機電運動系統(tǒng)智能控制技術及應用

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摘要：機械運動控制是一門融合了電力驅動技術、微電子技術、數(shù)字控制技術的綜合性、多學科交叉技術。隨著機械加工對精度、效率等各方面要求的提升，增強運動控制系統(tǒng)的智能化水平勢在必行。本文首先介紹了摩擦非線性補償跟蹤控制技術和神經(jīng)網(wǎng)絡間接補償控制模式，隨后概述了基于模型輸出和遺傳算法的預測控制技術。在此基礎上設計了一種粉末材料噴射成型控制系統(tǒng)，利用數(shù)控技術和智能控制技術的有機融合，在計算機輔助圖形設計的前提下，自動進行加工軌跡的規(guī)劃，實現(xiàn)對噴嘴運動的智能控制。結果表明，該機電運動控制系統(tǒng)的加工精度高、成型效果好，應用效果達到了預期。

關鍵詞：非線性補償；神經(jīng)網(wǎng)絡；遺傳算法；軌跡規(guī)劃

在我國制造業(yè)向高端轉型過程中，實現(xiàn)機電運動控制系統(tǒng)的快速運動、精準定位、跟蹤加工，做到機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。由于機電運動系統(tǒng)具有非線性擾動的特點，要追求高性能的運動控制具有一定難度，這就需要從控制技術、機械構造、驅動裝置等方面采取綜合改進措施?；谀Σ练蔷€性的神經(jīng)網(wǎng)絡補償控制技術對消除擾動因素、提高運動控制的響應速度和動作精度有顯著效果。在此基礎上應用基于遺傳算法的非線性預測跟蹤控制技術，可根據(jù)軌跡規(guī)劃實現(xiàn)智能控制，對提升機電運動系統(tǒng)控制的“數(shù)智化”水平有積極幫助。

1機電運動非線性系統(tǒng)智能控制技術

1.1摩擦非線性補償跟蹤控制

對于線性系統(tǒng)可選擇跟蹤控制方法較多，如自適應控制、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。由于機電控制系統(tǒng)在實際運行中具有明顯的非線性特性（如非線性摩擦等），因此要想提高運動控制精度，必須要研究、應用一種適用非線性跟蹤控制技術。摩擦非線性補償跟蹤控制的機理是根據(jù)機電運動控制系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，建立摩擦模型，確定模型參數(shù)，然后基于補償算法降低運動控制中的摩擦擾動，達到提高加工精度的最終目的。摩擦非線性補償控制結構如圖1所示。當機電運動控制系統(tǒng)處于高速運行狀態(tài)時，線性控制器自動選擇比例微分控制模式，可以消除非線性導致的穩(wěn)態(tài)誤差。而補償器則選擇積分控制形式，積分補償控制為：式（1）中，Ki表示積分系數(shù)，xi表示積分補償激活范圍。當位置誤差較小時，采取這種積分補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，則會影響補償效果。為避免此類問題，本文提出了一種可調(diào)積分補償器，其數(shù)學表達式為：上式中γ表示調(diào)節(jié)因子。該補償器不僅適用于機電運動系統(tǒng)在低速時的誤差補償，而且隨著運動速度的逐漸增加，還可以實現(xiàn)無超調(diào)的平滑跟蹤，從而消除了從低速轉為高速后的穩(wěn)態(tài)誤差，誤差控制效果更加明顯。

1.2神經(jīng)網(wǎng)絡間接補償控制

由于非線性摩擦具有復雜性，為消除無關因素的干擾，在構建摩擦模型時要利用神經(jīng)網(wǎng)絡方法構建補償控制器。通過收集誤差信息，將線性控制與誤差補償控制相結合，從而達到優(yōu)化控制策略、提高補償效果的目的。以運動速度為例，基于神經(jīng)網(wǎng)絡間接補償控制的運動速度控制系統(tǒng)結構如圖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)絡補償控制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，而補償控制器的作用為實現(xiàn)摩擦非線性的動態(tài)補償，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償，達到了間接補償?shù)男Ч?。假設某被控制對象的輸入向量為[x1，x2……，xi]，系統(tǒng)中包含N個隱含層節(jié)點，且輸入層到隱含層的權值為Vij，隱含層到輸出層的權值為Wj，則網(wǎng)絡輸出變量的速度估值ω為：式（3）中σl表示激活函數(shù)，可由下式計算得出：通過式（3）求出速度估值后，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的間接補償控制器可以實現(xiàn)速度的跟蹤補償，保證了加工過程中實際軌跡更加貼近于預期軌跡，從而實現(xiàn)加工效率和加工精度的同步提升。

2機電運行非線性系統(tǒng)預測跟蹤控制技術

2.1基于模型輸出的預測控制

機電系統(tǒng)的運動控制模式多樣，如位移控制、輪廓控制、速度控制等。為了使被控目標的實際輸出與預期一致，必須要引進快速跟蹤控制技術，在實時跟蹤的基礎上將被控對象當前的位置信息、狀態(tài)信息等反饋給終端計算機，經(jīng)過計算后發(fā)出調(diào)控指令，從而降低控制誤差。在整個閉環(huán)控制中，提高系統(tǒng)響應速度，縮短從收集被動對象數(shù)據(jù)信息到響應控制指令、做出預期動作的時間，對克服響應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測的控制策略。在實際應用中，構建基于模型輸出預測控制策略的數(shù)學模型，可以克服系統(tǒng)中的不確定性，解決因為模型誤差帶來的干擾影響，進一步提高控制精度。另外，近幾年人工智能技術、大數(shù)據(jù)分析技術和云計算技術的成熟發(fā)展，也為基于模型的預測控制的推廣應用創(chuàng)造了良好條件。在收集海量數(shù)據(jù)樣本的基礎上，進行模型訓練并不斷提高其調(diào)節(jié)與跟蹤控制的速度比，在復雜、高速的運動控制中有更好的應用。

2.2基于遺傳算法的非線性預測控制

優(yōu)化性能指標從而實現(xiàn)最優(yōu)控制，是預測控制中的核心計算步驟?；谶z傳算法的優(yōu)化控制能夠較好地契合機械運動非線性系統(tǒng)的控制要求，基于此構建非線性預測模型，在保證機電運動系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定控制的基礎上，能夠自動處理實際加工中的一些非線性因素。該模型的運作機理為：對比極小化模型的預測輸出和給定輸出，計算兩者之間的誤差。利用誤差與控制量的加權性能指標，得出最終的控制量。同時，使用性能優(yōu)化指標計算某個時間段內(nèi)的控制序列。將第一個控制量作用于被控對象，再根據(jù)控制序列按照滾動方法逐步向前平移，從而實現(xiàn)對整個時間段內(nèi)的預測控制。該優(yōu)化過程可以在每個采樣周期內(nèi)反復進行，得到最優(yōu)目標?；谶z傳算法的非線性預測控制模型的輸出對象有兩部分，可表示為：（5）式（5）中，y（k+j/k）表示預測模型的輸出，ym（k+j/k）表示根據(jù)對象模型的預測輸出，D（k+j/k）表示擾動作用下的對象輸出預測值?；谠撃Ｐ偷念A測輸出為：（6）擾動模型為：（7）上式中，ξ（k）表示零均值隨機干擾信號，ΔA（z-1）=1+a1z+a2z+……+anz，T（z-1）表示濾波器多項式。將式（6）與式（7）整理后，可以得到擾動模型的預測輸出：（8）基于該模型可以實現(xiàn)對控制量的軟約束，使得遺傳算法優(yōu)化控制中進一步減少搜索時間，有利于實現(xiàn)實時控制，這也對提高機電運動控制效果有積極幫助。

3機電運動非線性系統(tǒng)智能控制技術的應用

噴射成型是一種非接觸性成型技術，它以數(shù)控機床為基礎，由工業(yè)計算機控制噴嘴運動，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，利用噴射成型技術制造的工件在邊、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和數(shù)控加工技術，顯著提高了數(shù)控機床的加工精度和生產(chǎn)效率。

3.1噴射成型控制系統(tǒng)的結構組成

噴射成型控制系統(tǒng)結構組成如圖3所示。在計算機圖形軟件中設計產(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。主機系統(tǒng)調(diào)用并識別二維圖形，然后生成噴嘴運動軌跡和噴射控制信號。其中，伺服控制系統(tǒng)可以支持在X-Y平面內(nèi)運動，伺服驅動系統(tǒng)則支持沿Z軸運動。噴頭在運動控制下噴射粉末材料，并使用熱風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、準確地分布在成型平面上。

3.2軌跡規(guī)劃與運動控制

噴射成型系統(tǒng)由噴嘴的軌跡運動和噴射控制得到工件平面層。因此噴嘴運動軌跡規(guī)劃是提高產(chǎn)品加工精度的關鍵因素?？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)控制信號在X或Y方向上定向移動，并且通過速度信號、噴射信號的補償控制，使粉末材料均勻、準確地分布在平面上，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。上述指標的關系式可表示為：（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。假設噴嘴的移動速度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。當水平點距分辨率為脈沖/5μm時，對于給定落點坐標的為例，必須提前控制噴射，提前量為20個脈沖。這樣才能保證粉末材料的實際落點與預期一致，減小落點偏差，提高成型精度。4結束語機電系統(tǒng)在實際運行中存在摩擦、溫度等因素引起的擾動，對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，必須要應用機電運動非線性系統(tǒng)智能控制技術。通過神經(jīng)網(wǎng)絡間接補償控制和非線性預測跟蹤控制，構建智能算法補償器。在收集機電控制系統(tǒng)實時運行參數(shù)的基礎上，利用智能算法和數(shù)學模型進行誤差補償，實現(xiàn)跟蹤控制，提高了系統(tǒng)響應速度和加工精度，在實際應用中取得了理想效果。

作者:彭江鷹 單位:湘西民族職業(yè)技術學院