在汽車制造過程中，大量應用電液位置伺服式機械手(焊裝、噴漆)、機床(沖、壓)以及其他加工裝置。電液位置伺服系統(tǒng)具有功率大、響應快、精度高的特點，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，因此是控制領域中的一個重要組成部分。電液位置伺服控制系統(tǒng)的典型特征是非線性、不確定性、時變性、外界干擾和交叉耦合干擾等，系統(tǒng)精確的數(shù)學模型不易建立。因此，對電液系統(tǒng)的控制一直是一個復雜控制系統(tǒng)問題。

       常規(guī)PID控制器具有結構簡單、參數(shù)意義明確、控制的動態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等特點。人工神經網(wǎng)絡(NNC)具有信息綜合、學習記憶和自適應能力、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)則描述的過程，但也存在局部最小點，不易達到最優(yōu)控制。

       將NNC與PID控制相結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實現(xiàn)NNC-PID控制器對電液位置系統(tǒng)進行智能控制，滿足電液位置伺服對控制系統(tǒng)響應快和高精度的要求。

1 電液位置伺服系統(tǒng)構成

以噴漆機械手第一關節(jié)為對象，構造了研究實驗裝置，如圖1所示。其中反饋器件采用精密導電塑料電位計。整個控制系統(tǒng)以DSP為核心、由噴漆機械手第一關節(jié)、位置傳感器、12位A／D轉換器和D／A轉換器、信號調理電路和輸出放大驅動電路以及上位機PC等組成，實現(xiàn)定位和伺服跟蹤控制。



2 控制系統(tǒng)硬件設計

TMS320F2812是TI公司推出的2000系列的數(shù)字信號處理(DSP)，主要應用在控制領域。頻率達150 MHz，定點32位的CPU，可運行16×16和32×32的運算。片上高達128 KB的程序存儲器，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l MB的ROM。此外還集成有16通道的12位的A／D轉換器，最小化周期80 ns，以及56個可單獨編程的通用I／0(GPIO)引腳。高速的數(shù)字信號處理能力及豐富的外擴資源使TMS320F2812適合應用在要求較高的控制系統(tǒng)。

2．1 控制系統(tǒng)總體結構

控制系統(tǒng)采用了PC+DSP的控制方案，系統(tǒng)總體結構如圖2所示。其中PC機主要用來顯示控制界面，調節(jié)各控制參數(shù)，實時顯示各相關信號。而DSP則完成低層的控制功能，通過A／D轉換器采集各路信號，經過一定的算法處理后，由D／A口輸出，以及通過I／0口、光電隔離驅動放大電路來控制各電磁閥的開關。同時通過通信，向PC機發(fā)送采集來的信號，并接收PC機的起動、停止等指令以及各控制參數(shù)。


2．2 A／D轉換電路

TMS320F2812的A／D轉換器模塊時鐘可達25 MHz，轉化精度為12位，可采集16個通道，0～3 V的電壓模擬信號。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)。其轉化數(shù)據(jù)與輸入電壓的關系為：數(shù)字量=4 095x(V輸入-VADCLO)／3，其中VADCLO為各通道的基準電壓。

在PCB布線時，信號引入端到TMS320F2812引腳的距離要盡量的短，同時各通道遠離數(shù)字信號，并且大面積鋪地。A／D轉換器電路模塊中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及驅動設計

I／0板主要用來驅動各電磁閥，驅動電流可達數(shù)安培，電磁噪聲較大，各繼電器的開關會產生較強電磁干擾，開關的電流沖擊及電壓峰值較大，這會影響DSP的運行。因此與DSP主板分開布線制板。I／O板設計中采用74LS244作為驅動元件，TLP521作為光電隔離和繼電器來驅動外負載。在PCB布線時，有大電流通過的導線適當加粗，該板可驅動8路(可擴展至16路)的電磁閥。

2．4 通信電路

USB通信電路設計中采用的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外設相連，集成8 K字節(jié)的多結構FIF0存儲器；高速的DMA接口：7個0UT端點和一個固定的控制IN／OUT端點。通過一個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。使用已有的結構和參考的固件，不僅縮短了開發(fā)時間，還減少了開發(fā)風險和費用，是一種簡捷、經濟的USB外設解決方案。

將ISPl581映射到TMS320F2812的XINTF ZoneO空間，使用作為ISPl581的片選信號，選用TMS320F2812的1個GPIO引腳作為復位ISPl581的信號，將讀寫控制信號直接相連，在對ISPl581操作中有重要作用的中斷信號接到DSP的XINTl，以便DSP能及時處理USB的通信中斷，由于ISPl581的存儲空間是8位組織的，而TMS320F2812的存儲空間是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 外擴存儲器電路

TMS320F2812將外部的存儲空間映射為5個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；XINTF Zone2為521 KB，片選信號；XINTF Zone6為521 KB，XINTF Zone7為16 KB，共用片選信號。存儲器電路使用XINTF Zone2和INTF Zone6的存儲空間，選用IS6lLV25616作為存儲器件。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通過由邏輯門器件74AC04和74LVC32組成的譯碼電路后形成片選信號，從而實現(xiàn)了對IS61LV25616的讀寫控制。

3 神經網(wǎng)絡NNC-PID控制器

神經網(wǎng)絡是一個高度非線性的超大規(guī)模連續(xù)時間動力系統(tǒng)，具有大規(guī)模并行分布處理、高度的魯棒性、自適應性和學習聯(lián)想等能力，它能很好地自適環(huán)境變化，自學習修改過程參數(shù)，這些特性為神經網(wǎng)絡應用到電液位置伺服系統(tǒng)控制中提供了巨大的潛力。

3．1 神經網(wǎng)絡PID控制系統(tǒng)結構

神經網(wǎng)絡PID控制系統(tǒng)結構如圖3(a)所示。從控制系統(tǒng)框圖中可以看出，神經網(wǎng)絡PID控制包括兩個控制子模塊：NNI為被控對象模型辨識器，NNC為神經網(wǎng)絡PID控制器。NNC-PID控制系統(tǒng)的工作原理是：首先獲取實際被控對象的輸入輸出樣本對，然后利用NNI對被控對象進行離線辨識，當辨識精度達到設定的要求時，通過實時調整NNC的權值系數(shù)，使系數(shù)具有自適應性，從而達到有效控制的目的。#p#分頁標題#e#



3．2 神經網(wǎng)絡辨識器(被控對象模型辨識器NNI)

神經網(wǎng)絡辨識器NNI采用3層串并聯(lián)BP網(wǎng)絡實現(xiàn)，包括輸入層、隱層、輸出層，其結構如圖3(b)所示。網(wǎng)絡的輸入是被控對象的輸入／輸出序列[u(k)，y(k)]，網(wǎng)絡的輸出為教師信號。

網(wǎng)絡隱層的輸入輸出為：




3．3 神經網(wǎng)絡NNC-PID控制器(單神經元自適應NNC-PID控制器)

由于被控對象模型不確定、不確知，并且存在著外界隨機擾動，為了達到較高的控制精度，在被控對象模型離線辨識的基礎上，采用單神經元自適應NNC-PID控制器結構，如圖4所示。




網(wǎng)絡的權值系數(shù)值V=[v1，v2，v3]，即表征PID控制器的3個系數(shù)KP，KI，KD。，網(wǎng)絡的輸入為X=[x1，x2，x3]，即表征3個輸入?yún)?shù)e(k)、△e(k)、△2e(k)，網(wǎng)絡的輸出為△u(k)。

有監(jiān)督的Hebb學習規(guī)則，通過對權系數(shù)的調整來實現(xiàn)自適應、自組織功能，控制算法和學習算法如式(10)和式(11)所示。



根據(jù)有監(jiān)督的Hebb學習規(guī)則，權系數(shù)按式(12)～式(14)規(guī)律調整如下：




式中，K為神經元比例系數(shù)，ηI、ηP、ηD分別為積分、比例、微分的學習速率。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要分為兩部分，使用Labview編寫的PC機程序和用C語言編寫的DSP程序，其中PC機的程序用來顯示和處理DSP發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并向DSP發(fā)送指令及調節(jié)參數(shù)。

DSP的系統(tǒng)軟件設計是在CCS2000的開發(fā)系統(tǒng)下采用C語言設計和編寫，采用自頂向下的設計思路，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、機械手NNC控制學習模塊和機械手NNC-PID控制模塊等組成。



5 試驗結果

對電液位置伺服機械手系統(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，調整比例增益，使系統(tǒng)達剜臨界穩(wěn)定，記錄這時的增益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，這時系數(shù)的位置階躍跟蹤響應如圖6所示。在同等情況下，采用神經網(wǎng)絡NNC-PID控制方法對電液位置伺服機械手系統(tǒng)進行控制，取NNC的初始權值為PID的調定值，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，這時系統(tǒng)的位置跟蹤響應曲線如圖6所示。通過對比可以看出利用神經網(wǎng)絡NNC-PID方法，由于具有學習能力，使系統(tǒng)很快收斂于位置穩(wěn)態(tài)值，神經網(wǎng)絡NNC-PID控制由于能夠實時調整PID參數(shù)，使系統(tǒng)的控制性能得到提高，同時對參數(shù)時變表現(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)時變問題。




需要注意的是，神經元比例系數(shù)K的選擇對系統(tǒng)的控制性能影響最重要，過大或過小都將導致系統(tǒng)性能變差，甚至不能實現(xiàn)自尋優(yōu)和自適應。而ηP、ηI、ηD對系統(tǒng)的性能影響體現(xiàn)在學習速度的快慢上。

6 結束語

通過分析電液位置伺服機械手運行調試的特點及其對控制器電路的要求，采用一種基于神經網(wǎng)絡NNC-PID控制器的PC機+DSP的控制方案，對電液位置伺服PC機+DSP控制系統(tǒng)硬、軟件進行設計，并詳細分析了硬件各控制子系統(tǒng)的功能、特點及制版要求，說明了基于神經網(wǎng)絡NNC-PID的控制器軟件設計過程以及軟件的編制和調試。經過實驗室對比運行說明，基于神經網(wǎng)絡NNC-PID控制器的電液位置伺服機械手PC機+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)調節(jié)方便。