基于DSP NNC-PID的電液位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在汽車制造過(guò)程中，大量應(yīng)用電液位置伺服式機(jī)械手(焊裝、噴漆)、機(jī)床(沖、壓)以及其他加工裝置。電液位置伺服系統(tǒng)具有功率大、響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，這就要求控制系統(tǒng)不僅有良好的定位精度，而且要有好的伺服跟蹤性能，因此是控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分。電液位置伺服控制系統(tǒng)的典型特征是非線性、不確定性、時(shí)變性、外界干擾和交叉耦合干擾等，系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型不易建立。因此，對(duì)電液系統(tǒng)的控制一直是一個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng)問(wèn)題。
    常規(guī)PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)意義明確、控制的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等特點(diǎn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NNC)具有信息綜合、學(xué)習(xí)記憶和自適應(yīng)能力、逼近任意非線性函數(shù)的能力，可以處理那些難以用模型和規(guī)則描述的過(guò)程，但也存在局部最小點(diǎn)，不易達(dá)到最優(yōu)控制。
    將NNC與PID控制相結(jié)合組成智能控制器可以取得更好的控制效果，這里提出采用DSP實(shí)現(xiàn)NNC-PID控制器對(duì)電液位置系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，滿足電液位置伺服對(duì)控制系統(tǒng)響應(yīng)快和高精度的要求。

1 電液位置伺服系統(tǒng)構(gòu)成
    以噴漆機(jī)械手第一關(guān)節(jié)為對(duì)象，構(gòu)造了研究實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。其中反饋器件采用精密導(dǎo)電塑料電位計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)以DSP為核心、由噴漆機(jī)械手第一關(guān)節(jié)、位置傳感器、12位A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路和輸出放大驅(qū)動(dòng)電路以及上位機(jī)PC等組成，實(shí)現(xiàn)定位和伺服跟蹤控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    TMS320F2812是TI公司推出的2000系列的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)，主要應(yīng)用在控制領(lǐng)域。頻率達(dá)150 MHz，定點(diǎn)32位的CPU，可運(yùn)行16×16和32×32的運(yùn)算。片上高達(dá)128 KB的程序存儲(chǔ)器，128 KB的ROM和18 KB的SARAM，外部接口16位數(shù)據(jù)線和19位地址線，可外擴(kuò)l MB的ROM。此外還集成有16通道的12位的A／D轉(zhuǎn)換器，最小化周期80 ns，以及56個(gè)可單獨(dú)編程的通用I／0(GPIO)引腳。高速的數(shù)字信號(hào)處理能力及豐富的外擴(kuò)資源使TMS320F2812適合應(yīng)用在要求較高的控制系統(tǒng)。
2．1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    控制系統(tǒng)采用了PC+DSP的控制方案，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中PC機(jī)主要用來(lái)顯示控制界面，調(diào)節(jié)各控制參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各相關(guān)信號(hào)。而DSP則完成低層的控制功能，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器采集各路信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的算法處理后，由D／A口輸出，以及通過(guò)I／0口、光電隔離驅(qū)動(dòng)放大電路來(lái)控制各電磁閥的開(kāi)關(guān)。同時(shí)通過(guò)通信，向PC機(jī)發(fā)送采集來(lái)的信號(hào)，并接收PC機(jī)的起動(dòng)、停止等指令以及各控制參數(shù)。

2．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
    TMS320F2812的A／D轉(zhuǎn)換器模塊時(shí)鐘可達(dá)25 MHz，轉(zhuǎn)化精度為12位，可采集16個(gè)通道，0～3 V的電壓模擬信號(hào)。多種觸發(fā)方式：軟件觸發(fā)(DOC)、事件管理器A(EVA)、事件管理器B(EVB)。其轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)與輸入電壓的關(guān)系為：數(shù)字量=4 095x(V輸入-VADCLO)／3，其中VADCLO為各通道的基準(zhǔn)電壓。
    在PCB布線時(shí)，信號(hào)引入端到TMS320F2812引腳的距離要盡量的短，同時(shí)各通道遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)，并且大面積鋪地。A／D轉(zhuǎn)換器電路模塊中J3接傳感器，J19可接示波器等，可供其他儀器采集數(shù)據(jù)。
2．3 I／O及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    I／0板主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)各電磁閥，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)數(shù)安培，電磁噪聲較大，各繼電器的開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)電磁干擾，開(kāi)關(guān)的電流沖擊及電壓峰值較大，這會(huì)影響DSP的運(yùn)行。因此與DSP主板分開(kāi)布線制板。I／O板設(shè)計(jì)中采用74LS244作為驅(qū)動(dòng)元件，TLP521作為光電隔離和繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)外負(fù)載。在PCB布線時(shí)，有大電流通過(guò)的導(dǎo)線適當(dāng)加粗，該板可驅(qū)動(dòng)8路(可擴(kuò)展至16路)的電磁閥。
2．4 通信電路
    USB通信電路設(shè)計(jì)中采用的ISPl581是Philips公司的通用串行總線接口器件，它完全符合USB2．0規(guī)范。支持USB2．0的自檢工作模式和USBl．1的返回工作模式，直接與ATA／ATAPI外設(shè)相連，集成8 K字節(jié)的多結(jié)構(gòu)FIF0存儲(chǔ)器；高速的DMA接口：7個(gè)0UT端點(diǎn)和一個(gè)固定的控制IN／OUT端點(diǎn)。通過(guò)一個(gè)高速的通用并行接口，ISPl581為基于微控制器／微處理器的系統(tǒng)提供了高速的USB通信能力。使用已有的結(jié)構(gòu)和參考的固件，不僅縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，還減少了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，是一種簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)解決方案。
    將ISPl581映射到TMS320F2812的XINTF ZoneO空間，使用作為ISPl581的片選信號(hào)，選用TMS320F2812的1個(gè)GPIO引腳作為復(fù)位ISPl581的信號(hào)，將讀寫控制信號(hào)直接相連，在對(duì)ISPl581操作中有重要作用的中斷信號(hào)接到DSP的XINTl，以便DSP能及時(shí)處理USB的通信中斷，由于ISPl581的存儲(chǔ)空間是8位組織的，而TMS320F2812的存儲(chǔ)空間是16位組織的，可將其數(shù)據(jù)線DO～D15直接相連，ISP1581的地址線A0接地，A1與DSP的A0相連，A2與DSP的A1相連，依次類推至A7與DSP的A6相連。ISP1581的工作模式選為通用處理器模式，即單獨(dú)的地址線AO～A 7，處理器和DMA共用數(shù)據(jù)線D0～D15，讀寫模式選為8051模式即讀寫控制為。將MODEl引腳直接與+5 V連接，引腳ALE／AO接地。
2．5 外擴(kuò)存儲(chǔ)器電路
    TMS320F2812將外部的存儲(chǔ)空間映射為5個(gè)16位的區(qū)域，XINTF Zone0～XINTF Zone2、XINTF Zone 6和XINTF Zone7。其中XINTF ZoneO和XINTF Z0nel均為8 KB，并且共用片選信號(hào)；XINTF Zone2為521 KB，片選信號(hào)；XINTF Zone6為521 KB，XINTF Zone7為16 KB，共用片選信號(hào)。存儲(chǔ)器電路使用XINTF Zone2和INTF Zone6的存儲(chǔ)空間，選用IS6lLV25616作為存儲(chǔ)器件。將TMS320F-2812和IS61LV25616的數(shù)據(jù)線D0～D16、地址線AO～A17、讀寫控制直接連接，TMS320F2812的、A18通過(guò)由邏輯門器件74AC04和74LVC32組成的譯碼電路后形成片選信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)IS61LV25616的讀寫控制。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器
    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高度非線性的超大規(guī)模連續(xù)時(shí)間動(dòng)力系統(tǒng)，具有大規(guī)模并行分布處理、高度的魯棒性、自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)聯(lián)想等能力，它能很好地自適環(huán)境變化，自學(xué)習(xí)修改過(guò)程參數(shù)，這些特性為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到電液位置伺服系統(tǒng)控制中提供了巨大的潛力。
3．1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。從控制系統(tǒng)框圖中可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制包括兩個(gè)控制子模塊：NNI為被控對(duì)象模型辨識(shí)器，NNC為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。NNC-PID控制系統(tǒng)的工作原理是：首先獲取實(shí)際被控對(duì)象的輸入輸出樣本對(duì)，然后利用NNI對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行離線辨識(shí)，當(dāng)辨識(shí)精度達(dá)到設(shè)定的要求時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整NNC的權(quán)值系數(shù)，使系數(shù)具有自適應(yīng)性，從而達(dá)到有效控制的目的。

3．2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器(被控對(duì)象模型辨識(shí)器NNI)
    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器NNI采用3層串并聯(lián)BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，包括輸入層、隱層、輸出層，其結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。網(wǎng)絡(luò)的輸入是被控對(duì)象的輸入／輸出序列[u(k)，y(k)]，網(wǎng)絡(luò)的輸出為教師信號(hào)。
    網(wǎng)絡(luò)隱層的輸入輸出為：

3．3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器(單神經(jīng)元自適應(yīng)NNC-PID控制器)
    由于被控對(duì)象模型不確定、不確知，并且存在著外界隨機(jī)擾動(dòng)，為了達(dá)到較高的控制精度，在被控對(duì)象模型離線辨識(shí)的基礎(chǔ)上，采用單神經(jīng)元自適應(yīng)NNC-PID控制器結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

    網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值系數(shù)值V=[v1，v2，v3]，即表征PID控制器的3個(gè)系數(shù)KP，KI，KD。，網(wǎng)絡(luò)的輸入為X=[x1，x2，x3]，即表征3個(gè)輸入?yún)?shù)e(k)、△e(k)、△2e(k)，網(wǎng)絡(luò)的輸出為△u(k)。
    有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，通過(guò)對(duì)權(quán)系數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能，控制算法和學(xué)習(xí)算法如式(10)和式(11)所示。
   
    根據(jù)有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，權(quán)系數(shù)按式(12)～式(14)規(guī)律調(diào)整如下：
   
式中，K為神經(jīng)元比例系數(shù)，ηI、ηP、ηD分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，使用Labview編寫的PC機(jī)程序和用C語(yǔ)言編寫的DSP程序，其中PC機(jī)的程序用來(lái)顯示和處理DSP發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并向DSP發(fā)送指令及調(diào)節(jié)參數(shù)。
    DSP的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在CCS2000的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)下采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)和編寫，采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，按功能劃分軟件模塊，系統(tǒng)軟件如圖5所示，主要由初始化模塊、故障診斷、USB通信模塊、機(jī)械手NNC控制學(xué)習(xí)模塊和機(jī)械手NNC-PID控制模塊等組成。

5 試驗(yàn)結(jié)果
    對(duì)電液位置伺服機(jī)械手系統(tǒng)首先采用常規(guī)的PID控制，利用Ziegler-Nichols方法整定PID參數(shù)，即控制系統(tǒng)在純比例控制下，調(diào)整比例增益，使系統(tǒng)達(dá)剜臨界穩(wěn)定，記錄這時(shí)的增益ku和臨界振蕩周期Tu，即可確定PID的參數(shù)，即：kp=0．6Tu，kI=0．5Tu，kD=0．25Tu，最后確定比例、積分、微分系數(shù)分別為：kP=1．02，kI=0．024，kD=0．006，這時(shí)系數(shù)的位置階躍跟蹤響應(yīng)如圖6所示。在同等情況下，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制方法對(duì)電液位置伺服機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行控制，取NNC的初始權(quán)值為PID的調(diào)定值，即：v1(0)=1．02，V2(0)=0．024，V3(0)=0．00 6，為了保證迭代的穩(wěn)定性，限制權(quán)值的迭代范圍：0．1≤v(1)≤1．3，0．001≤v(2)≤0．06，0．001≤v(3)≤5，這時(shí)系統(tǒng)的位置跟蹤響應(yīng)曲線如圖6所示。通過(guò)對(duì)比可以看出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID方法，由于具有學(xué)習(xí)能力，使系統(tǒng)很快收斂于位置穩(wěn)態(tài)值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制由于能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整PID參數(shù)，使系統(tǒng)的控制性能得到提高，同時(shí)對(duì)參數(shù)時(shí)變表現(xiàn)出良好的魯棒性，很好地解決了液壓系統(tǒng)的非線性和參數(shù)時(shí)變問(wèn)題。

    需要注意的是，神經(jīng)元比例系數(shù)K的選擇對(duì)系統(tǒng)的控制性能影響最重要，過(guò)大或過(guò)小都將導(dǎo)致系統(tǒng)性能變差，甚至不能實(shí)現(xiàn)自尋優(yōu)和自適應(yīng)。而ηP、ηI、ηD對(duì)系統(tǒng)的性能影響體現(xiàn)在學(xué)習(xí)速度的快慢上。

6 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)分析電液位置伺服機(jī)械手運(yùn)行調(diào)試的特點(diǎn)及其對(duì)控制器電路的要求，采用一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器的PC機(jī)+DSP的控制方案，對(duì)電液位置伺服PC機(jī)+DSP控制系統(tǒng)硬、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并詳細(xì)分析了硬件各控制子系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)及制版要求，說(shuō)明了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID的控制器軟件設(shè)計(jì)過(guò)程以及軟件的編制和調(diào)試。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)比運(yùn)行說(shuō)明，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器的電液位置伺服機(jī)械手PC機(jī)+DSP控制系統(tǒng)的控制效果良好，控制器工作可靠，并且參數(shù)調(diào)節(jié)方便。