Plc自動控制系統(tǒng)中的防碰撞最優(yōu)路徑選擇

1、PLC 自動控制系統(tǒng)中的防碰撞最優(yōu)路徑選 擇作者：馬振龍 劉靜來源：城市建設(shè)理論研究2013年第 13期摘要：本文闡述了 PLC自動控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠提高 機(jī)電一體過程中PLC自動控制路徑選擇的效率，避免沖突。關(guān)鍵詞： PLC 自動控制系統(tǒng)；防碰撞；最優(yōu)路徑中圖分類號：TM921.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：從20世紀(jì)30年代開始,機(jī)械加工企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率,采用機(jī)械化流水作業(yè)的生產(chǎn)方式, 對不同類型的零件分別組成自動生產(chǎn)線。隨著產(chǎn)品機(jī)型的更新?lián)Q代,生產(chǎn)線承擔(dān)的加工對象也 隨之改變,這就需要改變控制程序,使生產(chǎn)線的機(jī)械設(shè)備按新的工藝過程運(yùn)行,而繼電器一接觸器 控制

2、系統(tǒng)是采用固定接線的,很難適應(yīng)這個(gè)要求。一、PLC自動控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中。為賦予產(chǎn)品可靠性而進(jìn)行的工作稱為可靠性設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中, 把可靠性問題考慮進(jìn)去,比產(chǎn)品投入生產(chǎn)以后發(fā)現(xiàn)不可靠因素進(jìn)行改進(jìn)要好的多。因?yàn)楹笳咄?往要在改變工夾模具,材料,工藝等方面付出很大的代價(jià)?？煽啃栽O(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括制訂可靠 性指標(biāo),可靠性預(yù)測,可靠性分配以及與提高可靠性有關(guān)的具體設(shè)計(jì)工作和可靠性審查。對可靠性特征量的要求稱為可靠性指標(biāo)。制訂可靠性指標(biāo)的工作包括確定指標(biāo)項(xiàng)目和指標(biāo) 數(shù)值。一種產(chǎn)品的可靠性要求常常需要用幾項(xiàng)指標(biāo)來反映。指數(shù)分布失效的可靠性指標(biāo)可用失 效率或 MTBF 來表示;對于早

3、期失效和耗損失效宜用可靠度和可靠壽命來表示;對于控制裝置等 可修復(fù)產(chǎn)品常用的還有有效度,即產(chǎn)品能工作的時(shí)間與能工作時(shí)間加不能工作時(shí)間之和的比值 來表示。同一產(chǎn)品的可靠性特征量因條件、時(shí)間、功能而不同,因此在規(guī)定可靠性指標(biāo)時(shí)必須 明確是對應(yīng)于什么條件、時(shí)間、功能的指標(biāo)。例如對于接觸可靠性指標(biāo)必須規(guī)定負(fù)載電壓、電 流;規(guī)定偶然故障失效率必須同時(shí)規(guī)定偶然失效期延續(xù)時(shí)間即有效壽命。二、基于PLC機(jī)電一體最優(yōu)路徑選擇1、動作信號的小波轉(zhuǎn)換為了降低機(jī)電一體PLC設(shè)備的能耗，需要對機(jī)械部位進(jìn)行有效地信號采集，求得微電子 信號低頻逼近信號序列和高頻細(xì)節(jié)信號序列，圖1是小波分解程序框圖。根據(jù)得到的PLC設(shè) 備的

4、時(shí)頻特征分析方法中，對于機(jī)械設(shè)備的命令特征進(jìn)行小波分析，用以測試其各個(gè)動作的小 波系數(shù)的奇異值之間的區(qū)分度，區(qū)分度越高表明采用該特征做動作模式判別時(shí)候效果越好，以 下是提取到的小波系數(shù)奇異值，見表1。從表1中可以看出，本文提取到的4種不同動作PLC信號的小波系數(shù)的奇異值特征值有 著明顯的區(qū)別，而且多次試驗(yàn)結(jié)果表明，采樣率對該特征影響不大，特征較為穩(wěn)定，比小波系 數(shù)奇異值和時(shí)域特征都穩(wěn)定，并且區(qū)分度也大的多。因此，小波系數(shù)的奇異值特征可以作為 PLC設(shè)備一種特征來做動作模式識別。表1提取到的PLC設(shè)備特征值表 2 采用本文算法前后的紡織機(jī)器能耗圖1 mallat小波分解程序框圖圖2最優(yōu)路徑的選擇

5、實(shí)驗(yàn)2、PLC 控制中的路徑約束雖然計(jì)算出PLC設(shè)備的命令特征信號，但是如果直接進(jìn)行操作，會形成一定的誤差，造 成能耗，甚至碰撞。因此需要根據(jù)得到的命令特征，對命令中的行動路徑進(jìn)行合理的規(guī)劃，加 入一定的約束，保證行動路徑最少，最大程度的保證能耗最低。為了做到這點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)適應(yīng) 度函數(shù)，這樣的函數(shù)必須滿足2個(gè)條件，下面介紹具體實(shí)現(xiàn)過程。（1）對行動邊界的有效約束，由于PLC設(shè)備的運(yùn)動空間有限，可以有效地規(guī)定出設(shè)備在 橫向上的最大值和最小值，從橫向上對其進(jìn)行邊界約束。約束的規(guī)程如下：在建立的坐標(biāo)系 中，直線li約束的相交處的坐標(biāo)為（Xi1, 丫訂）和（Xi2, Yi2）。這里yI一定在（Yi1,

6、 Yi2）范圍內(nèi)，這里的交點(diǎn)坐標(biāo)不一定很準(zhǔn)確，需要允許一定的誤差，一旦誤差較大，需要舍 棄相關(guān)的值，具體的函數(shù)計(jì)算方法表示為：其中，r為PLC設(shè)備中，單步允許的最新步長，i為PLC設(shè)備路徑上的點(diǎn)，上式表明只要 各個(gè)路徑點(diǎn)在約束范圍內(nèi)，則適應(yīng)度取1，否則取0。（2）障礙適應(yīng)度函數(shù)。PLC設(shè)備在進(jìn)行工作的時(shí)候，可能會遇到突發(fā)障礙，這也是造成 能耗的一個(gè)主要原因，甚至可以危害設(shè)備安全。因此，需要對PLC設(shè)備的行動路徑進(jìn)行合理 地規(guī)劃，在保證能耗最低的同時(shí)，保證設(shè)備安全。PLC設(shè)備的自動運(yùn)動過程不復(fù)雜，系統(tǒng)可以 看成是小范圍的勻速直線運(yùn)動。假設(shè)機(jī)電控制系統(tǒng)從起始點(diǎn)P0到目標(biāo)點(diǎn)Pi（ xi，Yi）耗時(shí)為

7、 ti，從 Pi-1 （X i-1，Yi-1 ）到 Pi （ Xi，Yi ）耗時(shí)為 Ti-1，則 ti=ti-1+Ti-1式中 v 是機(jī)電控制系統(tǒng)智能控制中移動的速度。入股在時(shí)刻 ti ，機(jī)電控制系統(tǒng)處于當(dāng)前路 徑上的某一行動點(diǎn)Cci (xi,yi)，式中vix, viy為機(jī)電控制系統(tǒng)在Cci點(diǎn)的x和y的速度表達(dá) 式?？梢暂^為有限的計(jì)算不同時(shí)刻下的障礙物坐標(biāo)：是PLC設(shè)備在移動過程中的第k個(gè)障礙物初始座標(biāo)，如果在PLC設(shè)備中的時(shí)刻ti，檢測 到的當(dāng)前路徑上的行動點(diǎn)Pi( xi，yi )與檢測到的障礙物之間的距離為：可以計(jì)算繞過距離的最小路徑：D min =min(Di k), i=1，2, .

8、,n； k=l,2,.,m式子中n是組成路徑的路徑點(diǎn)個(gè)數(shù)，m是 障礙物的個(gè)數(shù)。由此得到避障適應(yīng)度函數(shù)： k式中RO是PLC控制系統(tǒng)移動單元避免碰撞的有效半徑，Rk是如果繞過障礙物的有效安 全半徑，如果PLC控制系統(tǒng)可以成功的在最小距離的范圍內(nèi)繞過障礙物的干擾，則適應(yīng)度取 1 ，否則取 O。路徑最短適應(yīng)度函數(shù)。該函數(shù)如下所示：最后綜合上面幾個(gè)約束條件得到綜合適應(yīng)度函數(shù)：fit=fitlx fit2x fit3通過以上的方法能夠在較小的范圍內(nèi)，保證PLC設(shè)備的最優(yōu)化運(yùn)行，避免障礙物的碰 撞，避免不必要的消耗。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，對紡織行業(yè)中的自動縫紉機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，得到

9、PLC紡 織機(jī)的坐標(biāo)、半徑、待加工工件大小等信息。紡織品大小作為PLC設(shè)備中的約束性函數(shù)。具 體的真實(shí)路徑與最優(yōu)路徑的關(guān)系如圖2所示。PLC設(shè)備的移動初始路徑的選擇不設(shè)固定方法。紡織中的障礙物是固定下來的，能夠被機(jī) 器有限的感知到，即記憶約束。路徑的選擇有合理的路徑庫。按系統(tǒng)的要求，可以選擇10個(gè) 有效的路徑，路徑的具體位置能夠被計(jì)算機(jī)的控制軟件有效地感知。適應(yīng)度最高的前5 個(gè)路徑 組成新種群Y (t)，當(dāng)PLC設(shè)備移動單元在移動過程中，障礙物的信息會不斷地更新，保證 信息的新鮮。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的能耗特性，對在本文方法下建立的系統(tǒng)能耗進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如 上所示，紡織點(diǎn)的數(shù)量為100個(gè)，坐標(biāo)位置相同，工件個(gè)數(shù)、種類相同。對采用本文算法進(jìn)行路徑優(yōu)化前后分別進(jìn)行了驗(yàn)證比較，表2中的結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)中求得的 數(shù)據(jù)。從表2可以看出，采用本文算法對紡織PLC設(shè)備單元進(jìn)行路徑優(yōu)化后，工作能耗降低了 許多。當(dāng)工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，紡織點(diǎn)增多時(shí)，采用路徑優(yōu)化后的能耗優(yōu)勢將更加明顯。結(jié)束語本文提出一種基于機(jī)電一體PLC自動控制防碰撞最優(yōu)路徑選擇算法，通過在PLC控制中 加入約束算法，對路徑選擇中的錯(cuò)誤進(jìn)行有效地約束，保證路徑的選擇形成局部的最優(yōu)化。實(shí) 驗(yàn)表明，該方法能夠提高機(jī)電一體過程中自動控制路徑選擇的效