基于神經元的瓦楞橫切機實時控制系統設計*

劉 峰, 張 丹, 熊 磊, 朱清慧, 高世橋

(1. 南陽理工學院 電子與電氣工程學院，河南 南陽 473004;2. 北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

基于神經元的瓦楞橫切機實時控制系統設計*

劉 峰1,2, 張 丹1, 熊 磊1, 朱清慧1, 高世橋2

(1. 南陽理工學院 電子與電氣工程學院，河南 南陽 473004;2. 北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

對基于瓦楞橫切機的交流伺服控制系統進行數學建模并進行理論分析。為解決瓦楞機上位機操作系統實時性能差的缺點并提高控制系統的控制精度,系統采用“Windows+RTX”作為瓦楞機的上位機軟件運行平臺。DSP作為目標嵌入式，利用雙口RAM實現數據交互，控制系統采用神經元PID的控制算法，使控制系統具有良好的自學習能力、響應速度快、超調量小等優點。試驗結果表明，采用此方案，控制系統自動化程度高、切割精度高、性能穩定。

交流伺服;神經元PID;非線性;實時性能

0 引 言

橫切機是瓦楞紙板生產線終端上的一個非常重要的設備。瓦楞紙的品質、損耗、優良率和生產效率主要受橫切機性能的影響。橫切機是瓦楞紙生產線上關于電氣部分最為復雜的機電設備之一[1]。瓦楞橫切機的主要功能是對生產線上連續滾出的瓦楞紙板實現定長動態的剪裁，即剪刀剪切時，剪刀速度能夠跟隨瓦楞紙板的速度而變化；同時要求在瓦楞紙滾動輸出過程能夠實時實現定長控制，也即瓦楞橫切機要同時實現位置和速度的實時控制。由于送紙的速度隨時會發生變化，剪切的長度也是隨時變化的，因此在位置環研究神經元控制算法，使控制系統具有良好的自學習能力，調節速度快，便于實現實時控制。瓦楞橫切機控制系統在“飛剪”領域屬于運動控制技術，但是由于控制精度和控制系統的復雜性，過去一直都是整套從國外進口，價格昂貴，服務很不方便。近年，隨著國內包裝業的迅猛發展和人民對生活質量品質的提高，人們對瓦楞紙板的品質和規格提出了更高的需求，就要求橫切機控制系統具有更高的性能指標，如切割的精度、速度、范圍、設備可靠度、操作便利性等。Windows操作系統有漂亮的人機交互界面和強大的功能,方便開發人員在Windows操作系統上開發，因此在Windows平臺下研究基于橫切機的交流伺服控制系統具有重大意義。Windows操作系統的實時性能很差是因為調度規則是依據線程時間片和優先級，因此實時性要求比較高的控制系統在Windows環境下難以處理。Ardence公司推出的實時擴展子系統(Real-Time Extension,RTX)，硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer,HAL)被修改和擴充后, 形成一個和Windows操作系統獨立并發運行的實時子系統。這樣就可以有效解決基于Windows操作系統的控制系統實時性能差的問題[2-4]。

本課題研究的是基于神經元的瓦楞橫切機控制系統，而永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)是橫切機控制系統的執行機構，但由于該伺服控制系統是一個多變量、強耦合、非線性系統，所以為了實現比較高的剪切精度和實時性能,要求控制系統具有響應速度快、輸出穩定性好,并能夠抑制負載的擾動和系統參數變化的魯棒性等特點，即要選擇恰當的控制策略。可是傳統的PID只能適應精確的數學模型，不能用于處理非線性控制系統。此外，計算機的處理方法是基于串行的理念，而神經網絡算法基于并行處理能力的設計理念，這兩種設計理念相互矛盾，所以實時性要求比較高的控制系統在計算機上很難保證。因此，使用神經元PID作為控制算法[5-8]，設計了一個以DSP為核心的運動控制卡，以智能功率模塊為主功率開關器件，采用PCI9054接口卡將計算機的信息高速并行處理能力和運動控制器的運動控制能力結合起來[6]，實現在Window平臺上對基于PMSM的交流伺服電機的控制，同時憑借實時操作子系統RTX，不僅控制系統的實時性容易保證，而且計算比較簡單。

1 瓦楞橫切機控制系統總體設計

瓦楞橫切機的工作原理如圖1所示。系統工作時，前道工序送來的紙板從進料口開始進來并按照箭頭方向運動，紙板帶動進紙輥運動，拖紙輥拖動紙板并帶動安裝有編碼器的測量輪一起轉動，出紙輥上的兩個剪刀被PMSM驅動用來相對運動，剪刀每旋轉一周，自動切斷紙板一次。橫切機控制系統根據上位機軟件傳送過來的剪切長度和張數自動實現剪切，控制系統還要求剪切的速度和送紙的速度實現同步。系統實時監測送紙速度和長度，當送紙的長度接近預設長度時，出紙輥起動，在計算機的控制下，上下兩個剪刀加速運動，并且保證水平方向的速度和送紙的線速度同步。

圖1 瓦楞橫切機控制原理圖

1.1PMSM的矢量控制系統

圖2 三相PMSM的矢量圖

矢量控制的基本思想就是通過坐標變化，將電機定子電流轉換成產生磁通的直軸分量和產生轉矩的交軸分量[2]。為了便于對PMSM進行分析和控制，對PMSM進行數學建模。以PMSM轉子磁鏈方向為d軸，d軸滯后q軸90°建立坐標系，即建立為dq坐標系。此坐標系跟隨電機轉子按照同步速ωr旋轉，則在此dq坐標下的三相永磁同步電動機矢量結構圖如圖2所示。

圖2中as為定子a相繞組線，β為永磁體勵磁磁場軸線(d軸)和定子三相電流合成空間矢量is之間的夾角，又稱轉角矩。θ為d軸軸線和a相繞組軸線之間的夾角，可以推出dq坐標系下，PMSM電機的數學模型。

電勢方程為

式中:Ld、Lq,Id、Iq,ud、uq——電樞等效電感、定子電流、定子電壓在d、q軸上的分量；

Rs——相繞組等效電阻；

ωr——d、q坐標系下的轉子角頻率；

ψr——d、q坐標系下的轉子等效磁鏈；

電磁轉矩方程：

式中:Te——電磁轉矩;

p——磁極對數;

ψd、ψq——d、q坐標系下的等效磁鏈。

1.2PMSM伺服控制器的設計

根據PMSM的矢量控制原理，設計一個電流環、速度環、位置環的三閉環控制系統。首先使Id=0，將PMSM的數學模型簡化如下：

將上述模型進行拉普拉斯變化，可得三相PMSM的解耦傳遞函數。圖3為結構框圖，其中令Kt=pψr。PMSM數學模型被簡化后加入位置環、速度環、電流環后，就可以構成位置式伺服控制系統，結構圖如圖4所示。

圖3 PMSM結構框圖(S域)

圖4 PMSM位置伺服系統結構圖

1.3位置環單神經元PID控制器的設計

在交流電機伺服系統中，為了保證被控對象的靜態精度和實現動態的快速跟蹤能力，外環為位置環，主要依據設定的位置信號和反饋的實際位置，實現對電機的位置控制。在瓦楞橫切機的伺服控制系統中，位置環主要功能有限位、歸零和準確定位等。此外,位置環節中機械部分存在著非線性因素和模型參數的時變特性，以及存在著干擾信號。依據控制系統動態性能的要求，要求位置環有比較高的跟蹤能力，并且超調量和穩態誤差都比較小。采用傳統的PID控制器不能滿足控制系統這些動態性能的要求，為了充分利用神經元網絡并行處理能力和PID控制器的優點，采用神經元PID控制器。這樣不但提高了系統的自適應能力而且使控制系統具有良好的魯棒特性。

根據圖4，按照典型I型系統對電流環進行校正，按照典型Ⅱ型系統對速度環進行校正，位置環被控對象的傳遞函數可以描述為

圖5 神經元位置伺服控制系統的原理圖

單神經元自適應PID控制器通過迭代算法便能夠在線實時調整神經元加權系數，快速準確地實現位置跟蹤；模型本身的參數變化對其影響較小，達到了高精度控制的要求。

2 PMSM伺服控制器硬件設計

PMSM伺服控制器硬件電路如圖6所示。由于本系統采用驅動系統、運動控制器、友好人機交互界面組成。驅動系統采用交流伺服驅動，以DSP(TMS320F2812)作為運動控制器。交流伺服驅動部分主要包括DSP主控電路、功率驅動電路、反饋及保護電路，其中整流部分由4個二極管組成的全橋整流電路，6個IGBT元件構成的開關電路構成了逆變部分，可以控制輸出三相相位分別相差120°的三相對稱電壓。

圖6 PMSM伺服系統硬件連接圖

為了提高操作系統的實時性能和控制系統的控制精度，運動控制器TMS320F2812作為核心器件，通過借助PCI總線來實現PC機和DSP之間的高速雙向通信。PCI接口卡的硬件設計如圖7所示。DSP和計算機之間傳遞數據是通過PCI9054的局部總線和雙端口RAM中實現高速數據傳輸，16 bit存儲轉接電路由兩片雙端口RAM芯片CY7C131組成。但是CY7C131和PCI9054的供電電壓均為5 V，而TMS320F2812的供電電壓卻是3.3 V，因此導致接口電路不匹配，需要添加電平轉換電路，通過復雜邏輯控制芯片EPGA7032LC44來轉換PCI9054和TMS320F2812的控制信號之間的控制邏輯[7]。

3 PMSM控制系統的軟件設計

上述控制系統設計的神經元PID控制器，可以確保控制系統的跟隨能力強。要想做到伺服控制系統在Windows平臺下具有較高的實時性能和控制精度，必須將實時子系統RTX引入到Windows操作系統,來解決Windows操作系統實時性能差的問題。下位機由TMS320F2812型DSP芯片構成的主電路組成,該芯片支持C語言編程和匯編語言，可以充分利用DSP的高效性能和控制能力強的優點。

3.1DSP系統初始化和控制主程序的設計

系統軟件主要是配合硬件完成控制任務。本文主要采用模塊化設計，由主程序、切割子程序、中斷服務子程序等組成。主程序主要完成系統的初始化，切割子程序主要通過PWM的輸出值，生成刀輥的運動軌跡，完成切割任務。切割程序的流程圖如圖8所示。

圖8 切割子程序流程圖

3.2PCI驅動程序在RTX環境下的開發

在Windows平臺上引入RTX實時子系統,操作系統實時性差的問題可以有效解決。為了能夠在Windows平臺上實現實時控制，需要開發內核層的驅動程序。由于內核層中的驅動程序可以直接操作硬件，所以可以通過在內核層中開發RTX環境下的PCI驅動來實現計算機和外部接口的實時性。

開發基于RTX實時子系統下的PCI設備驅動程序，首先要遍歷所有的PCI設備，然后根據廠商編號和設備編號來確定具體的設備，這樣中斷號和映射基地址等信息就可以通過配置空間寄存器獲取。為了直接通過內部寄存器來讀寫硬件，必須進行端口使能或者內存地址映射。在設備關閉時還要關閉I/O端口并釋放虛擬內存。

4 PMSM控制系統的試驗及仿真

根據瓦楞橫切機控制系統中的交流伺服電動機提供的參數：nN=2 000 r/min，TN=7.7 N·m，IN=9 A，在不考慮摩擦力的情況下，可以令B=0,Ks=38，J=1.58×10-3kg·m2，Tm=2.44×10-3s,Ts=5×10-5s。

電機的轉矩常數：

Kt=TN/IN=0.86 N·m/A

τn=5×2Ts=5×10-4

將上述參數代入式(6)，PMSM伺服系統的傳遞函數可以描述為

G(s)=

圖9 PMSM伺服系統矢量控制仿真結構圖

圖10 SVPWM控制輸出的三相定子電流

圖11 SVPWM控制輸出的電磁轉矩

圖12 SVPWM控制輸出的轉子角速度

通過搭建基于SVPWM的PMSM控制系統的仿真模型如圖9所示，并將電機參數代入PMSM本體模型中進行仿真，仿真結果如圖10～圖12所示。圖10是三相定子電流的仿真輸出。從圖10和圖12可以看出，電機在起動時電流能夠迅速上升并達到最大值，速度也能夠快速的上升為2 000 r/min，在0.05 s時突然給電機加上負載轉矩(2 N·m), 電流經過一個輕微的振蕩過程后迅速穩定在一個新值。通過圖11可以看出電磁轉矩同三相電流值一樣在0.05 s時，經過輕微的振蕩后，能夠快速穩定在一個新值。綜上所述電流響應快、轉矩脈動小，轉矩控制性能良好,轉子角速度ω對于突加負載轉矩幾乎不受干擾，能夠快速穩定到給定速度。

根據位置環的傳遞函數式(7)，在MATLAB/Simulink中對該模型用神經元PID進行仿真，如圖13所示。

圖13 神經元PID控制器

取學習速率η=0.25，動量因子α=0.03。取正弦輸入函數分別是rin(t)=0.5 sin(4πt)，訓練學習后的神經元PID控制器的正弦波位置跟蹤圖如圖14所示。

圖14 神經元PID正弦跟蹤曲線

從圖14可以看出，訓練后的神經元PID控制系統，通過梯度下降法調整權值，能夠自學習、自適應能力，不僅響應速度快、穩態誤差小、超調量小，并且跟隨性能好，能夠克服傳統PID需要準確的數學模型。

5 結 語

根據瓦楞紙板的工藝要求，以及對橫切機的控制性能進行分析，對交流伺服電動機進行數學建模及理論分析，并采用高性能的TMS320F2812和矢量控制技術，設計了一個高性能的伺服驅動器，實現對交流伺服電動機的高精度控制。針對上位機弱實時性的缺點，通過引入”RTX”實時操作子系統，并通過PCI9054和雙口RAM實現DSP和上位機之間的實時數據傳遞和控制。針對瓦楞橫切機位置環存在著時變和非線性因素，采用神經元PID作為控制策略。經試驗驗證，在瓦楞橫切機送紙速度為150 m/min情況下，瓦楞紙剪切長度為2 000 mm時，其精度可以控制在±1 mm內。本系統可以方便的在線設定參數，人機交互性好，自動化程度高，性能穩定，可以滿足瓦楞橫切機高精度控制的要求。

[1] 李斌.瓦楞紙制造過程效能優化控制系統研究[D].廣州:廣州工業大學,2014.

[2] 高嵩,史激特,李長紅,等.基于DSP的永磁同步電動機矢量控制系統設計[J].測控技術,2016,35(4): 75-78.

[3] 張鋒.基于RTX的三軸轉臺控制系統研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

[4] 仝光恒,高唯,曾一,等.基于RTX嵌入式系統的激光目標模擬系統設計[J].光電技術應用,2016,31(1): 6-10.

[5] 廖健,孫啟兵.無閥電液伺服裝置的單神經元自適應PID控制研究[J].海軍工程大學學報,2015,27(6): 93-98.

[6] 吳劍波,朱世強,羅佳利,等.基于DSP運動控制器的PCI總線設計[J].工業控制計算機,2008,21(11): 16-19.

[7] 高菲.高精度全閉環伺服系統研究[D].青島:青島大學,2008.

[8] 周曉華,李振強,劉勝永.無刷直流電動機神經元變結構PID調速系統研究[J].電機與控制應用,2016,43(1): 12-16.

Real-TimeControlSystemDesignofCorrugatedCutMachineBasedonNeuralElement*

LIUFeng1,2,ZHAGNDan2,XIONGLei2,ZHUQinghui2,GAOShiqiao1

(1. School of Electronics and Electrical Engineering, Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004, China;2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, China)

In order to improve the real-time performance and control precision of corrugated crosscut machine, on the basis of AC servo control system mathematical modeling, because windows operating system had the shortcoming of weak real-time characteristics, the system “Windows+RTX” as the PC software operating platform was adopted. DSP as the target embedded system, data interaction by using dual port RAM, control system by using neuron PID algorithm, had the advantages of good self-learning ability, adjusting speed fast and small overshoot etc. The study showed that the control system had the advantage of high automation degree, high cutting precision and stable performance.

ACservo;neuronPID;nonlinear;real-timeperformance

國家自然科學基金項目：變摻雜NEA GaN光電陰極材料特性與量子效率理論研究(61371058)

劉 峰(1983—)，男，博士研究生，講師，研究方向為電機的微機控制。

張 丹(1980—)，女，碩士研究生，實驗師，研究方向為控制工程與控制技術。

熊 磊(1982—)，男，碩士研究生，講師，研究方向為電氣工程。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)10- 0019- 06

2016 -11 -21