魏惠芳,李晨陽(yáng),付莎莎（.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)）

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龍門定位平臺(tái)PID控制研究及應(yīng)用

魏惠芳1,2,李晨陽(yáng)1,付莎莎1
（1.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)）

摘要：首先介紹龍門定位系統(tǒng)是以浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器為基礎(chǔ)的平臺(tái)，推導(dǎo)出一個(gè)基于拉格朗日方程的龍門定位架3-DOF動(dòng)態(tài)模型。采用PID算法探究龍門式精密定位平臺(tái)在參數(shù)變化、摩擦力、外來(lái)干擾與多軸系統(tǒng)中交叉耦合干擾的影響下的控制性能。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)印刷電路板的金屬焊點(diǎn)缺陷進(jìn)行檢測(cè),完成龍門定位平臺(tái)智能控制的研究。

關(guān)鍵詞：浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)；動(dòng)態(tài)模型；PID算法；金屬焊點(diǎn)缺陷

0　引言

隨著科技的快速發(fā)展，人們對(duì)于控制這方面有了更高的要求。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如何快速精準(zhǔn)穩(wěn)定定位成為了人們的熱門話題，精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)在現(xiàn)代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域有著重要的地位，它直接影響精密制造、檢測(cè)的精度。在先進(jìn)電子制造裝備(如光刻機(jī)、球焊機(jī)、貼片機(jī)等)中，高性能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是其工作的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在微型機(jī)電系統(tǒng)的制造和檢測(cè)、精密測(cè)量等領(lǐng)域都離不開(kāi)精密定位技術(shù)。在精密和超精密加工領(lǐng)域，高精密進(jìn)給運(yùn)動(dòng)更是影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以龍門智能控制為理論基礎(chǔ)，探究其在檢測(cè)印刷電路板金屬焊點(diǎn)時(shí)的應(yīng)用。

1　模型建立

圖1　龍門定位3-DOF動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)

如圖1所示的是典型龍門定位3-DOF動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)，Y軸是由兩個(gè)領(lǐng)養(yǎng)雙線性線性電動(dòng)機(jī)的永磁同步電動(dòng)機(jī)通過(guò)單軸由并行系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，x軸它是由一個(gè)永磁線性同步電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接到電機(jī)雙線性，因此定位平臺(tái)可被視為具有三自由度的伺服系統(tǒng)聯(lián)接機(jī)構(gòu)，所以在三軸運(yùn)動(dòng)時(shí)雙軸控制是其關(guān)鍵技術(shù)。分定位在電機(jī)的雙線性y軸對(duì)應(yīng)于兩個(gè)輸出和，當(dāng)這兩個(gè)位置是相同的，這意味著相同的電機(jī)雙線性舉動(dòng)等于，然而，在實(shí)際應(yīng)用中，而難以實(shí)現(xiàn)雙線性電機(jī)，這是由于兩個(gè)電機(jī)的相同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在裝配的差異，外力的干擾或耦合效應(yīng)影響下的差異。傳統(tǒng)推導(dǎo)的龍門定位平臺(tái)都是三組線性電機(jī)動(dòng)態(tài)模型來(lái)推導(dǎo)的，只考慮其線性運(yùn)動(dòng)的方向，但在本文中三自由度龍門動(dòng)態(tài)模型的推導(dǎo)不僅考慮到了各種線性運(yùn)動(dòng)軸，同時(shí)也考慮到因線性電機(jī)的不同造成抵消x軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，當(dāng)雙線性電機(jī)不同時(shí)，和會(huì)有偏差值，因?yàn)槁?lián)接機(jī)構(gòu)使x軸具有θ偏移角，從而在X軸移動(dòng)，會(huì)以C為中心產(chǎn)生慣性，可變慣量和負(fù)載的力矩變化，雙線性電動(dòng)機(jī)引線到y(tǒng)軸以產(chǎn)生移動(dòng)。

2　PID控制器

2.1 PID結(jié)構(gòu)框圖

2.1　PID結(jié)構(gòu)框圖

PID控制器是通過(guò)對(duì)誤差信號(hào)e(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，將其結(jié)果加權(quán)，得到控制器的輸出u(t)，去控制被控對(duì)象。PID控制器的數(shù)學(xué)描述為:

式中u (t)為控制量，e (t) =r (t) -c (t)為誤差信號(hào)，r (t)為輸入量，c (t)為輸出量。經(jīng)離散化后，變成計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方式的數(shù)學(xué)描述為:

PID控制器又稱PID校正裝置或者PID調(diào)節(jié)器，是一種有源校正裝置，它是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，在工業(yè)過(guò)程控制中有著最廣泛的應(yīng)用，它實(shí)現(xiàn)方式有電氣式、氣動(dòng)式和液力式。與無(wú)源校正裝置相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)易于整定、應(yīng)用面廣等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的控制對(duì)象可以是精確模型，也可以是黑箱或灰箱系統(tǒng)。總體而言，它主要有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)原理簡(jiǎn)單，使用方便，參數(shù)整定靈活。

(2)適用性很強(qiáng)。可以廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械、化工、熱工、冶金、輕工、建材、石油等行業(yè)。

(3)魯棒性強(qiáng)。即其控制的質(zhì)量對(duì)被控對(duì)象的變化不太敏感，這是它獲得廣泛應(yīng)用的最重要的原因。所以，如果控制器魯棒性強(qiáng)，則就無(wú)須經(jīng)常改變控制器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)。

2.2 PID控制器參數(shù)整定

數(shù)字PID控制器參數(shù)的整定有多種方法，常用的包括試湊法、臨界靈敏度法、Ziegler-Nichols設(shè)定法、ISTE最優(yōu)設(shè)定法、基于增益優(yōu)化參數(shù)整定法、基于總和時(shí)間常數(shù)法等等。由于這里先用MATLAB下的RTWT來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真，所以試湊法更為簡(jiǎn)單易行。

試湊時(shí)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例、再積分、最后微分的整定步驟。

(1)首先將積分系數(shù)置零，只整定比例部分。將比例系數(shù)Kp由小變大，觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。若系統(tǒng)沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍內(nèi)，且響應(yīng)曲線己屬滿意，則只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。

(2)若僅用比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，那么便再加入積分環(huán)節(jié)。首先置K;為一較小值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略為縮小(如縮為原值的0.8倍)，然后增大積分系數(shù)，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下靜差得以消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)來(lái)改變比例系數(shù)KP與積分系數(shù)K;，以得到滿意的控制過(guò)程。

(3)此時(shí)系統(tǒng)的反映時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差都要滿足要求，再加入微分環(huán)節(jié)可以明顯降低系統(tǒng)的超調(diào)。在上述調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上改變Ka的值，以獲得滿意的超調(diào)量。

3　印刷電路板的金屬焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)方法

3.1 印刷電路板圖像的采集

采集部分的研究包括了攝像機(jī)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整、照明系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整以及采集原始Bayer格式圖像到計(jì)算機(jī)指定內(nèi)存、圖像的256色灰度位圖的格式轉(zhuǎn)換以及分塊采集策略的制定等。這部分是本系統(tǒng)智能的體現(xiàn)之一。

3.2 印刷電路板圖像的預(yù)處理算法

實(shí)際情況下，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝的印刷電路板圖像信息存在各種噪聲，影響了圖像的質(zhì)量。本文采用了灰度修正、圖像平滑、中值濾波等優(yōu)化圖像質(zhì)量的預(yù)處理算法，在不同的噪聲影響下采用相應(yīng)的預(yù)處理算法，使得印刷電路板圖像的信噪比得到了明顯的提高。

3.3 印刷電路板圖像的快速模板匹配算法

檢測(cè)的關(guān)鍵在于缺陷圖像的提取與識(shí)別，模板匹配算法是這一要求實(shí)現(xiàn)的前提。設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮檢測(cè)速度和檢測(cè)能力的需求，采用檢測(cè)能力強(qiáng)的算法。為了正確而快速地識(shí)別缺陷，在識(shí)別準(zhǔn)確的前提下運(yùn)用了SSDA模板匹配算法，使得計(jì)算量在很大程度上減少，加快了處理的速度。

3.4 印刷電路板圖像與模板圖像比較后的圖像分割算法

為了對(duì)印刷電路板缺陷圖像實(shí)行最有效的分割，對(duì)比了幾種高效的圖像分割算法，綜合考慮數(shù)據(jù)量、分析時(shí)間、算法復(fù)雜程度等指標(biāo)后，采用峰谷法選取閩值門限并在此門限下分割圖像提取缺陷。

4　結(jié)語(yǔ)

本文意在發(fā)展一套以浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)位訊號(hào)處理器為基礎(chǔ)的龍門式定位平臺(tái)，并且設(shè)計(jì)與發(fā)展具有強(qiáng)特性的智能型同動(dòng)控制器，來(lái)達(dá)到龍門式定位平臺(tái)的精密定位需求。將PID控制算法作為動(dòng)態(tài)不同步誤差補(bǔ)償算法，結(jié)合機(jī)床實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，使用穩(wěn)定邊界法，完成了PID控制算法的參數(shù)整定，并且利龍門智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)印刷電路板上的金屬焊點(diǎn)瑕疵。

參考文獻(xiàn)

[1]林于盛，林法正，智能型同動(dòng)控制之龍門式定位平臺(tái)及應(yīng)用.2012（6）.55-58

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Gantry Positioning Platform and Application of Intelligent Control

Wei Huifang1,2,Li Chenyang1,Fu Shasha1
（1.Shenyang Institute of urban construction;2.Shenyang University of Technology）

Abstract：First introduced gantry positioning system based on a floating-point digital signal processorbased platform,and then derive the gantry positioning frame 3-DOF dynamic model based on Lagrange equation.Then explore the use of PID control algorithm Performance Gantry precision stage cross-coupling interference in the parameter variation,friction,foreign interference and influence in multi-shaft system. Finally,the experimental metal solder joint defects of the printed circuit board for testing,completed the study of intelligent control gantry positioning platform.

Keywords：Floating point digital signal;Dynamic Model;PID algorithm;Metal solder joint defects