都通過(guò)運(yùn)用人工智能 控制理論 計(jì)算機(jī)學(xué)科等相 關(guān)理論技術(shù)結(jié)合進(jìn)行研究 滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種特殊的魯棒控制方法 由u t 婦 e m e l e y a v i t i 曲等前蘇聯(lián) 學(xué)者提出 其本質(zhì)是解決非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題 1 糾釘 滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點(diǎn)是 對(duì)系統(tǒng) 未知干擾的不確定性有很強(qiáng)的魯棒作用 非常適合非線性系統(tǒng)控制 變結(jié)構(gòu)算法簡(jiǎn)單 響 應(yīng)速度快 但有學(xué)者提出了滑模變結(jié)構(gòu)控制嚴(yán)重的缺點(diǎn) 即抖振伽1 影響了系統(tǒng)的控制 4 1 緒論 動(dòng)態(tài)性能 近年來(lái) 隨著滑模變結(jié)構(gòu)控制的應(yīng)用 也有很多學(xué)者對(duì)其抖振進(jìn)行了抑制研究 并取得很好的效果 h 控制理論由加拿大著名學(xué)者z 鋤e s 提出的 后續(xù)經(jīng)過(guò)數(shù)名學(xué)者數(shù)年的的研究發(fā)展 而成n 它是以基于使用狀態(tài)空間模型的頻率設(shè)計(jì)方法為主要特征 對(duì)控制系統(tǒng)中外界 未知干擾的不確定性進(jìn)行研究 從根本上予以解決 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展 h 控制已經(jīng)被 應(yīng)用解決很多問(wèn)題 有學(xué)者引用h 控制理論解決大氣污染問(wèn)題 幻 并取得良好成果 也有學(xué)者結(jié)合現(xiàn)代智能控制算法 把自適應(yīng)控制引用到h 控制進(jìn)行研究 2 盯 取得小有 成績(jī) 隨著研究學(xué)者的越來(lái)越多 h 控制理論也會(huì)越來(lái)月成熟 并更加的使用滿足現(xiàn)代 實(shí)際需要 1 模糊控制算法是2 0 世紀(jì)6 0 年代中期 美國(guó)l a z a d e h 教授基于模糊集合論 模糊 邏輯推理和模糊控制語(yǔ)言等理論 結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)建立的智能控制算法 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展 模糊理論已經(jīng)相當(dāng)成熟 在國(guó)外 根據(jù)模糊控制理論研發(fā)的模糊控制器專(zhuān)業(yè)芯片也相繼應(yīng) 用在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中 并取得了良好的控制效果 隨著信號(hào)處理器d s p 高速微處 理器技術(shù)的發(fā)展及模糊控制理論的完善改進(jìn) 其應(yīng)用將會(huì)更加廣泛曬1 基于模糊p i d 控制的多電機(jī)同步控制算法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在實(shí)際控制系統(tǒng)中 p i d 算 法易實(shí)現(xiàn) 易操作性和智能模糊理論的相結(jié)合 對(duì)實(shí)際傳動(dòng)過(guò)程中的非線性 時(shí)變性以及 隨機(jī)干擾等不確定因素得到了良好控制效果 本文采用了模糊自適應(yīng)控制算法和p i d 相 結(jié)合的同步控制算法 1 3 論文的主要研究?jī)?nèi)容 多電機(jī)同步控制就要解決協(xié)調(diào)控制 高精度問(wèn)題以及在未知擾動(dòng)情況下如何保持同 步性等問(wèn)題 通過(guò)對(duì)多電機(jī)同步控制策略及算法進(jìn)行研究 構(gòu)建基于模糊自適應(yīng)p i d 算法 的相鄰偏差耦合多電機(jī)同步控制模型 仿真分析多電機(jī)在隨機(jī)未知干擾下的同步控制性 在基于p m a c 運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)建的三軸運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 根據(jù)控制器本身性能及控制方法實(shí) 現(xiàn)三電機(jī)同步運(yùn)行 本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以幾個(gè)方面 第一章介紹了國(guó)內(nèi)外多電機(jī)同步控制相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 確立了本文 的研究?jī)?nèi)容及意義 第二章介紹了多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的組成部分 分析了基于p m a c 多軸控制器控制 三個(gè)直流伺服電機(jī)構(gòu)建的閉環(huán)負(fù)反饋同步控制系統(tǒng) 為實(shí)現(xiàn)同步控制搭好硬件平臺(tái) 第三章分析研究了p i d 算法及智能控制算法 對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模 構(gòu)建了 基于m a t l a b 軟件的p i d 算法模型和模糊自適應(yīng)p i d 模型 通過(guò)仿真顯示模糊智能算法 較為優(yōu)越 第四章主要討論了多電機(jī)同步控制策略 建立了模糊自適應(yīng)p i d 補(bǔ)償器的相鄰偏 差耦合多電機(jī)同步控制模型 通過(guò)仿真分析研究多電機(jī)在未知干擾下的同步問(wèn)題 并進(jìn)行 5 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 了基于p m a c 控制器的多電機(jī)同步軟件實(shí)現(xiàn) 第五章利用v c 軟件的m f c 基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù) 對(duì)基于p m a c 控制器的多電機(jī)同步控制 進(jìn)行上位機(jī)軟件編程 實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步控制軟件開(kāi)發(fā) 并進(jìn)行了同步控制實(shí)驗(yàn) 第六章對(duì)本論文研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié) 并對(duì)未來(lái)研究展望 6 2 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)硬件組成 2 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)硬件組成 多電機(jī)同步是通過(guò)對(duì)電機(jī)的精確控制 達(dá)到多電機(jī)速度同步或者相位的精確定位 精 確要求越高其實(shí)現(xiàn)難度越大 成本越高 本文采用的是 p c p m a c 運(yùn)動(dòng)控制器 結(jié)構(gòu)組成 的多電機(jī)同步控制系統(tǒng) 利用p m a c 在工業(yè)控制中的可靠 成熟 穩(wěn)定的軌跡插補(bǔ)能力以 及可以實(shí)現(xiàn)多電機(jī)高精確同步控制特點(diǎn) 作為硬件系統(tǒng)平臺(tái)的核心控制器 降低了開(kāi)發(fā)難 度 2 1 系統(tǒng)硬件組成 多電機(jī)同步系統(tǒng)硬件組成一般包括 上位機(jī) 通訊模塊 控制器 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器以及 其它檢測(cè)反饋模塊 其結(jié)構(gòu)控制如圖2 1 所示 圖2 1 多電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 f i g 2 ls t 九j c t u r es c h e m a t i cd m w i n go fm 鋤ym o t o r c o n t r o ls y s t e m 2 1 1 上位機(jī)及總線通信 控制系統(tǒng)的上位機(jī)一般使用的是工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 這種計(jì)算機(jī)專(zhuān)門(mén)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè) 計(jì) 它具有在惡劣環(huán)境下 無(wú)人值守時(shí)高穩(wěn)定性運(yùn)行的特點(diǎn) 本控制系統(tǒng)使用研祥i p c 8 1 0 工控機(jī) 其具有可靠性 實(shí)時(shí)擴(kuò)充性 軟硬件兼容性 系統(tǒng)檢測(cè)和自復(fù)位功能 上位機(jī)和控制器之間 驅(qū)動(dòng)器與控制器之間 以及驅(qū)動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)器之間都需要通信進(jìn) 行快速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換 下位機(jī)一般完成數(shù)據(jù)采集及對(duì)裝置的控制 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理 7 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 及對(duì)控制器的控制 所以通信是控制系統(tǒng)不可缺少的功能 常見(jiàn)的總線通訊方式有r s 2 3 2 r s 4 8 5 c j 氣n p i 之o f i b u s 等 i s a i n d u s 仃ys t 鋤d a r da r c m t e c t u r c 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)總線 一般電腦都有i s a 插槽 它是8 1 6 b i t 的系統(tǒng)總線 最大傳輸速率僅為8 m b s 但允許多個(gè)c p u 共享系統(tǒng)資源 由于兼容性好 是上個(gè)世紀(jì)8 0 年代應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)總線 一般有i s a 接口的控制器使 用l s a 總線 如本控制系統(tǒng)使用的p m a c 運(yùn)動(dòng)控制器是插卡式的 通過(guò)i s a 總線與工控 機(jī)進(jìn)行通信 2 1 2 運(yùn)動(dòng)控制器 運(yùn)動(dòng)控制器是控制系統(tǒng)的c p u 負(fù)責(zé)和上位機(jī)的通信 數(shù)據(jù)交換及電機(jī)的運(yùn)行方式 目前 運(yùn)動(dòng)控制器可以總結(jié)為以下四類(lèi) 第1 類(lèi)以微處理器作為核心c p u 的控制器 這類(lèi)控制器主要是以單片機(jī)芯片作為處 理器 外圍通過(guò)構(gòu)建擴(kuò)展芯片和搭建電路組成 由于單片機(jī)處理速度性能低下 其構(gòu)建的 控制系統(tǒng)精度不高 但相對(duì)成本較為低 適合低速運(yùn)行 控制精度要求不高控制簡(jiǎn)單的場(chǎng) 合應(yīng)用 第2 類(lèi)專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制p l c p l c 控制器由于其可靠性高 抗干擾能力強(qiáng) 使用性 強(qiáng) 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制中 目前一些p l c 廠商也把p l c 應(yīng)用于精確控制系統(tǒng)中 例如施耐德m 2 3 8 p l c 模塊化控制l x m 3 2 a 伺服交流驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)組成的閉環(huán) 控制系統(tǒng) 而且其驅(qū)動(dòng)器控制c a n 協(xié)議控制電機(jī) 比脈沖控制電機(jī)更為安全可靠 第3 類(lèi)以a s i c 專(zhuān)用芯片作為核心c p u 的運(yùn)動(dòng)控制器 這類(lèi)控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 但 控制精度低 大多只能輸出脈沖信號(hào) 而且容易丟失脈沖 不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能 也沒(méi) 有前饋功能 所以應(yīng)用前景黯淡 第4 類(lèi)基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器 它以d s p 或f p g a 作為核心處 理器 由于d s p 處理器速度高 運(yùn)算快 其處理能力強(qiáng) 開(kāi)放程度高 運(yùn)動(dòng)軌跡控制精 確 通用好等特點(diǎn) 但成本也相對(duì)較高 隨著p c 機(jī)的發(fā)展和普及 采用 p c 運(yùn)動(dòng)控制 器 的模式將是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 2 1 3 伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī) 伺服驅(qū)動(dòng)器用來(lái)給伺服電機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)命令 其作用類(lèi)似于作用于普通交流電機(jī)的變頻 器 主要應(yīng)用在高精度定位系統(tǒng)中 是傳動(dòng)系統(tǒng)的高端 伺服驅(qū)動(dòng)囂控制原理 伺服驅(qū)動(dòng)器主要包括整流單元 逆變單元 控制單元及電流運(yùn)算單元 其工作原理如 圖2 2 所示 現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)器大多采用數(shù)字信號(hào)處理器或者高速微處理器作為中央c p u 電源模塊首先把市電通過(guò)三相全橋整流電路單元整流成直流電 再經(jīng)過(guò)逆變單元驅(qū)動(dòng)交流 伺服電機(jī) 逆變單元主要是電壓型逆變電路實(shí)現(xiàn)輸出可控電壓源 對(duì)于直流伺服電機(jī)可以 8 2 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)硬件組成 通過(guò)由d c d c 轉(zhuǎn)換器及調(diào)幅 a m 電路組成 所以功率驅(qū)動(dòng)的工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單說(shuō)是 a c d c a c 變換過(guò)程 整流主要是三相全橋可控整流電路 控制模塊主要是進(jìn)行脈沖發(fā)送 i 0 輸出 串口通信 編碼器輸出的數(shù)據(jù)處理 圖2 2 伺服驅(qū)動(dòng)器工作原理圖 f i g 2 2w o r kp r i n c i p l e0 fs e i v 0d r i v e 伺服驅(qū)動(dòng)器一般可以采用位置 速度和力矩三種控制方式 其中速度和轉(zhuǎn)矩控制都是 用模擬量來(lái)控制 位置控制是通過(guò)發(fā)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn) 其控制原理如圖2 3 所示 圖2 3 伺服控制原理圖 f i g 2 3s e r v oc o n 臼d lp r i n c i p l ed i a g 啊m l 力矩控制是通過(guò)外部模擬量的輸入設(shè)定電機(jī)主軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩大小 要改變力 矩大小可以即時(shí)改變模擬量的設(shè)定 參數(shù)內(nèi)部設(shè)定或者通過(guò)總線方式改變對(duì)應(yīng)地址數(shù)值來(lái) 實(shí)現(xiàn) 力矩控制對(duì)應(yīng)于伺服控制的電流環(huán) 通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的輸出電流 反饋給電 流設(shè)定進(jìn)行p i d 調(diào)節(jié) 電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩 電流環(huán)是三個(gè)控制環(huán)的基礎(chǔ) 每個(gè)環(huán) 節(jié)都需要電流環(huán)的支持調(diào)節(jié) 9 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 速度控制是根據(jù)模擬速度指令的電壓值與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的 可以 通過(guò)模擬量的輸入或者脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)應(yīng)于伺服控制的速度環(huán) 其中 速度環(huán)是伺服 控制的內(nèi)環(huán) 包含了電流環(huán) 通過(guò)檢測(cè)編碼器的反饋進(jìn)行p i d 調(diào)節(jié) 3 位置控制一般是通過(guò)外部輸入的脈沖頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小 實(shí)際應(yīng)用中主 要是通過(guò)接受脈沖信號(hào)的伺服或者步進(jìn)放大器實(shí)現(xiàn)位置控制 其位置給定主要是通過(guò)脈沖 輸入和總線兩種方式 位置環(huán)是在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)編碼器間構(gòu)建最終負(fù)載調(diào)節(jié) 其運(yùn)算量最 大 動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢 b 電機(jī) 電機(jī)是控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源 作用將控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為負(fù)載位移 來(lái)完成具體的 運(yùn)動(dòng) 最常用的伺服電機(jī)類(lèi)型有 直流 d c 伺服電機(jī) 交流 a c 伺服電機(jī)和步進(jìn)電 機(jī) 交流伺服技術(shù)高速發(fā)展 取代直流電機(jī)已是大勢(shì)所趨 但直流電機(jī)在低速 高精度的 特性是其他電機(jī)無(wú)法所替代的 許多高精度控制應(yīng)用場(chǎng)合上還需要直流伺服電機(jī)技術(shù)的支 持 直流伺服電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化并且在實(shí)際控制系統(tǒng)中應(yīng)用成熟 本系統(tǒng) 使用了美國(guó)c o p l e y 公司生產(chǎn)的4 1 2 c e 直流伺服驅(qū)動(dòng)器和c m c 公司生產(chǎn)的p l a t e f o r r n 2 6 0 0 系列直流伺服電機(jī) 作為p m a c 運(yùn)動(dòng)控制器的命令執(zhí)行單元 2 1 4 檢測(cè)反饋裝置 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中 將輸出量通過(guò)檢測(cè)裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較來(lái)減小 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差 達(dá)到高精控制 其中檢測(cè)反饋元件包括了傳感器 編碼器 測(cè)速機(jī)等 測(cè)速電機(jī) 測(cè)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)定 也被稱(chēng)為速度傳感器 現(xiàn)代伺服電機(jī)一般都集成了測(cè)速 電機(jī) 通過(guò)被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速機(jī)同軸連接 根據(jù)檢測(cè)輸出電動(dòng)勢(shì)來(lái)獲得測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 其輸出電壓正比于轉(zhuǎn)速 b 光柵尺 光柵尺全稱(chēng)為光柵位移傳感器 是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置 位移閉 環(huán)控制中 可以通過(guò)編碼器 感應(yīng)同步器 光柵等位移檢測(cè)元件將位移量和位移方向通過(guò) 電信號(hào)輸出的方式進(jìn)行負(fù)反饋 本文采用了直線光柵尺作為位移反饋裝置 由于其動(dòng)態(tài)性 能 運(yùn)行速度可靠性高等特點(diǎn) 深受高精度控制系統(tǒng)青睞 2 2 同步控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn) 本同步控制系統(tǒng)采用了p m a c 作為主控制器 使用了三個(gè)伺服直流電機(jī)和配套驅(qū)動(dòng)器 其組成的同步控制系統(tǒng)如圖2 4 所示 其中 伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服直流電機(jī)通過(guò)測(cè)速機(jī)構(gòu)成 速度半閉環(huán)反饋控制 光柵通過(guò)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動(dòng)位移檢測(cè)反饋形成位置閉環(huán)控制系 統(tǒng) l o 2 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)硬件組成 圖2 4p m a c 的三電機(jī)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 f i g 2 4s 廿u c t u 陀0 ft i l i em o t o rs y n c h r o n o 吣c o n h 0 ls y s t e m sa b o u tp m a c 2 2 1p m a c 控制器 e p a n s i o n 模擬量il 多路復(fù)用端口li lim c r o 光纜口i串行端口li顯示螭口il手輪接口ll 比較輸出口 t 一 甜1 6 1 2 b r r a d c i d o 緩存 il 緩存 d s p g a t e2 i o a s i c l o 緩存 埋存 ii d 砌v e r s s e r i a l c o m m u n i c a 丁i o n s n n t r f a c e s r m 1 2 b k 2 4 a c t l v e m e m o r y n a s h 5 1 2 k g 兀r m w r e u s e rb a c k u p c p u 2 4 b i t 4 6 0 8 0m h z d s p 5 6 0 0 2 d p r a m 8 k 1 6 i n t e r f a c e o 鰣呻2 w t c h d o g 1 1 m e r b u s c o m m u n l c a o n s i n t e r f a c e d s pg a t e i 4 c h c i s e r v o a s i c l n p u l y o u t p u t b u f f e i t s a c h l n e p o r t 4 a c i n n e p o r t 3 w a t c h d o g t i m e r d s pg a t e i i n p ir r o u t p l r r 8 u 兀毛l 岱 m c h i n e p o r t 2 a c h i n e p o r t l b u sp o r r 圖2 5p m a c 控制器結(jié)構(gòu)原理圖 f i g 2 5s t r u c t u m lc h a no fp m a c c o n 仃0 i l e r l em u l t i a x i sc 0 n 們l l e r 是美國(guó)d e l t at a u 公司開(kāi)發(fā)的一款高性 l l 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 能多軸同步運(yùn)動(dòng)控制器 是世界上最強(qiáng)大的控制器之一 p m a c 控制器的硬件結(jié)構(gòu)原理 如圖2 5 所示 p m a c 控制器使用了d s p g a t e 門(mén)陣列i c 每個(gè)門(mén)陣列可以同時(shí)連接4 路電機(jī) 每 個(gè)p m a c 控制器支持4 個(gè)d s p g a t e 門(mén)陣列 所以p m a c 控制器如果不給電機(jī)換向的話 可以同時(shí)控制1 6 路電機(jī) p m a c 控制器采用m o t o r o l a 的d s p 5 6 3 0 0 作為c p u 就是一臺(tái) 完整的計(jì)算機(jī) 具有獨(dú)立的內(nèi)存 可以通過(guò)存儲(chǔ)在它內(nèi)部的程序進(jìn)行單獨(dú)操作 它還是一 臺(tái)實(shí)時(shí)的 多任務(wù)的計(jì)算機(jī) 同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)并能夠進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序的能力 在處理時(shí) 間和任務(wù)切換的復(fù)雜性這兩個(gè)方面大大減輕主機(jī)和編程器負(fù)擔(dān) p m a c 運(yùn)動(dòng)控制器最重 要的任務(wù)是按照運(yùn)動(dòng)程序順序地執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序 而且提供了用戶編寫(xiě) p l c 程序 的能力 并進(jìn)行所有運(yùn)動(dòng)命令的計(jì)算 可以滿足運(yùn)動(dòng)控制 離散控制 同主機(jī)交互等數(shù)控系統(tǒng)的基 本功能 與其他運(yùn)動(dòng)控制器相比 p m a c 的最大特點(diǎn)是開(kāi)放性 因此具有較好的適用性 和靈活性 p m a c 控制器主要有p m a c l 第一代 p m a c 2 第二代 和t u r b o p m a c 等系列 本文使用的是p m a c 2 中的p c 1 0 4 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡 該卡可以同時(shí)控制四個(gè)電機(jī)同步運(yùn) 動(dòng) 主頻高達(dá)4 0 m h z 有5 1 2 k 的閃存和1 2 8 k 的靜態(tài)存儲(chǔ)器 同時(shí)提供了伺服控制 p l c 數(shù)據(jù)采集等主要功能 可以滿足伺服運(yùn)動(dòng)控制 離散控制 同主機(jī)交互運(yùn)行等數(shù)控系統(tǒng)的 基本應(yīng)用 2 2 2 硬件連接 同步控制系統(tǒng)中 硬件連接的實(shí)現(xiàn) 首先將p m a c 2 a p c 1 0 4 插入研祥工控機(jī)i s a 總線插槽內(nèi) 本卡需要1 2 個(gè)插槽 會(huì)出現(xiàn)i s a 驅(qū)動(dòng)安裝向?qū)?同時(shí)要選擇通訊方式 p m a c 控制器主要有p c i u s b 以太網(wǎng) i s a 及串口通訊方式 本系統(tǒng)采用了i s a 總線與p c 通訊 如圖2 2 所示 圖2 石p m a c 驅(qū)動(dòng)通信向?qū)?f i g 2 6p m a c d r i v ec o r i u i l u n i c a t i o nw i z a j d 使用i s a 總線插槽可以給p m a c 控制器提供 5 v 電源 再不需要額外電源 然后利 用p m a c 控制器自帶a c c 一8 p 轉(zhuǎn)接板與伺服驅(qū)動(dòng)器 光柵尺 限位開(kāi)關(guān)等外部設(shè)備相連 接 p m a c 控制器與a c c 8 p 轉(zhuǎn)接板實(shí)物如圖2 7 所示 1 2 2 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)硬件組成 圖2 7p m a c 控制器與擴(kuò)展板外觀圖 f i g 2 7t h er e a lf i g u r eo f p m a cc o n t r o l l e ra n de p a n d e dp l a t e p m a c 卡與單個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器 直線光柵尺 限位開(kāi)關(guān)的具體連接如圖2 8 所示 a c c 8 p 驅(qū)動(dòng)器 d a c n r e f m o t o r d a c n r e f t a c h 電機(jī) p m a c t a c h g n d m o t o r 玄 1卜 主 東 l i m o z l i m n jj c h n i 光柵尺i c o m 2 4 v c o m 直流電源 圖2 8 單軸伺服接線圖 f i g 2 8c o n n e c t i o nd i a g r a mo fs i n 舀es e r v oa x i s a c c 8 是p m a c 運(yùn)動(dòng)控制器自帶的轉(zhuǎn)接板 有6 0 個(gè)接口實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備連接 保護(hù) 控制器免受磨損 在本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中 用2 4 v 直流電源給轉(zhuǎn)接板提供電源 c o p l e y 直 流驅(qū)動(dòng)器采用速度模式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 測(cè)速電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器1 a c h 端子實(shí)現(xiàn)速度反饋 控制器通過(guò)電壓模擬輸出通道控制驅(qū)動(dòng)器 位移反饋使用直線光柵尺 由于位移反饋信號(hào) 一般都需要較長(zhǎng)距離傳輸 所以為增強(qiáng)反饋信號(hào)的干擾能力 采用屏蔽線作為傳輸線 限 位開(kāi)關(guān)是保護(hù)運(yùn)動(dòng)控制安全性 p m a c 控制器有軟限位和硬限位保護(hù) 硬件限位通過(guò)安 裝限位開(kāi)關(guān)安裝在控制軸的兩末端 當(dāng)限位信號(hào)被觸發(fā) 則反饋控制器中發(fā)送停止命令 軟限位通過(guò)設(shè)置軟件地址i x l 3 和i x l 4 的參數(shù)對(duì)硬限位的補(bǔ)充 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行 雙重保護(hù) 限位開(kāi)關(guān)的極性具有方向性 安裝時(shí)注意應(yīng)把 l i m 對(duì)應(yīng)正向移動(dòng) l i m 對(duì) 應(yīng)負(fù)向移動(dòng) 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 3 電氣控制設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)電路主要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)啟動(dòng) 系統(tǒng)回路保護(hù) 電機(jī)緊急制動(dòng)以及設(shè)備 電源供電等 控制回路元器件主要包括了交流接觸器實(shí)現(xiàn)電路自鎖 常開(kāi)啟動(dòng)按鈕和常閉 關(guān)閉按鈕以及開(kāi)關(guān)帶指示燈 當(dāng)在緊急情況下按下紅緊急制動(dòng)按鈕斷開(kāi)系統(tǒng)電源供電從而 實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備人身安全 其電氣控制電路如圖2 9 所示 圖2 9 電氣控制電路圖 f i g 2 9e l e c t r i c a lc o n t r o id i a g 陷m 2 2 4 三軸運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置 圖2 1 0 三軸運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置 f i g 2 10t h r e e a i sc o n n o lp i 晌咖 本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2 1 0 所示的三軸運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置 該裝置主要由控制臺(tái) 工作 臺(tái) 中央滑架 龍門(mén)架 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌組成 是一個(gè)位置多軸控制系統(tǒng) 工作臺(tái)主要是 1 4 2 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)硬件組成 實(shí)現(xiàn)支撐和作業(yè)功能 控制臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制 工作臺(tái)的x y z 三軸均采用靜壓氣浮導(dǎo) 軌 分別使用了無(wú)牙螺桿傳動(dòng) 滾珠絲杠傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng) 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 通過(guò)x 軸 電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)牙螺桿傳動(dòng)帶動(dòng)龍門(mén)架沿導(dǎo)軌進(jìn)行x 方向直線運(yùn)動(dòng) y 軸在電機(jī)2 的驅(qū)動(dòng)下 通過(guò)滾珠絲桿傳動(dòng)進(jìn)行直線運(yùn)行 z 軸在電機(jī)3 驅(qū)動(dòng)下通過(guò)同步帶傳動(dòng)進(jìn)行z 方向直線運(yùn) 行 2 3 本章小結(jié) 本章主要進(jìn)行多電機(jī)硬件平臺(tái)分析研究 通過(guò)對(duì)p m a c 運(yùn)動(dòng)控制器 直流電機(jī)及其 檢測(cè)裝置的熟悉 詳細(xì)介紹了構(gòu)建的多電機(jī)同步控制平臺(tái)硬件組成以及各主要部件的連接 方式 實(shí)現(xiàn)其同步控制三個(gè)伺服直流電機(jī)的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng) 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 模糊自適應(yīng)p i d 控制算法研究與仿真 p i d 控制由于它簡(jiǎn)單 魯棒性好以及高可靠穩(wěn)定性 被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制中 尤其 是在線性系統(tǒng)中 然而現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)都為非線性系統(tǒng) 為解決非線性性 隨著科技發(fā)展 人類(lèi)越來(lái)越多應(yīng)用了智能控制系統(tǒng) 如 專(zhuān)家p i d 控制 自適應(yīng)控制 模糊控制等算法 目前 隨著智能控制理論的發(fā)展 智能控制器的使用也越來(lái)越多 3 1p i d 控制算法 p i d p r o p o r t i o n 甜i i l t e g r a ld i f l e r e n t i a l 控制的實(shí)質(zhì)是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中根據(jù)反饋計(jì)算 的輸入偏差按比例 積分 微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算調(diào)節(jié) 使輸出達(dá)到控制狀態(tài) p i d 控 制由于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 參數(shù)易于調(diào)整 成熟穩(wěn)定等特性 目前 工業(yè)上9 0 左右的控制 回路都采用了p i d 控制算法 3 1 1p i d 控制原理 p i d 控制是一個(gè)閉環(huán)反饋控制 它包含比例p 微分d 積分i 控制 可以是獨(dú)立控 制算法如比例p 控制 也可以根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行組合應(yīng)用如p i p d 控制等 但一般 積分和微分控制不能單獨(dú)使用 圖3 1p i d 控制系統(tǒng)原理圖 f i g 3 lp r i n c i p i eo fp i dc o n 打o ls y s t e m p i d 控制系