在汽車制造過程中,，大量應(yīng)用電液位置伺服式機(jī)械手(焊裝、噴漆),、機(jī)床(沖,、壓)以及其他加工裝置。電液位置伺服系統(tǒng)具有功率大,、響應(yīng)快,、精度高的特點(diǎn)，這就要求控制系統(tǒng)不僅有良好的定位精度,，而且要有好的伺服跟蹤性能,，因此是控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分。電液位置伺服控制系統(tǒng)的典型特征是非線性,、不確定性,、時(shí)變性、外界干擾和交叉耦合干擾等,，系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型不易建立,。因此，對(duì)電液系統(tǒng)的控制一直是一個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng)問題,。

        常規(guī)PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)意義明確,、控制的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等特點(diǎn),。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NNC)具有信息綜合、學(xué)習(xí)記憶和自適應(yīng)能力,、逼近任意非線性函數(shù)的能力,，可以處理那些難以用模型和規(guī)則描述的過程，但也存在局部最小點(diǎn),，不易達(dá)到最優(yōu)控制,。

         將NNC與PID控制相結(jié)合組成智能控制器可以取得更好的控制效果,，這里提出采用DSP實(shí)現(xiàn)NNC-PID控制器對(duì)電液位置系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，滿足電液位置伺服對(duì)控制系統(tǒng)響應(yīng)快和高精度的要求,。

1 電液位置伺服系統(tǒng)構(gòu)成

         以噴漆機(jī)械手第一關(guān)節(jié)為對(duì)象,，構(gòu)造了研究實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示,。其中反饋器件采用精密導(dǎo)電塑料電位計(jì),。整個(gè)控制系統(tǒng)以DSP為核心、由噴漆機(jī)械手第一關(guān)節(jié),、位置傳感器,、12位A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路和輸出放大驅(qū)動(dòng)電路以及上位機(jī)PC等組成,，實(shí)現(xiàn)定位和伺服跟蹤控制,。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

         TMS320F2812是TI公司推出的2000系列的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)，主要應(yīng)用在控制領(lǐng)域,。頻率達(dá)150 MHz,，定點(diǎn)32位的CPU，可運(yùn)行16×16和32×32的運(yùn)算,。片上高達(dá)128 KB的程序存儲(chǔ)器,，128 KB的ROM和18 KB的SARAM，外部接口16位數(shù)據(jù)線和19位地址線,，可外擴(kuò)l MB的ROM,。此外還集成有16通道的12位的A/D轉(zhuǎn)換器，最小化周期80 ns,，以及56個(gè)可單獨(dú)編程的通用I/0(GPIO)引腳,。高速的數(shù)字信號(hào)處理能力及豐富的外擴(kuò)資源使TMS320F2812適合應(yīng)用在要求較高的控制系統(tǒng)。

2．1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

         控制系統(tǒng)采用了PC+DSP的控制方案,，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。其中PC機(jī)主要用來顯示控制界面，調(diào)節(jié)各控制參數(shù),，實(shí)時(shí)顯示各相關(guān)信號(hào),。而DSP則完成低層的控制功能，通過A/D轉(zhuǎn)換器采集各路信號(hào),，經(jīng)過一定的算法處理后,，由D/A口輸出，以及通過I/0口,、光電隔離驅(qū)動(dòng)放大電路來控制各電磁閥的開關(guān),。同時(shí)通過通信，向PC機(jī)發(fā)送采集來的信號(hào),，并接收PC機(jī)的起動(dòng),、停止等指令以及各控制參數(shù),。

2．2 A/D轉(zhuǎn)換電路

        TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換器模塊時(shí)鐘可達(dá)25 MHz，轉(zhuǎn)化精度為12位,，可采集16個(gè)通道,，0～3 V的電壓模擬信號(hào)。多種觸發(fā)方式：軟件觸發(fā)(DOC),、事件管理器A(EVA),、事件管理器B(EVB)。其轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)與輸入電壓的關(guān)系為：數(shù)字量=4 095x(V輸入-VADCLO)/3,，其中VADCLO為各通道的基準(zhǔn)電壓,。

         在PCB布線時(shí)，信號(hào)引入端到TMS320F2812引腳的距離要盡量的短,，同時(shí)各通道遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào),，并且大面積鋪地。A/D轉(zhuǎn)換器電路模塊中J3接傳感器,，J19可接示波器等,，可供其他儀器采集數(shù)據(jù)。

2．3 I/O及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

         I/0板主要用來驅(qū)動(dòng)各電磁閥,，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)數(shù)安培,，電磁噪聲較大，各繼電器的開關(guān)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)電磁干擾,，開關(guān)的電流沖擊及電壓峰值較大,，這會(huì)影響DSP的運(yùn)行。因此與DSP主板分開布線制板,。I/O板設(shè)計(jì)中采用74LS244作為驅(qū)動(dòng)元件,，TLP521作為光電隔離和繼電器來驅(qū)動(dòng)外負(fù)載。在PCB布線時(shí),，有大電流通過的導(dǎo)線適當(dāng)加粗,，該板可驅(qū)動(dòng)8路(可擴(kuò)展至16路)的電磁閥。

2．4 通信電路

         USB通信電路設(shè)計(jì)中采用的ISPl581是Philips公司的通用串行總線接口器件,，它完全符合USB2．0規(guī)范,。支持USB2．0的自檢工作模式和USBl．1的返回工作模式，直接與ATA/ATAPI外設(shè)相連,，集成8 K字節(jié)的多結(jié)構(gòu)FIF0存儲(chǔ)器,；高速的DMA接口：7個(gè)0UT端點(diǎn)和一個(gè)固定的控制IN/OUT端點(diǎn)。通過一個(gè)高速的通用并行接口,，ISPl581為基于微控制器/微處理器的系統(tǒng)提供了高速的USB通信能力。使用已有的結(jié)構(gòu)和參考的固件,，不僅縮短了開發(fā)時(shí)間,，還減少了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用,，是一種簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)解決方案,。

        將ISPl581映射到TMS320F2812的XINTF ZoneO空間,，使用作為ISPl581的片選信號(hào)，選用TMS320F2812的1個(gè)GPIO引腳作為復(fù)位ISPl581的信號(hào),，將讀寫控制信號(hào)直接相連,，在對(duì)ISPl581操作中有重要作用的中斷信號(hào)接到DSP的XINTl，以便DSP能及時(shí)處理USB的通信中斷,，由于ISPl581的存儲(chǔ)空間是8位組織的,，而TMS320F2812的存儲(chǔ)空間是16位組織的，可將其數(shù)據(jù)線DO～D15直接相連,，ISP1581的地址線A0接地,，A1與DSP的A0相連，A2與DSP的A1相連,，依次類推至A7與DSP的A6相連,。ISP1581的工作模式選為通用處理器模式，即單獨(dú)的地址線AO～A 7,，處理器和DMA共用數(shù)據(jù)線D0～D15,，讀寫模式選為8051模式即讀寫控制為。將MODEl引腳直接與+5 V連接,，引腳ALE/AO接地,。

2．5 外擴(kuò)存儲(chǔ)器電路

         TMS320F2812將外部的存儲(chǔ)空間映射為5個(gè)16位的區(qū)域，XINTF Zone0～XINTF Zone2,、XINTF Zone 6和XINTF Zone7,。其中XINTF ZoneO和XINTF Z0nel均為8 KB，并且共用片選信號(hào),；XINTF Zone2為521 KB,，片選信號(hào)；XINTF Zone6為521 KB,，XINTF Zone7為16 KB,，共用片選信號(hào)。存儲(chǔ)器電路使用XINTF Zone2和INTF Zone6的存儲(chǔ)空間,，選用IS6lLV25616作為存儲(chǔ)器件,。將TMS320F-2812和IS61LV25616的數(shù)據(jù)線D0～D16、地址線AO～A17,、讀寫控制直接連接,，TMS320F2812的、A18通過由邏輯門器件74AC04和74LVC32組成的譯碼電路后形成片選信號(hào),，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)IS61LV25616的讀寫控制,。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器

         神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高度非線性的超大規(guī)模連續(xù)時(shí)間動(dòng)力系統(tǒng),，具有大規(guī)模并行分布處理、高度的魯棒性,、自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)聯(lián)想等能力,，它能很好地自適環(huán)境變化，自學(xué)習(xí)修改過程參數(shù),，這些特性為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到電液位置伺服系統(tǒng)控制中提供了巨大的潛力,。

3．1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。從控制系統(tǒng)框圖中可以看出,，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制包括兩個(gè)控制子模塊：NNI為被控對(duì)象模型辨識(shí)器,，NNC為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。NNC-PID控制系統(tǒng)的工作原理是：首先獲取實(shí)際被控對(duì)象的輸入輸出樣本對(duì),，然后利用NNI對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行離線辨識(shí),，當(dāng)辨識(shí)精度達(dá)到設(shè)定的要求時(shí)，通過實(shí)時(shí)調(diào)整NNC的權(quán)值系數(shù),，使系數(shù)具有自適應(yīng)性,，從而達(dá)到有效控制的目的。

3．2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器(被控對(duì)象模型辨識(shí)器NNI)

         神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器NNI采用3層串并聯(lián)BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),，包括輸入層,、隱層、輸出層,，其結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示,。網(wǎng)絡(luò)的輸入是被控對(duì)象的輸入／輸出序列[u(k)，y(k)],，網(wǎng)絡(luò)的輸出為教師信號(hào),。

網(wǎng)絡(luò)隱層的輸入輸出為：

3．3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器(單神經(jīng)元自適應(yīng)NNC-PID控制器)

          由于被控對(duì)象模型不確定、不確知,，并且存在著外界隨機(jī)擾動(dòng),，為了達(dá)到較高的控制精度，在被控對(duì)象模型離線辨識(shí)的基礎(chǔ)上,，采用單神經(jīng)元自適應(yīng)NNC-PID控制器結(jié)構(gòu),，如圖4所示。

         網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值系數(shù)值V=[v1,，v2,，v3]，即表征PID控制器的3個(gè)系數(shù)KP,，KI,，KD。，網(wǎng)絡(luò)的輸入為X=[x1,，x2,，x3]，即表征3個(gè)輸入?yún)?shù)e(k),、△e(k)、△2e(k),，網(wǎng)絡(luò)的輸出為△u(k),。

         有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，通過對(duì)權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng),、自組織功能,，控制算法和學(xué)習(xí)算法如式(10)和式(11)所示。

根據(jù)有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則,，權(quán)系數(shù)按式(12)～式(14)規(guī)律調(diào)整如下：

式中,，K為神經(jīng)元比例系數(shù)，ηI,、ηP,、ηD分別為積分、比例,、微分的學(xué)習(xí)速率,。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，使用Labview編寫的PC機(jī)程序和用C語言編寫的DSP程序,，其中PC機(jī)的程序用來顯示和處理DSP發(fā)送來的數(shù)據(jù),，并向DSP發(fā)送指令及調(diào)節(jié)參數(shù)。

         DSP的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在CCS2000的開發(fā)系統(tǒng)下采用C語言設(shè)計(jì)和編寫,，采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路,，按功能劃分軟件模塊，系統(tǒng)軟件如圖5所示,，主要由初始化模塊,、故障診斷、USB通信模塊,、機(jī)械手NNC控制學(xué)習(xí)模塊和機(jī)械手NNC-PID控制模塊等組成,。

5 試驗(yàn)結(jié)果

        對(duì)電液位置伺服機(jī)械手系統(tǒng)首先采用常規(guī)的PID控制，利用Ziegler-Nichols方法整定PID參數(shù),，即控制系統(tǒng)在純比例控制下,，調(diào)整比例增益，使系統(tǒng)達(dá)剜臨界穩(wěn)定,，記錄這時(shí)的增益ku和臨界振蕩周期Tu,，即可確定PID的參數(shù)，即：kp=0．6Tu，kI=0．5Tu,，kD=0．25Tu,，最后確定比例、積分,、微分系數(shù)分別為：kP=1．02,，kI=0．024，kD=0．006,，這時(shí)系數(shù)的位置階躍跟蹤響應(yīng)如圖6所示,。在同等情況下，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制方法對(duì)電液位置伺服機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行控制,，取NNC的初始權(quán)值為PID的調(diào)定值,，即：v1(0)=1．02，V2(0)=0．024,，V3(0)=0．00 6,，為了保證迭代的穩(wěn)定性，限制權(quán)值的迭代范圍：0．1≤v(1)≤1．3,，0．001≤v(2)≤0．06,，0．001≤v(3)≤5，這時(shí)系統(tǒng)的位置跟蹤響應(yīng)曲線如圖6所示,。通過對(duì)比可以看出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID方法,，由于具有學(xué)習(xí)能力，使系統(tǒng)很快收斂于位置穩(wěn)態(tài)值,，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制由于能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整PID參數(shù),，使系統(tǒng)的控制性能得到提高，同時(shí)對(duì)參數(shù)時(shí)變表現(xiàn)出良好的魯棒性,，很好地解決了液壓系統(tǒng)的非線性和參數(shù)時(shí)變問題,。

        需要注意的是，神經(jīng)元比例系數(shù)K的選擇對(duì)系統(tǒng)的控制性能影響最重要,，過大或過小都將導(dǎo)致系統(tǒng)性能變差,，甚至不能實(shí)現(xiàn)自尋優(yōu)和自適應(yīng)。而ηP,、ηI,、ηD對(duì)系統(tǒng)的性能影響體現(xiàn)在學(xué)習(xí)速度的快慢上。

6 結(jié)束語

        通過分析電液位置伺服機(jī)械手運(yùn)行調(diào)試的特點(diǎn)及其對(duì)控制器電路的要求,，采用一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器的PC機(jī)+DSP的控制方案,，對(duì)電液位置伺服PC機(jī)+DSP控制系統(tǒng)硬、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),，并詳細(xì)分析了硬件各控制子系統(tǒng)的功能,、特點(diǎn)及制版要求，說明了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID的控制器軟件設(shè)計(jì)過程以及軟件的編制和調(diào)試。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室對(duì)比運(yùn)行說明,，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器的電液位置伺服機(jī)械手PC機(jī)+DSP控制系統(tǒng)的控制效果良好,，控制器工作可靠，并且參數(shù)調(diào)節(jié)方便,。