基于積分分離單神經(jīng)元PID的聯(lián)網(wǎng)送絲機(jī)控制研究

張 雷，梁 琦

（河南機(jī)電高等專科學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453002）

0 前言

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

目前，市場(chǎng)上送絲機(jī)多采用PID控制器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，其穩(wěn)態(tài)性能良好，但暫態(tài)特性不理想。在研究領(lǐng)域中，近幾年模糊PI控制被引入送絲機(jī)控制應(yīng)用當(dāng)中，系統(tǒng)的暫態(tài)特性取得了顯著提高。但是隨著自動(dòng)化和通信技術(shù)的發(fā)展，焊接設(shè)備作為大型生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中的組成部分，其網(wǎng)絡(luò)化要求日益加強(qiáng)。模糊PI控制器雖然控制效果良好[2]，但由于參數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適用于網(wǎng)絡(luò)化需要。本研究提出一種積分分離的單神經(jīng)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(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。

1 送絲系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)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(chǎn)生對(duì)功率轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。由DSP控制的送絲機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 送絲機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

工作原理[3]：本系統(tǒng)為閉環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制對(duì)象為直流電機(jī)的速度。電機(jī)速度通過光電編碼器轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，經(jīng)過光電隔離送給2812芯片的QEP模塊，2812控制器根據(jù)采樣周期內(nèi)的脈沖數(shù)量計(jì)算電機(jī)的實(shí)際速度，用電機(jī)實(shí)際速度和指令速度進(jìn)行PID運(yùn)算，調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，以改變功率電路的轉(zhuǎn)換功率大小，調(diào)整電機(jī)的速度。

2 積分分離的單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)

送絲機(jī)控制系統(tǒng)是典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，最終控制要求是按照指令速度要求，控制電機(jī)準(zhǔn)確穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。在電機(jī)速度控制過程中主要存在兩方面影響：一是電機(jī)的啟動(dòng)或指令速度突然轉(zhuǎn)換時(shí)，電機(jī)的慣性使速度跟蹤有所滯后；二是在焊接臂運(yùn)動(dòng)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(jīng)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(shí)機(jī)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(shí)候會(huì)存在特性上的細(xì)微變化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以對(duì)單一的PID算法進(jìn)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(jīng)元比例系數(shù)。

為保證算法的收斂性和控制的魯棒性，對(duì)式（3）進(jìn)行規(guī)范化處理，得到

式中 ηP、ηI、ηD為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率；z(k)為學(xué)習(xí)指標(biāo)函數(shù)，在此z(k)=e(k)。

2.2 積分分離的單神經(jīng)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(dǎo)致的系統(tǒng)較大超調(diào)，通常采用積分分離的PID控制。這種控制的基本思路是：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，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(diào)量增大；但當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度[6]。

送絲機(jī)在剛啟動(dòng)和速度突變時(shí)，由于e(k)很大，容易出現(xiàn)超調(diào)，導(dǎo)致暫態(tài)特性不良。在此提出積分分離的SNPID算法，當(dāng)系統(tǒng)誤差大于某一閾值時(shí)分離積分項(xiàng)，僅有比例項(xiàng)和微分項(xiàng)起作用，迅速減小誤差；當(dāng)系統(tǒng)誤差減小到閾值范圍內(nèi)再恢復(fù)積分項(xiàng)作用，防止超調(diào)產(chǎn)生。在上述SNPID算法中，Kω'1x1為比例項(xiàng)，Kω'2x2為積分項(xiàng)，Kω'3x3為微分項(xiàng)。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(cè)試

本系統(tǒng)以南京頂瑞電機(jī)有限公司的CS-501型號(hào)的送絲機(jī)構(gòu)作為控制對(duì)象，對(duì)送絲機(jī)控制系統(tǒng)做穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過CCS反饋給計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。

3.1 穩(wěn)態(tài)特性

一般的送絲機(jī)送絲速度范圍在1～21 m/min，對(duì)應(yīng)的電機(jī)速度脈沖信號(hào)為213～4468 Hz，本實(shí)驗(yàn)以低速瀕臨臨界220 Hz作為測(cè)試點(diǎn)，對(duì)應(yīng)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(jìn)行對(duì)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(cè)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(chǎn)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(dòng)更小。

3.2 暫態(tài)特性

當(dāng)送絲機(jī)在送絲過程中，由于材料厚度發(fā)生改變，對(duì)應(yīng)指令速度突然發(fā)生改變，對(duì)送絲機(jī)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(cè)試送絲機(jī)的暫態(tài)響應(yīng)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(duì)指令速度突變的響應(yīng)時(shí)間為240 ms，且不產(chǎn)生超調(diào)就達(dá)到穩(wěn)態(tài)，而傳統(tǒng)PID算法需要約600 ms才能克服7%超調(diào)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。可見積分分離的SNPID算法比傳統(tǒng)PID算法有更好的暫態(tài)響應(yīng)能力。

圖4 送絲速度暫態(tài)測(cè)試

4 結(jié)論

（1）該設(shè)計(jì)方案硬件電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低。

（2）該設(shè)計(jì)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(cè)試中均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制算法。

（3）相對(duì)于先進(jìn)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(shí)現(xiàn)在線網(wǎng)絡(luò)控制和參數(shù)修正。

[1]杜宏旺，劉 錚.基于觀測(cè)器與前饋的送絲機(jī)模糊PI速度控制[J].焊接學(xué)報(bào)，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(jī)，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(shù)，2011（3）：82-85.

[4]張世韜，楊 風(fēng).單神經(jīng)元PID控制器研究與仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009（3）：69-70.

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

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