機(jī)電運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)智能控制技術(shù)及應(yīng)用

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摘要：機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制是一門融合了電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)的綜合性、多學(xué)科交叉技術(shù)。隨著機(jī)械加工對(duì)精度、效率等各方面要求的提升，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的智能化水平勢在必行。本文首先介紹了摩擦非線性補(bǔ)償跟蹤控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間接補(bǔ)償控制模式，隨后概述了基于模型輸出和遺傳算法的預(yù)測控制技術(shù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種粉末材料噴射成型控制系統(tǒng)，利用數(shù)控技術(shù)和智能控制技術(shù)的有機(jī)融合，在計(jì)算機(jī)輔助圖形設(shè)計(jì)的前提下，自動(dòng)進(jìn)行加工軌跡的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴運(yùn)動(dòng)的智能控制。結(jié)果表明，該機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的加工精度高、成型效果好，應(yīng)用效果達(dá)到了預(yù)期。

關(guān)鍵詞：非線性補(bǔ)償；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；遺傳算法；軌跡規(guī)劃

在我國制造業(yè)向高端轉(zhuǎn)型過程中，實(shí)現(xiàn)機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的快速運(yùn)動(dòng)、精準(zhǔn)定位、跟蹤加工，做到機(jī)械制造效率與精度的兼顧，成為工業(yè)制造企業(yè)的主要目標(biāo)。由于機(jī)電運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有非線性擾動(dòng)的特點(diǎn)，要追求高性能的運(yùn)動(dòng)控制具有一定難度，這就需要從控制技術(shù)、機(jī)械構(gòu)造、驅(qū)動(dòng)裝置等方面采取綜合改進(jìn)措施?；谀Σ练蔷€性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制技術(shù)對(duì)消除擾動(dòng)因素、提高運(yùn)動(dòng)控制的響應(yīng)速度和動(dòng)作精度有顯著效果。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用基于遺傳算法的非線性預(yù)測跟蹤控制技術(shù)，可根據(jù)軌跡規(guī)劃實(shí)現(xiàn)智能控制，對(duì)提升機(jī)電運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制的“數(shù)智化”水平有積極幫助。

1機(jī)電運(yùn)動(dòng)非線性系統(tǒng)智能控制技術(shù)

1.1摩擦非線性補(bǔ)償跟蹤控制

對(duì)于線性系統(tǒng)可選擇跟蹤控制方法較多，如自適應(yīng)控制、魯棒控制等。而非線性系統(tǒng)的跟蹤控制難度較大，可用的跟蹤控制方法較少。由于機(jī)電控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中具有明顯的非線性特性（如非線性摩擦等），因此要想提高運(yùn)動(dòng)控制精度，必須要研究、應(yīng)用一種適用非線性跟蹤控制技術(shù)。摩擦非線性補(bǔ)償跟蹤控制的機(jī)理是根據(jù)機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立摩擦模型，確定模型參數(shù)，然后基于補(bǔ)償算法降低運(yùn)動(dòng)控制中的摩擦擾動(dòng)，達(dá)到提高加工精度的最終目的。摩擦非線性補(bǔ)償控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，線性控制器自動(dòng)選擇比例微分控制模式，可以消除非線性導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)誤差。而補(bǔ)償器則選擇積分控制形式，積分補(bǔ)償控制為：式（1）中，Ki表示積分系數(shù)，xi表示積分補(bǔ)償激活范圍。當(dāng)位置誤差較小時(shí)，采取這種積分補(bǔ)償控制能夠取得理想的誤差控制效果；反之，如果位置誤差較大，則會(huì)影響補(bǔ)償效果。為避免此類問題，本文提出了一種可調(diào)積分補(bǔ)償器，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：上式中γ表示調(diào)節(jié)因子。該補(bǔ)償器不僅適用于機(jī)電運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在低速時(shí)的誤差補(bǔ)償，而且隨著運(yùn)動(dòng)速度的逐漸增加，還可以實(shí)現(xiàn)無超調(diào)的平滑跟蹤，從而消除了從低速轉(zhuǎn)為高速后的穩(wěn)態(tài)誤差，誤差控制效果更加明顯。

1.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間接補(bǔ)償控制

由于非線性摩擦具有復(fù)雜性，為消除無關(guān)因素的干擾，在構(gòu)建摩擦模型時(shí)要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)建補(bǔ)償控制器。通過收集誤差信息，將線性控制與誤差補(bǔ)償控制相結(jié)合，從而達(dá)到優(yōu)化控制策略、提高補(bǔ)償效果的目的。以運(yùn)動(dòng)速度為例，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間接補(bǔ)償控制的運(yùn)動(dòng)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，控制器的輸出由兩部分組成，即線性反饋控制u1和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制u2。其中，線性控制器的作用是維持該系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性，而補(bǔ)償控制器的作用為實(shí)現(xiàn)摩擦非線性的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，將跟蹤誤差控制在較小范圍內(nèi)。這樣一來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于跟蹤誤差產(chǎn)生控制輸出，而不是直接從非線性模型提供補(bǔ)償，達(dá)到了間接補(bǔ)償?shù)男Ч?。假設(shè)某被控制對(duì)象的輸入向量為[x1，x2……，xi]，系統(tǒng)中包含N個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)，且輸入層到隱含層的權(quán)值為Vij，隱含層到輸出層的權(quán)值為Wj，則網(wǎng)絡(luò)輸出變量的速度估值ω為：式（3）中σl表示激活函數(shù)，可由下式計(jì)算得出：通過式（3）求出速度估值后，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的間接補(bǔ)償控制器可以實(shí)現(xiàn)速度的跟蹤補(bǔ)償，保證了加工過程中實(shí)際軌跡更加貼近于預(yù)期軌跡，從而實(shí)現(xiàn)加工效率和加工精度的同步提升。

2機(jī)電運(yùn)行非線性系統(tǒng)預(yù)測跟蹤控制技術(shù)

2.1基于模型輸出的預(yù)測控制

機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模式多樣，如位移控制、輪廓控制、速度控制等。為了使被控目標(biāo)的實(shí)際輸出與預(yù)期一致，必須要引進(jìn)快速跟蹤控制技術(shù)，在實(shí)時(shí)跟蹤的基礎(chǔ)上將被控對(duì)象當(dāng)前的位置信息、狀態(tài)信息等反饋給終端計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算后發(fā)出調(diào)控指令，從而降低控制誤差。在整個(gè)閉環(huán)控制中，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，縮短從收集被動(dòng)對(duì)象數(shù)據(jù)信息到響應(yīng)控制指令、做出預(yù)期動(dòng)作的時(shí)間，對(duì)克服響應(yīng)滯后帶來的跟蹤誤差有顯著效果。目前可以滿足上述要求的控制策略有兩種，即前饋控制策略和基于模型輸出預(yù)測的控制策略。在實(shí)際應(yīng)用中，構(gòu)建基于模型輸出預(yù)測控制策略的數(shù)學(xué)模型，可以克服系統(tǒng)中的不確定性，解決因?yàn)槟Ｐ驼`差帶來的干擾影響，進(jìn)一步提高控制精度。另外，近幾年人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的成熟發(fā)展，也為基于模型的預(yù)測控制的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。在收集海量數(shù)據(jù)樣本的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型訓(xùn)練并不斷提高其調(diào)節(jié)與跟蹤控制的速度比，在復(fù)雜、高速的運(yùn)動(dòng)控制中有更好的應(yīng)用。

2.2基于遺傳算法的非線性預(yù)測控制

優(yōu)化性能指標(biāo)從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，是預(yù)測控制中的核心計(jì)算步驟?；谶z傳算法的優(yōu)化控制能夠較好地契合機(jī)械運(yùn)動(dòng)非線性系統(tǒng)的控制要求，基于此構(gòu)建非線性預(yù)測模型，在保證機(jī)電運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，能夠自動(dòng)處理實(shí)際加工中的一些非線性因素。該模型的運(yùn)作機(jī)理為：對(duì)比極小化模型的預(yù)測輸出和給定輸出，計(jì)算兩者之間的誤差。利用誤差與控制量的加權(quán)性能指標(biāo)，得出最終的控制量。同時(shí)，使用性能優(yōu)化指標(biāo)計(jì)算某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的控制序列。將第一個(gè)控制量作用于被控對(duì)象，再根據(jù)控制序列按照滾動(dòng)方法逐步向前平移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的預(yù)測控制。該優(yōu)化過程可以在每個(gè)采樣周期內(nèi)反復(fù)進(jìn)行，得到最優(yōu)目標(biāo)?；谶z傳算法的非線性預(yù)測控制模型的輸出對(duì)象有兩部分，可表示為：（5）式（5）中，y（k+j/k）表示預(yù)測模型的輸出，ym（k+j/k）表示根據(jù)對(duì)象模型的預(yù)測輸出，D（k+j/k）表示擾動(dòng)作用下的對(duì)象輸出預(yù)測值?；谠撃Ｐ偷念A(yù)測輸出為：（6）擾動(dòng)模型為：（7）上式中，ξ（k）表示零均值隨機(jī)干擾信號(hào)，ΔA（z-1）=1+a1z+a2z+……+anz，T（z-1）表示濾波器多項(xiàng)式。將式（6）與式（7）整理后，可以得到擾動(dòng)模型的預(yù)測輸出：（8）基于該模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制量的軟約束，使得遺傳算法優(yōu)化控制中進(jìn)一步減少搜索時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，這也對(duì)提高機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制效果有積極幫助。

3機(jī)電運(yùn)動(dòng)非線性系統(tǒng)智能控制技術(shù)的應(yīng)用

噴射成型是一種非接觸性成型技術(shù)，它以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，由工業(yè)計(jì)算機(jī)控制噴嘴運(yùn)動(dòng)，將粉末材料噴射到指定位置，層層累積之后得到需要的工件。相比于切割成型技術(shù)，利用噴射成型技術(shù)制造的工件在邊、角、凹槽等位置上擁有更高的精度，并且具有節(jié)約用材、減少浪費(fèi)的優(yōu)勢。在噴射成型智能控制系統(tǒng)中，融合了智能控制技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)，顯著提高了數(shù)控機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率。

3.1噴射成型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

噴射成型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。在計(jì)算機(jī)圖形軟件中設(shè)計(jì)產(chǎn)品的立體模型，并利用切片軟件以一致的增量沿Z方向切片。將切片后得到的二維圖形以JPG.位圖文件格式存儲(chǔ)。主機(jī)系統(tǒng)調(diào)用并識(shí)別二維圖形，然后生成噴嘴運(yùn)動(dòng)軌跡和噴射控制信號(hào)。其中，伺服控制系統(tǒng)可以支持在X-Y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則支持沿Z軸運(yùn)動(dòng)。噴頭在運(yùn)動(dòng)控制下噴射粉末材料，并使用熱風(fēng)干燥的方式提高成型表面溫度，加速成型速度。另外，伺服控制系統(tǒng)中安裝了高速數(shù)字控制器，以及提供了一個(gè)大容量的數(shù)據(jù)庫，保證在平面掃描的過程中，協(xié)調(diào)噴嘴控制讓粉末材料均勻、準(zhǔn)確地分布在成型平面上。

3.2軌跡規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制

噴射成型系統(tǒng)由噴嘴的軌跡運(yùn)動(dòng)和噴射控制得到工件平面層。因此噴嘴運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃是提高產(chǎn)品加工精度的關(guān)鍵因素?？紤]到工件成型過程中噴嘴與平面層始終為非接觸的，因此必須采用定向平行直線段覆蓋成型區(qū)的軌跡規(guī)劃方式。在確定了軌跡規(guī)劃后，還要通過掃描噴射的方式，控制噴嘴將準(zhǔn)備好的粉末材料噴射到平面上。在掃描噴射控制中，噴嘴根據(jù)控制信號(hào)在X或Y方向上定向移動(dòng)，并且通過速度信號(hào)、噴射信號(hào)的補(bǔ)償控制，使粉末材料均勻、準(zhǔn)確地分布在平面上，如圖4所示。圖4中，d為粉末材料的水平偏移距離，h為噴口到粉末材料落點(diǎn)平面的距離，Vx和Vj分別代表噴嘴的掃描速度與粉末材料的噴射速度。上述指標(biāo)的關(guān)系式可表示為：（9）根據(jù)式（9）可知，在粉末材料噴射成型過程中，只要保證噴嘴與平面之間的距離，以及噴嘴平移速度恒定，就能夠確保粉末材料的偏移位置保持不變。假設(shè)噴嘴的移動(dòng)速度Vx為0.98m/s，噴嘴與成型表面之間的垂直距離h為1mm，粉末材料在水平方向上的位移d為100μm。當(dāng)水平點(diǎn)距分辨率為脈沖/5μm時(shí)，對(duì)于給定落點(diǎn)坐標(biāo)的為例，必須提前控制噴射，提前量為20個(gè)脈沖。這樣才能保證粉末材料的實(shí)際落點(diǎn)與預(yù)期一致，減小落點(diǎn)偏差，提高成型精度。4結(jié)束語機(jī)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中存在摩擦、溫度等因素引起的擾動(dòng)，對(duì)控制性能和加工精度均產(chǎn)生了比較明顯的影響。要想提高產(chǎn)品加工精度，必須要應(yīng)用機(jī)電運(yùn)動(dòng)非線性系統(tǒng)智能控制技術(shù)。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間接補(bǔ)償控制和非線性預(yù)測跟蹤控制，構(gòu)建智能算法補(bǔ)償器。在收集機(jī)電控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用智能算法和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)跟蹤控制，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和加工精度，在實(shí)際應(yīng)用中取得了理想效果。

作者:彭江鷹 單位:湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院