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        電動缸測控系統(tǒng)的仿真與通信

        2013-09-10 08:34:36史成城張宏立
        自動化儀表 2013年7期
        關(guān)鍵詞:效果

        史成城 張宏立

        (新疆大學電氣工程學院,新疆 烏魯木齊 830047)

        0 引言

        電動缸是集伺服電機與絲杠于一體的模塊化產(chǎn)品,是一種提供直線運動及推力的執(zhí)行元件。其工作原理是將電機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲杠轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往返運動,并通過推桿帶動負載,利用伺服電機的控制特性,實現(xiàn)對推力、速度和位置的精密控制[1]。

        在將電動缸作為執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)中,電動缸直接由伺服驅(qū)動器控制,不再需要油、氣等中間媒介傳遞動力,在性能上避免了受環(huán)境溫度、易污染的液壓閥和流體介質(zhì)等因素影響。同時,省去了復雜的油泵、管路、冷卻系統(tǒng)以及其他附屬設施,減少了設施投入與設備維護。電動缸具有控制性能優(yōu)越、安裝調(diào)試方便、維護簡單等優(yōu)點,所以被廣泛應用于軍事設備、工業(yè)以及醫(yī)療等場合。目前,國內(nèi)對電動缸的研究仍處于一個初級階段。研究電動缸的性能、測試和控制系統(tǒng),既符合當前國內(nèi)電動缸行業(yè)的發(fā)展需要,又可以為電動缸的進一步研究提供理論參考,同時也可以為電動缸企業(yè)提供相關(guān)的技術(shù)支持,具有一定的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。

        本文將現(xiàn)代化的微機仿真技術(shù)和傳統(tǒng)的電動傳統(tǒng)理論相結(jié)合,利用C語言編程實現(xiàn)先進的PID算法,并結(jié)合電動缸的數(shù)學模型,采用LabWindows/CVI軟件,設計開發(fā)了一款電動缸測控仿真軟件。該軟件具有定位時間短、穩(wěn)定精度高等特點,增強了控制系統(tǒng)的靈活性。仿真結(jié)果表明,該軟件達到了較好的控制效果。

        1 電動缸數(shù)學建模

        電動缸一般由電機、同步傳送帶、絲桿和缸體等構(gòu)成,電動缸通過絲桿將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為推桿的直線運動。如果將電動缸視為由電機和負載兩者的等效傳動部件所組成的系統(tǒng),則電動缸等效模型如圖1所示[2]。

        圖1 電動缸等效模型示意圖Fig.1 The equivalent model of electric cylinder

        電動缸的傳遞函數(shù)為:

        其中:

        根據(jù)電動缸的等效模型,搭建的電動缸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

        圖2 電動缸結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the electric cylinder

        部分參數(shù)設置如表1所示。

        表1 部分參數(shù)設置Tab.1 The setting of parameters

        2 電動缸控制仿真

        虛擬儀器軟件LabWindows/CVI運用交互式編程方法,具有集成化開發(fā)環(huán)境、豐富的函數(shù)面板、強大的接口功能以及基于C語言構(gòu)建的可視化軟件開發(fā)環(huán)境[3]。該軟件能夠為開發(fā)人員提供儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等軟件開發(fā)功能。本文采用LabWindows/CVI軟件對電動缸控制效果進行仿真,以期達到最好的控制效果。

        當電動缸應用于仿真運動平臺、機械手等場合時,為完成特定的功能,需要研究開發(fā)高精度的電動缸控制器。對電動缸進行控制,實際上就是對電動缸所用的永磁同步電機進行控制,而目前同步電機大多使用PID控制[4],因為傳統(tǒng)的PID控制策略具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、可靠性高等優(yōu)點。本文通過對多種PID控制算法的程序編寫,實現(xiàn)電動缸的控制效果最優(yōu)。

        2.1 服務器端界面的實現(xiàn)

        服務器端界面主要實現(xiàn)三部分內(nèi)容:①控制算法的實現(xiàn);②優(yōu)化算法的實現(xiàn);③數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)??刂扑惴ú捎肞ID控制,而PID參數(shù)整定是PID控制中的一個關(guān)鍵問題,本文采用臨界比例度法和遺傳算法整定PID參數(shù)值。臨界比例度法通過Matlab軟件預先整定出參數(shù)值,并置為CVI中控件NUMERIC的初值;而遺傳算法是結(jié)合Matlab/GUI生成的exe程序,通過CVI調(diào)用,實現(xiàn)參數(shù)在線整定。

        2.1.1 PID 參數(shù)值的整定

        根據(jù)電動缸的傳遞函數(shù),通過Matlab軟件整定PID參數(shù)值,獲取方法是采用臨界比例度法。與采用遺傳算法整定的控制效果進行對比,臨界比例度整定方法具有自己的優(yōu)點。根據(jù)控制對象,預先已整定參數(shù),且參數(shù)在程序中為一固定值,實時性較好。在控制要求不高的場合中,采用臨界比例度整定方法就可以達到目標。在Matlab中編寫程序,通過查表計算出參數(shù)值[5]。相關(guān)代碼如下所示:

        根據(jù)計算得出 Kp、Ki、Kd參數(shù)值[6],并將它們設為面板中NUMERIC的初始值。

        2.1.2 控制算法的實現(xiàn)

        本文分別通過增量式PID、步進式PID及其專家PID算法對電動缸的控制效果進行仿真。在進行仿真前,需要對控制對象離散化處理,因為計算機控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此,連續(xù)PID控制算法不能直接使用,需要采用離散化處理。離散化過程在Matlab中進行。

        除了強夯以外翻壓也是處理濕陷性黃土的一種處理方案,在沒有確定擠密樁方案前,渠段(74+660~75+095)與之相鄰的上游渠段采用翻壓施工。翻壓施工時不會產(chǎn)生振動波和噪音污染,但施工時將處理深度內(nèi)的土全部挖出再進行碾壓回填。本工程取土綜合運距4.5km,施工周期長、成本高,其沿線存在較多軟弱地基,換填、翻壓的處理方案非常普遍。

        面對不同的控制要求和一些特殊的應用環(huán)境,采用合適的控制算法,不僅能很好地達到控制要求,而且節(jié)省了人力、物力。因此,本文根據(jù)不同的需求,編寫了三種不同的控制算法。當需要產(chǎn)生較大位移時,為了減小超調(diào),可以采用步進式PID控制算法,使電動缸運行平穩(wěn)。利用專家PID也同樣能使控制效果達到較好的效果,但響應速度很慢。

        2.1.3 采用優(yōu)化算法的PID控制仿真實現(xiàn)

        利用遺傳算法的全局搜索能力,可以很方便地實現(xiàn)全局最優(yōu)解的尋優(yōu)。該算法不僅降低了PID參數(shù)整定的難度,而且從總體上提高系統(tǒng)的控制精度、動態(tài)性能和魯棒性[7-8]。

        2.2 仿真結(jié)果比較

        利用LabWindows/CVI具有調(diào)用外部程序的優(yōu)點,可以跳過CVI與Matlab進行連接的復雜程序編寫和步驟,通過 Matlab/GUI實現(xiàn)遺傳算法,并利用deployment project工具生成程序[9]。在不轉(zhuǎn)化為C語言程序的前提下,完成了一些復雜的程序,方便實現(xiàn)控制對象參數(shù)的在線整定。通過調(diào)用運行按鈕的Callback程序[10],實現(xiàn)遺傳算法PID參數(shù)的整定。仿真表明,基于先進算法的PID控制能達到很好的控制效果,但是,在實際的應用中考慮到各種因素,并不利于先進算法的實現(xiàn)。

        遺傳算法不會陷入局部最優(yōu)解的快速下降陷阱。利用遺傳算法的內(nèi)在并行性,可以方便地進行分布式計算,加快求解速度[11]。但是遺傳算法的局部搜索能力較差,導致單純的遺傳算法比較費時,在進化后期搜索效率較低。在實際應用中,遺傳算法容易產(chǎn)生早熟收斂的問題[12]。采用一種既能使優(yōu)良個體得以保留,又能維持群體的多樣性的方法是遺傳算法中較難解決的問題。但是結(jié)合電動缸的控制,實現(xiàn)在線的參數(shù)優(yōu)化,不僅所需整定時間短,而且達到了較好的控制效果。將這種在線整定方法應用到現(xiàn)場控制,具有重要的現(xiàn)實意義[13-14]。

        3 通信的實現(xiàn)

        采用基于DataSocket技術(shù)的Polling Queue技術(shù)進行通信。DataSocket技術(shù)又是基于DCP/IP工業(yè)標準的編程技術(shù),它對底層進行了高度封裝[14],這樣,不用進行底層TCP/IP編程,就可以方便地在測量和控制系統(tǒng)中共享和傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)。Polling Queue的另一個優(yōu)點是不像基于Data Socket的事件驅(qū)動模式,而是將數(shù)據(jù)放入一個緩沖隊列中,使數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收更加方便,而且可以使用Polling Queue的緩沖區(qū)來減少接收數(shù)據(jù)被覆蓋的可能性,具有很高的數(shù)據(jù)讀取操作安全性。

        客戶端通過Polling Queue接收服務器端發(fā)送來的數(shù)據(jù),并且在面板上實時地顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)和字節(jié)數(shù),以及所發(fā)送數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的比例。

        4 結(jié)束語

        計算機仿真技術(shù)是研究控制工程的有效手段之一,在實踐中結(jié)合計算機仿真,可以輔助工程設計、分析和研究。

        本文利用LabWindows/CVI軟件實現(xiàn)對電動缸的控制仿真,為后續(xù)實踐起到重要的鋪墊和指導作用。從控制效果可以看出,階躍響應的PID控制動態(tài)過程基本滿足要求[15],系統(tǒng)能平滑地達到目標,且速度快、穩(wěn)態(tài)精度高;從仿真角度來說,PID控制對電動缸的控制是有效的。

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