伺服运动系统控制参数在线调节算法研究

罩　电子工业毫用ｉ殳备　专用设备设计研究　伺服运动系统控制参数在线　调节算法研究　方强。宋福民　（深圳市大族数控科技有限公司，广东深圳５１８０５７）　摘　要：针对传统伺服运动系统跟踪性能容易受到外界干扰、速度变化、非线性等因素影响的缺　陷，提出根据速度变化实时切换控制参数的在线调节算法，并基于ＰＭＡＣ控制器实现其算法，通　过实验证明了算法对改善伺服运动系统跟踪性能的有效性。　关键词：伺服运动系统：控制参数在线调节；ＰＭＡＣ控制器　中图分类号：ＴＭ３８３．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４－４５０７（２０１１）０８—００２７－０５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　Ｏｎ－ｌｉｎｅ　Ａｄｊ　ｕｓｔｍｅｎｔ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　Ｓｅｒｖｏ　Ｍｏｖｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＦＡＮＧ　Ｑｉａｎｇ，ＳＯＮＧ　Ｆｕｍｉｎ　（ＨＡＮＳ　ＣＮＣ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　５　１　８０５７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｓｅｒｖｏ　Ｍｏｖｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　Ｌｉｋｅｌｙ　ｔｏ　ｂｅ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｓｐｅｅｄ　ｃｈａｎｇｅｓ，ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｓｗｉｔｃｈ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｃｈａｎｇｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｏｎ　ＰＭＡＣ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｓｅｒｖｏ　Ｍｏｖｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｅｒｖｏ　Ｍｏｖｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　Ｏｎ—ｌｉｎｅ，ＰＭＡＣ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　伺服运动系统通常采用ＰＩＤ＋前馈控制策　略，具有鲁棒性强（对工况的适应能力强）、算法　于参数整定直接受负载性能的影响，往往整定不　良、性能欠佳，导致对运行工况（扰动、参数时变　容易实现等优点，然而ＰＩＤ＋前馈控制策略属于　经典控制理论范畴，适合于线性控制系统，但是　等）的适应性差。　伺服控制系统的基本结构如图１所示。　伺服控制策略中，比例环节用于调节伺服运　动系统的刚性，微分环节提供运动所需要的阻尼　实际工程应用中往往受非线性、参数时变等不确　定性因素的影响，导致控制效果不理想；此外由　收稿日期：２０１１－０７—０４　罩　电子工业薹用设备　专用设备设计研究　上层应用程序　嘉　鎏　耋　囊　Ｊ　跟　随　误　控　制　器　差　数　据　参　数　１　『　高速　数据　采集　速度及　速度　切换　加速度—Ｉ　区问—　控制　检测　判断　参数　底层在线调节程序　（ａ）流程图　图４控制参数分段自整定原理图　（ｂ）软件结构简图　控制参数分段自整定不能由运动控制器的底　层在线调节程序单独完成，否则受到数据采样、计　切换，可以满足控制器在线调节程序实时性需要，　见图５所示。　开始　算延迟等的影响会降低在线调节程序的实时性。　在线调节程序只用于对指令速度和指令加速度进　行在线监测，并根据速度分段模型切换控制参数，　而控制参数的修改、跟随误差数据采集、控制参数　寻优等功能需要由上层应用软件来完成。　控制参数分段自整定的关键在于研究合适的　速度、加速度检测　控制参数寻优算法，对于单个控制参数寻优算法　很容易实现（通过单循环法搜索合适的控制参数，　使得评价函数值最小），而对于多个控制参数的寻　优，如果采用循环嵌套寻优法，则效率极低，且容　易受循环步长影响。单纯形法是解决高维寻优的　最优化方法，它不需要求导数，只要能够测量到系　Ｙ　切换到控制参数０　Ｙ　统的响应值就可以使用。　度∈速度　＼／　切换到控制参数ｎ　ｌ　Ｎ　２控制参数在线调节算法　控制参数在线调节就是根据速度分段模型，　当指令速度落入相应的速度段，立即将控制器参　数切换为该速度段上事先整定出的控制参数。由　图５控制参数在线调节流程图　３算法实现　为了验证算法的有效性，以ＰＭＡＣ运动控制　器为研究对象详细介绍算法的实现过程。ＰＭＡＣ　于速度段的区问较宽，避免了控制器参数的频繁　匝墨幽（总第１９９期）（　专用设备设计研究　电子工业董用设备　控制器是Ｄｅｌｔａ　Ｔａｕ公司生产的多轴运动　廑段　囊ｌ耋　整　Ｅ　ｒｒ［￣ｉｓｌ　控制器，能够对存储在它内部的程序进行　单独运算，同时执行运动程序、ＰＬＣ程序和　伺服控制程序，而且可以自动对任务进行　＃　国犍窥　穑Ｉ壁　国－１０ｌ蛐≮盥　：　＾　Ｉ　谴§溆＿　鳝熊　蕊　鼹ｓ鞠嘲警鬻　整褒盛＃　套醛，　爱　／＼／、／＼，＼，＼，＼，＼　＼＾ｎ，＼，、，、，＼厂＼，＼＾　。¨’　优先级判别，从而进行实时的多任务处理。　ＰＭＡＣ控制器参数的分段自整定与　在线调节算法实现的基本思路是：利用　ＰＭＡＣ控制器允许嵌入ＰＬＣ程序的功能　开发出用于速度分段和控制参数快速切　换的ＰＬＣ程序，基于ＰＭＡＣ控制器上的　高速数据采集功能开发出上层应用程序，　实现运动数据采集、评价函数计算、控制　参数整定、控制参数下载等功能。　ＰＬＣ程序实现如下功能：　（１）速度分段，即设定各个速度段的端　点速度；　蘧纛　邋蒺８　Ｂ　骥　口　麓　遵褒　ｍ　曩壤制嬲　爨尊麟　ｂ攀麟罄　糍　…一０．０Ｏ　ＩＢ，２０　０　４０　０．６Ｂ　０　８１　１，０１　１　２１　Ｉ１１　Ｉ　６ｌ　１　８１　２　０２　２　２２　２　４２　２．６２　２日２　３．０２　３．２２“　１　∞参馘整　熬兼　整麓　蒜　｛＾工整定　Ｂ　ｆｌ嘶　箨韵　ｌ０　ｋ　端　箍　茹常　鞭　…一　Ｄ　８０Ｄ　暖８　｝０罅　ｄ畦　瞧黢　口　嚷拨《　硒　廉段　ａ　Ｂ　０　０　口　ｎ　ｎ　圆　圜　凰　愿翮　匿圈　建　＆　匿　速　鲫：口　圆　逮蕊鼬；　冁　鼙　《虞投ｇ　啻　医蜜　图６　ＰＭＡＣ控制器ＰＩＤ参数分段整定界面　（２）指令速度、指令加速度在线监测；　（３）根据指令速度所处的速度区问实时　切换控制参数。　上层应用程序实现如下功能：　一一一一一一一一一一一一一一一一　图７　ＰＭＡＣ控制器加速度前馈增益分段整定界面　（１）ＰＭＡＣ高速数据采集与解码；　（２）计算评价函数；　（３）控制参数（１　、ＫＤ、ＫＡＦＦ）整定　（人工整定和自整定）；　（４）下载控制参数到ＰＭＡＣ控制器中。　上层应用程序界面操作形式如图６、图　Ｅｒｒ（ｃｔｓ）ｔ　７所不。　为了验证控制参数在线调节算法对　改善系统动态性能的有效性，在ＰＭＡＣ控　制器上嵌入控制参数在线调节ＰＬＣ程序，　结合上层应用程序整定出各个速度段上　的加速度前馈增益值并测试出采用控制　参数在线调节算法前后的跟踪误差曲线。　测试前先根据跟随误差变化情况建　立速度分段模型（最大速度为１６０　ｃｔｓ／ｍｓ、　最大加速度为１　ｃｔｓ／ｍｓ　），然后确定需要　整定的控制参数的取值范围，最后对各　个速度段上的控制参数进行整定（人工或自动整　１一原始跟随误差曲线２一整定后跟随误差ｌ｝｝『线　图８系统定位运动实拍跟随误差曲线　４结论　（１）伺服运动系统本身是一个惯性系统，加速　（下转第４６页）　定）并下载到ＰＭＡＣ控制器中。测试曲线如图８　所示。　（　（总第１９９期）匝圈圊衄　专用设备制造工艺　电子工业专用设菩　的停留而引起镀层针孔，增加了镀层孔隙率，所以　电流密度大时，镀层孔隙率也增大，表面风暴漩涡　的增加而降低，延伸率、内应力随Ｎ　浓度、氯化　物含量的增加而增加。　状的针孔缺陷增大；电流密度的提高，镀镍层的硬　度逐渐降低。本来硬度应该随电流密度增加，ＰＨ值　变大而增加的，但是在氨基磺酸镍镀镍中杂质　Ｎ　、氯化物的含量也随电流密度的增加而增加，从　而导致了硬度的降低；内应力在温度不变的情况下　通过以上分析实验得出以下结论：　（１）要得到低应力的镀层需要小丁１　Ａ／ｄｍ　３结论　是随电流密度的提高而增高，电流密度提高，阴极　的氢离子浓度就会提高，会析出大量氢气，ｐＨ就会　变大，ｐＨ值在４．０～４．２时应力达到最小值。ｌ　２ｌ　２．４温度的影响　的电流密度；较高的温度６０℃左右；ｐＨ越高越　好，４．２左右；溶液中尽可能低的Ｎｉ　、氯化物浓　度；必要时添加消除应力剂钴盐以消除应力。　（２）氨基磺酸镍电流密度范围，　适合ｆ人电　流镀镍，它主要目的是镀层的机械性能，电流密度　大沉积速度快，提高了电镀的效率。　氨基磺酸镍是有机盐，温度超过８０℃易分　解，所以工艺温度一般都低于７０℃，当温度低于　４９℃时，随温度的升高张应力减少，当镀液温度达　４９℃以上时，随着温度的升高张应力缓慢增大；硬　度是随工艺温度的升高而增大的；内应力随温度　的升高而减小。［３Ｊ　２．５　ｐＨ的影响　电导率、搅拌、电流密度、温度、ｐＨ和溶液中　Ｎ　浓度、氯化物含量对电镀镍镀层质量有着重要　的影响，所以在操作过程中要严格控制其工艺参数。　参考文献：　【１］　张允诚、胡如南、向荣．电镀手册Ｊ：册（２版）【Ｍ］．北　京：国防Ｔ业出版社．　强度、硬度随ＰＨ的上升而增加，延伸率、内　应力随ＰＨ的上升而降低。　［２］　周荣廷．化学镀镍的原理　１－＿　［Ｍ］．北京：【　防Ｊ　、『　出版社１９７５．５０—５１．　—喜　．址．Ｓ也　—　屯　—业．址．址　址儿—址—Ｓ　—　止艇—址—Ｓ　—址—Ｓ止—Ｓ屯　—址　作者简介：　２．６溶液中Ｎｉ　浓度、氯化物含量的影响　邹森（１９８１　），　，西安，ｔｓ人，助理　从事电子专用设备研究与丌发。　．址．址　—Ｓｔ　．　．　．Ｓ　儿师，２００５　今　张应力、强度、硬度随Ｎ　浓度、氯化物含量　—　Ｌ—　．　止．址．Ｓ也儿—Ｓ也—　Ｌ—　．址．址．Ｓ也　—Ｓ　—Ｓ　．址．址．址　业—Ｓ　—Ｓ　—Ｓ　—址—址—Ｓ也—Ｓ　—Ｓ　—Ｓ　—址　—Ｓ屯—Ｓ　—Ｓ　（上接第３０页）　度、驱动质量越大，惯性就越大，由此弓Ｉ起的跟随　误差就越大，因此对加速度前馈增益进行在线调　优先级的伺服中断上（如ＴｕｒｂｏＰＭＡＣ提供的开放　伺服功能），则该算法能够应用到高速倒服运动系　统中。　参考文献：　【１１　杨更更，叶佩青，杨开明，等．丛十ＰＭＡＣ的数控系统　ＰＩＤ参数自适应调节［Ｊ］．机械工程帅２００２（４）：ｌ３－１５．　［２］　刘金琨．先进ＰＩＤ控制及其ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：　节，能明显改善系统的动态性能；　（２）受在线调节程序实时性的限制，控制参数　分段自整定算法需要由底层实时控制程序和上层　应用程序联合实现；　（３）控制参数整定，既可以对单个参数进行整　定，也可以对多个参数联合整定，从而寻找出对改　善伺服运动系统控制性能最有效的敏感参数；　（４）实现控制参数在线调节功能的前提是建　立速度分段模型，因此划分合适的速度分段区间　对改善伺服运动系统动态性能有明显影响；　（５）如果底层在线调节程序能够运行在最高　电　工、Ｉ　出版礼，２００３．　『３１　陈玉霜，朱学峰，刘维之．简易单参数白适应ＰＩＤ控制　研究［Ｊ］．计算技术与自动化．２００６，２５（４）：１　１—１３．　［４］　聂建华，李晟．基于前馈及自适应滤波的零跟踪以芽　伺服控制器［Ｊ］．制造技术与机床，２００７（９）：１０９．１１２．