二維平面運動系統(tǒng)實驗平臺開發(fā)

霍 炬，龔聲民，齊 超

（1.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程系，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學 控制與仿真中心，黑龍江 哈爾濱 150080）

高等院校的本科生畢業(yè)實習是人才培養(yǎng)的必經(jīng)階段，是學生鞏固和深化所學理論知識、培養(yǎng)創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)意識、進行基本技能訓(xùn)練的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是檢驗人才培養(yǎng)目標正確與否以及人才培養(yǎng)質(zhì)量高低的重要尺度。出于學生安全、經(jīng)濟效益、企業(yè)管理等方面的考慮，大部分企業(yè)不愿接收實習生[1]。因此，建設(shè)校內(nèi)實習基地，將校內(nèi)科研設(shè)備較多、經(jīng)費比較充足的科研機構(gòu)列入學校整體建設(shè)規(guī)劃[2]，對科研設(shè)備進行相應(yīng)的改造，將科研項目與學生實習相結(jié)合，以培養(yǎng)學生的動手實踐能力與創(chuàng)新能力[3]，成為解決該問題的有效途徑。為此本文對某科研用設(shè)備“二維平面運動系統(tǒng)”的軟件控制平臺進行了二次開發(fā)，開發(fā)過程中充分考慮了對學生能力的培養(yǎng)需求、設(shè)備使用的方便性和設(shè)備的安全性要求。

1 二維平面運動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

二維平面運動系統(tǒng)主要包括3個部分：上位機、伺服系統(tǒng)和機械臺體，如圖1所示。上位機是一臺高性能工控機，通過PCI總線與運動控制卡相連，主要實現(xiàn)人機界面交互和承載系統(tǒng)的控制算法，并負責機械臺體的運動控制和邏輯控制。伺服系統(tǒng)由轉(zhuǎn)接板、濾波器、扼流圈、伺服驅(qū)動器等部件組成，統(tǒng)一安裝在標準工業(yè)機柜中，該部分是完成控制算法的執(zhí)行機構(gòu)，同時還負責系統(tǒng)各個部件的通信任務(wù)。機械部分含有兩組互相垂直的滾動直線導(dǎo)軌，保證運動部件在驅(qū)動力和負載的作用下，準確地沿著特定的方向運動，實現(xiàn)均勻、靈敏的移動和高精度定位[4]。在負載運行的極限位置上安裝有電氣和機械限位，最大程度地保障設(shè)備和實習人員的安全，設(shè)計時充分考慮了安全因素，避免人員傷害及財產(chǎn)損失[5]。機械臺體是科研任務(wù)中為成像設(shè)備提供靜止或運動負載的必要裝置，在學生生產(chǎn)實習過程中，可幫助學生充分理解電氣設(shè)備間的連接及其與機械部分的控制關(guān)系。

圖1 二維平面運動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 二維平面運動系統(tǒng)控制部分工作原理

從設(shè)備的可靠性和安全角度考慮，二維平面運動系統(tǒng)采用工控機配合運動控制卡（運動控制卡具有很好的硬件保護設(shè)計，利用該功能可以避免系統(tǒng)在調(diào)試和運行過程中出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象時對設(shè)備造成無法修復(fù)的損害）組成的二級主從式控制結(jié)構(gòu)，通過運動控制卡控制交流伺服驅(qū)動器進而實現(xiàn)對交流伺服電機的控制。

運動控制卡中含有以DSP為核心的運動控制模塊，在控制單元內(nèi)通過并行傳輸數(shù)據(jù)和指令來提高數(shù)據(jù)處理速度和伺服系統(tǒng)控制性能[6]，通過PCI總線與PC機內(nèi)的CPU進行通信，接受PC機的控制指令，再通過內(nèi)部電路進行邏輯和數(shù)字運算，為動力和執(zhí)行裝置提供準確的控制信號，進而實現(xiàn)運動控制功能[7]。

從設(shè)備的靈活性和操作的直觀性考慮，系統(tǒng)采用“PC＋運動控制卡”的全數(shù)字控制結(jié)構(gòu)，通過在上位機應(yīng)用軟件中設(shè)計閉環(huán)控制器和高精度定時器[8]，并與運動控制卡上的PID控制器相結(jié)合，構(gòu)造出一個性能比較完善的、具有雙層控制結(jié)構(gòu)的伺服控制系統(tǒng)[9]。圖2為系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖，整個系統(tǒng)可幫助學生比較直觀的理解數(shù)控系統(tǒng)工作方式。

圖2 二維平面運動系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

3 實驗平臺控制軟件設(shè)計

充分利用Windows操作系統(tǒng)人機交互方便的優(yōu)點，在 Windows下利用VC＋＋6.0開發(fā)[10]實驗平臺控制軟件。主要功能模塊：人機界面模塊、設(shè)備保護模塊、實習交互模塊和運動控制模塊。

3.1 人機界面模塊

主要完成操作界面、完成人機界面和實現(xiàn)狀態(tài)顯示功能。

（1）人機界面。利用VC開發(fā)的系統(tǒng)操作界面如圖3所示。實習人員可以通過按鈕的形式實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位、手動運行、原點位置、軌跡輸入、軌跡校驗等功能，界面上還可實時繪制負載運動曲線、負載運動狀態(tài)及運動的當前位置，并給出必要的工作指示與故障顯示信息。為避免操作人員非法操作，界面上的按鈕根據(jù)操作流程采用遞進式開啟。

圖3 實驗平臺控制軟件界面

（2）狀態(tài)顯示。實時顯示設(shè)備運行過程中的整個系統(tǒng)的狀態(tài)，包括系統(tǒng)運行時間、負載運行位置、運行速度、運動軸限位開關(guān)狀態(tài)等，確保實習人員可以監(jiān)控設(shè)備的運作情況并及時進行必要操作，保證安全運行。

3.2 設(shè)備保護模塊

該模塊的各項功能和參數(shù)為設(shè)備保護參數(shù)，實習人員不可調(diào)整，參數(shù)的調(diào)整需要管理員密碼。

（1）參數(shù)設(shè)置。對運動系統(tǒng)參數(shù)，如參考原點位置、負載運動時最大速度與加速度以及控制器相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。

（2）初始化。在電氣系統(tǒng)上電、控制系統(tǒng)軟件啟動后運行，主要包括硬件初始化和軟件初始化2個部分。硬件初始化主要完成建立與運動控制卡的正常通信；軟件初始化主要完成控制系統(tǒng)軟件相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)、功能設(shè)置的初始化。

（3）電氣自檢。主要完成對系統(tǒng)電氣連接的檢測，通過試運行一小段距離來判斷系統(tǒng)的電氣連接是否正確，以保證正式運行的安全性和準確性。

3.3 實習交互模塊

該模塊是供實習人員操作和實際鍛煉的部分，主要功能模塊如下。

（1）控制參數(shù)調(diào)整模塊。該模塊是整個計算機軟件控制部分的核心，是保證運動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)特性的前提，主要依靠軟件實現(xiàn)控制算法，實現(xiàn)整個系統(tǒng)外環(huán)控制。實習人員可在規(guī)定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)（例如P、I、D的參數(shù)及前饋等），運行相應(yīng)的參數(shù)驗證曲線形狀，如階躍、正弦曲線等，并根據(jù)精度要求和臺體的實際運行情況自行調(diào)節(jié)、控制其參數(shù)。

（2）文件管理。其按功能分為兩部分：一部分的主要功能是協(xié)助實習人員輸入兩軸聯(lián)動運動軌跡，實習人員可通過讀入編寫好的Excel格式數(shù)據(jù)文件確定負載的運動軌跡，實習人員可以方便地在軟件主界面上對所輸入的軌跡進行修改、編輯、刪除、保存等處理；另一部分的主要功能是對負載連續(xù)運動后所生成的包含負載運動軌跡數(shù)據(jù)以及位置誤差數(shù)據(jù)的保存等處理，方便實習人員在實驗完成后對這些數(shù)據(jù)進行必要分析。

（3）軌跡處理。主要是為系統(tǒng)自動化運行準備數(shù)據(jù)，不但要對實習人員輸入軌跡運行曲線的合法性與合理性進行判斷與處理，確定設(shè)備能否按給定軌跡運行，還要對可以運行的軌跡進行預(yù)處理，從中提取出各負載運行時間、位置、速度、加速度等必要的運動信息，為控制算法模塊提供必要的運行數(shù)據(jù)，當軌跡數(shù)據(jù)不合理時，將向?qū)嵙暼藛T提示相應(yīng)的錯誤代碼。

（4）軌跡繪制。根據(jù)運動位置、運動速度在運行界面上實時繪制負載的運動軌跡，幫助實習人員了解當前負載的運行狀態(tài)，提供安全、直觀觀察方式。

3.4 運動控制模塊

該模塊主要是實現(xiàn)系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制、手動運動控制、復(fù)位運動控制。

（1）手動運動控制。實現(xiàn)負載達到用戶指定的平面位置。這種控制方式要求不高，不需要實時跟蹤，只要負載到達指定位置即可，輸入負載應(yīng)到達的位置即可完成響應(yīng)的運動。

（2）軌跡跟蹤控制。控制各運動軸協(xié)調(diào)地按照給定軌跡及速度運動，實現(xiàn)軌跡跟蹤。其實現(xiàn)的基礎(chǔ)是軌跡數(shù)據(jù)點密化的插補算法[11]與基于PID的運動控制算法[12]。軟件提供的插補算法包括直線插補與圓弧插補。

（3）復(fù)位運動控制。使負載達到設(shè)置的原點，并在限位開關(guān)限制下確定負載在整個系統(tǒng)運行過程中可以運行的位置極限，為軟件保護提供限制源。

4 實驗平臺在畢業(yè)實習過程中的應(yīng)用

4.1 PID參數(shù)調(diào)整實驗

在進行控制器設(shè)計的學習過程中，往往要對系統(tǒng)進行建模，并通過仿真對控制器參數(shù)進行整定，但缺少在實際系統(tǒng)中驗證所設(shè)計的控制器這一重要環(huán)節(jié)。然而由于實際系統(tǒng)中存在著許多未知因素，且參數(shù)整定時應(yīng)用的模型也為被控對象近似模型，因此，多數(shù)情況下利用仿真求得的控制器參數(shù)并不是最優(yōu)的。為此，可利用該實驗平臺，實習人員在對其建模的基礎(chǔ)上，通過仿真初步確定控制器參數(shù)，將所設(shè)計的控制器參數(shù)寫入相應(yīng)的框中（見圖4），對其進行階躍測試或正弦測試，來驗證所設(shè)計的控制器是否滿足要求。若用戶輸入?yún)?shù)不合理而使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，這會造成一定的機械損傷，減少機械壽命，為此，在軟件中限定了控制器參數(shù)的范圍。

圖4 控制器測試

實驗時，用戶根據(jù)軟件操作流程操作，將所設(shè)計的控制器參數(shù)填入圖4中，若提示不在范圍內(nèi)，需重新計算控制器參數(shù)直至滿足要求。選擇測試動作，只有在測試曲線校驗完成且無誤后“開始測試”按鈕才有效。圖5和圖6分別顯示了經(jīng)過仿真初步設(shè)計的控制器參數(shù)以及經(jīng)過實際系統(tǒng)運行調(diào)整得到的一組比較好的參數(shù)的階躍響應(yīng)曲線。

測試正弦信號時得到的誤差曲線如圖7和圖8所示。

圖5 初步參數(shù)設(shè)計的仿真曲線

圖6 實際系統(tǒng)整定后的參數(shù)曲線

圖7 初步參數(shù)設(shè)計的正弦信號誤差仿真曲線

圖8 實際系統(tǒng)整定后的正弦測試誤差曲線

4.2 采樣周期對跟蹤精度的影響實驗

在該實驗平臺上，可對采樣周期進行修改，來觀察采樣時間對系統(tǒng)運動軌跡跟蹤性能的影響。為防止隨意設(shè)置采樣周期產(chǎn)生負載運行振蕩對機械的損害，軟件限制了采樣周期的設(shè)置范圍。超出范圍時會提示實習人員重新設(shè)置。實習人員可根據(jù)測試得到的曲線分析采樣周期對于控制性能的影響。例如，分析在采樣周期為0.01s和0.1s的情況下對系統(tǒng)進行階躍測試，得到的誤差曲線如圖9所示。

圖9 階躍測試得到的誤差曲線

在采樣周期分別為0.01s和0.05s時的正弦測試下得到的誤差曲線如圖10所示。

圖10 正弦測試得到的誤差曲線

4.3 軌跡校驗及軌跡跟蹤實驗

實驗平臺的控制軟件界面提供了直線插補與圓弧插補測試實驗，進行直線插補時，由兩軸的合成運動實現(xiàn)。進行圓弧插補時，利用數(shù)據(jù)采樣插補對圓弧進行逼近，實現(xiàn)圓弧軌跡的跟蹤。

在熟悉了直線插補與圓弧插補的基礎(chǔ)上，用戶還可以實現(xiàn)直線與圓弧軌跡的組合形式軌跡，用戶可在excel文件中輸入自己設(shè)計的曲線形式，使負載按照自己預(yù)定軌跡運動，讀入軌跡后用戶還可直接在界面中點擊數(shù)據(jù)修改。

實驗平臺軟件在軌跡運行時提供了完善的保護功能。由于負載安裝在機械臺體上，機械臺體的運動范圍是確定的，若負載的運行超出了運動范圍，有可能會損壞機械臺體，所以在每次運行前必須對數(shù)據(jù)進行校驗，保證曲線在允許運行范圍內(nèi)，并且確保運行軌跡連續(xù)且不存在速度跳變，當存在問題時，可以給實驗人員豐富的提示信息。根據(jù)提示信息將錯誤修改后再次校驗軌跡，直至負載軌跡符合要求，即可進行跟蹤實驗。

跟蹤界面如圖11所示，能實時畫出運動軌跡。跟蹤完成后，可查看跟蹤誤差曲線，對跟蹤結(jié)果進行分析。

圖11 軌跡運行時界面

5 結(jié)束語

為滿足本科校內(nèi)實習的需求，本文對“二維平面運動系統(tǒng)”的科研設(shè)備進行了二次開發(fā)，在二維平面運動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了安全性、可靠性較高的“PC＋運動控制卡”的控制結(jié)構(gòu)，完成了可供實習人員安全、方便操作的實驗平臺控制軟件開發(fā)。通過該實驗平臺具體的操作，增加了學生的感性認識和實際操作能力，并且使自動化及電氣工程類學科的學生對機械學基礎(chǔ)、自控原理等課程的抽象知識點有了直觀的理解和掌握。對于部分理解力較好的學生，可對他們進一步地進行培訓(xùn)，使他們具備一定的系統(tǒng)開發(fā)能力。

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