張 雷，梁 琦

（河南機電高等專科學校，河南 新鄉(xiāng) 453002）

0 前言

送絲機是自動化焊接設備的重要組成部分，良好的焊縫質量依靠對送絲速度精確穩(wěn)定的控制。送絲機中多采用直流電機，因其具有調速范圍寬、起動力矩大、起動電流小、使用壽命長等優(yōu)點[1]。對直流電機的速度控制通常采用功率變換電路直流斬波方式，而對直流電機轉速的采集常見的有光電編碼器方式。

目前，市場上送絲機多采用PID控制器進行速度調節(jié)，其穩(wěn)態(tài)性能良好，但暫態(tài)特性不理想。在研究領域中，近幾年模糊PI控制被引入送絲機控制應用當中，系統(tǒng)的暫態(tài)特性取得了顯著提高。但是隨著自動化和通信技術的發(fā)展，焊接設備作為大型生產自動化系統(tǒng)中的組成部分，其網絡化要求日益加強。模糊PI控制器雖然控制效果良好[2]，但由于參數(shù)結構復雜，不適用于網絡化需要。本研究提出一種積分分離的單神經元PID控制方法，既有效提高了系統(tǒng)的暫態(tài)特性，又因參數(shù)結構簡單，易于實現(xiàn)網絡化。

1 送絲系統(tǒng)整體結構

本設計選用DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，它具有專用的SVPWM發(fā)生電路可以直接產生對功率轉換電路控制的PWM脈沖，還有專用于編碼器脈沖接收的QEP模塊，便于采集電機轉速信號。由DSP控制的送絲機控制系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1 送絲機控制系統(tǒng)整體結構

工作原理[3]：本系統(tǒng)為閉環(huán)的運動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制對象為直流電機的速度。電機速度通過光電編碼器轉換為脈沖信號，經過光電隔離送給2812芯片的QEP模塊，2812控制器根據采樣周期內的脈沖數(shù)量計算電機的實際速度，用電機實際速度和指令速度進行PID運算，調整PWM信號的占空比，以改變功率電路的轉換功率大小，調整電機的速度。

2 積分分離的單神經元PID控制器設計

送絲機控制系統(tǒng)是典型的運動控制系統(tǒng)，最終控制要求是按照指令速度要求，控制電機準確穩(wěn)定的運轉。在電機速度控制過程中主要存在兩方面影響：一是電機的啟動或指令速度突然轉換時，電機的慣性使速度跟蹤有所滯后；二是在焊接臂運動過程中，由于送絲軟管的形態(tài)發(fā)生改變帶來的焊絲在軟管中的摩擦力的非線性變化，使送絲速度不穩(wěn)定。

2.1 單神經元PID控制算法（SNPID）[4]

因軟管的摩擦力呈非線性變化，且發(fā)生的時機不確定，最常用的方法就是PID控制。由于系統(tǒng)部件在不同時候會存在特性上的細微變化，神經網絡控制可以對單一的PID算法進行潤化，改善控制效果。

常用的增量式PID控制算法表示為：

式中 K為神經元比例系數(shù)。

為保證算法的收斂性和控制的魯棒性，對式（3）進行規(guī)范化處理，得到

式中 ηP、ηI、ηD為比例、積分、微分的學習速率；z(k)為學習指標函數(shù)，在此z(k)=e(k)。

2.2 積分分離的單神經元PID控制算法[5]

傳統(tǒng)的PID控制中，難以避免由于積分累積而導致的系統(tǒng)較大超調，通常采用積分分離的PID控制。這種控制的基本思路是：當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用，避免因積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調量增大；但當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度[6]。

送絲機在剛啟動和速度突變時，由于e(k)很大，容易出現(xiàn)超調，導致暫態(tài)特性不良。在此提出積分分離的SNPID算法，當系統(tǒng)誤差大于某一閾值時分離積分項，僅有比例項和微分項起作用，迅速減小誤差；當系統(tǒng)誤差減小到閾值范圍內再恢復積分項作用，防止超調產生。在上述SNPID算法中，Kω'1x1為比例項，Kω'2x2為積分項，Kω'3x3為微分項。含有積分分離的SNPID算法表示為

含有積分分離的SNPID算法流程如圖2所示。

3 送絲系統(tǒng)性能測試

本系統(tǒng)以南京頂瑞電機有限公司的CS-501型號的送絲機構作為控制對象，對送絲機控制系統(tǒng)做穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性的測試，測試結果通過CCS反饋給計算機進行記錄。

3.1 穩(wěn)態(tài)特性

一般的送絲機送絲速度范圍在1～21 m/min，對應的電機速度脈沖信號為213～4468 Hz，本實驗以低速瀕臨臨界220 Hz作為測試點，對應送絲速度1.03 m/min，以普通PID控制和本方案中含有積分分離的SNPID算法進行對比，獲得曲線如圖3所示。

圖2 含有積分分離的SNPID算法流程框圖

圖3 送絲速度穩(wěn)態(tài)測試

在圖3中，傳統(tǒng)PID算法的控制效果和積分分離的SNPID算法產生的控制效果相比較，積分分離的SNPID算法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID算法，曲線波動更小。

3.2 暫態(tài)特性

當送絲機在送絲過程中，由于材料厚度發(fā)生改變，對應指令速度突然發(fā)生改變，對送絲機暫態(tài)性能方面有較高要求。本研究以指令速度1000 Hz突然躍變?yōu)?000 Hz，測試送絲機的暫態(tài)響應能力和穩(wěn)定性，如圖4所示。

由圖4可知，積分分離的SNPID算法對指令速度突變的響應時間為240 ms，且不產生超調就達到穩(wěn)態(tài)，而傳統(tǒng)PID算法需要約600 ms才能克服7%超調達到穩(wěn)態(tài)?？梢姺e分分離的SNPID算法比傳統(tǒng)PID算法有更好的暫態(tài)響應能力。

圖4 送絲速度暫態(tài)測試

4 結論

（1）該設計方案硬件電路簡單，易于實現(xiàn)，成本較低。

（2）該設計所采用的積分分離SNPID算法在穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能測試中均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制算法。

（3）相對于先進的模糊PID算法，所采用的積分分離SNPID算法參數(shù)數(shù)量少，更易于實現(xiàn)在線網絡控制和參數(shù)修正。

[1]杜宏旺，劉 錚.基于觀測器與前饋的送絲機模糊PI速度控制[J].焊接學報，2010（1）：85-88，92.

[2]黃鵬飛，張 濤.基于模糊PI控制的全數(shù)字送絲系統(tǒng)研究[J].電焊機，2010，40（7）：33-37.

[3]王欣仁.一種基于模糊PI控制器的送絲系統(tǒng)[J].電力電子技術，2011（3）：82-85.

[4]張世韜，楊 風.單神經元PID控制器研究與仿真[J].機械工程與自動化，2009（3）：69-70.

[5]曹 敏，徐凌樺.積分分離的單神經元PID控制算法及其研究[J].系統(tǒng)仿真技術，2010（3）：197-201.

[6]鄭光華，丁軻軻.積分分離PID控制算法研究[J].計算機仿真，1990（3）：35-38.