在汽車制造過程中，大量應(yīng)用電液位置伺服式機械手(焊裝,、噴漆),、機床(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，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,、時變性、外界干擾和交叉耦合干擾等,，系統(tǒng)精確的數(shù)學模型不易建立,。因此，對電液系統(tǒng)的控制一直是一個復雜控制系統(tǒng)問題,。

　　常規(guī)PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單,、參數(shù)意義明確、控制的動態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等特點,。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NNC)具有信息綜合、學習記憶和自適應(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,，不易達到最優(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實現(xiàn)NNC-PID控制器對電液位置系統(tǒng)進行智能控制,，滿足電液位置伺服對控制系統(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

　　以噴漆機械手第一關(guān)節(jié)為對象，構(gòu)造了研究實驗裝置,，如圖1所示,。其中反饋器件采用精密導電塑料電位計。整個控制系統(tǒng)以DSP為核心,、由噴漆機械手第一關(guān)節(jié),、位置傳感器、12位A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器,、信號調(diào)理電路和輸出放大驅(qū)動電路以及上位機PC等組成,，實現(xiàn)定位和伺服跟蹤控制。

　　2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　TMS320F2812是TI公司推出的C2000系列的數(shù)字信號處理(DSP),，主要應(yīng)用在控制領(lǐng)域,。頻率達150 MHz,，定點32位的CPU，可運行16×16和32×32的運算,。片上高達128 KB的程序存儲器,，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個可單獨編程的通用I／0(GPIO)引腳,。高速的數(shù)字信號處理能力及豐富的外擴資源使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機主要用來顯示控制界面，調(diào)節(jié)各控制參數(shù),，實時顯示各相關(guān)信號,。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,，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)動放大電路來控制各電磁閥的開關(guān),。同時通過通信，向PC機發(fā)送采集來的信號,，并接收PC機的起動,、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)換器模塊時鐘可達25 MHz,，轉(zhuǎn)化精度為12位,，可采集16個通道，0～3 V的電壓模擬信號,。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為各通道的基準電壓。

　　在PCB布線時,，信號引入端到TMS320F2812引腳的距離要盡量的短,，同時各通道遠離數(shù)字信號，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)動設(shè)計

　　I／0板主要用來驅(qū)動各電磁閥,，驅(qū)動電流可達數(shù)安培,，電磁噪聲較大，各繼電器的開關(guān)會產(chǎn)生較強電磁干擾,，開關(guān)的電流沖擊及電壓峰值較大,，這會影響DSP的運行。因此與DSP主板分開布線制板,。I／O板設(shè)計中采用74LS244作為驅(qū)動元件,，TLP521作為光電隔離和繼電器來驅(qū)動外負載。在PCB布線時,，有大電流通過的導線適當加粗,，該板可驅(qū)動8路(可擴展至16路)的電磁閥。

　　2．4 通信電路

　　USB通信電路設(shè)計中采用的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存儲器,；高速的DMA接口：7個0UT端點和一個固定的控制IN／OUT端點。通過一個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)時間,，還減少了開發(fā)風險和費用，是一種簡捷,、經(jīng)濟的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,，選用TMS320F2812的1個GPIO引腳作為復位ISPl581的信號,，將讀寫控制信號直接相連，在對ISPl581操作中有重要作用的中斷信號接到DSP的XINTl,，以便DSP能及時處理USB的通信中斷,，由于ISPl581的存儲空間是8位組織的，而TMS320F2812的存儲空間是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 外擴存儲器電路

　　TMS320F2812將外部的存儲空間映射為5個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,；XINTF Zone2為521 KB,，片選信號；XINTF Zone6為521 KB,，XINTF Zone7為16 KB,，共用片選信號。存儲器電路使用XINTF Zone2和INTF Zone6的存儲空間,，選用IS6lLV25616作為存儲器件,。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,，從而實現(xiàn)了對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)是一個高度非線性的超大規(guī)模連續(xù)時間動力系統(tǒng)，具有大規(guī)模并行分布處理,、高度的魯棒性,、自適應(yīng)性和學習聯(lián)想等能力，它能很好地自適環(huán)境變化,，自學習修改過程參數(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控制包括兩個控制子模塊：NNI為被控對象模型辨識器，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：首先獲取實際被控對象的輸入輸出樣本對,，然后利用NNI對被控對象進行離線辨識，當辨識精度達到設(shè)定的要求時,，通過實時調(diào)整NNC的權(quán)值系數(shù),，使系數(shù)具有自適應(yīng)性,，從而達到有效控制的目的。

　　3．2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器(被控對象模型辨識器NNI)

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器NNI采用3層串并聯(lián)BP網(wǎng)絡(luò)實現(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)的輸入是被控對象的輸入／輸出序列[u(k)，y(k)],，網(wǎng)絡(luò)的輸出為教師信號,。

　　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)

　　由于被控對象模型不確定、不確知,，并且存在著外界隨機擾動,，為了達到較高的控制精度，在被控對象模型離線辨識的基礎(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個系數(shù)KP,，KI,，KD。,，網(wǎng)絡(luò)的輸入為X=[x1,，x2，x3],，即表征3個輸入?yún)?shù)e(k),、△e(k)、△2e(k),，網(wǎng)絡(luò)的輸出為△u(k),。

　　有監(jiān)督的Hebb學習規(guī)則,，通過對權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)自適應(yīng),、自組織功能，控制算法和學習算法如式(10)和式(11)所示,。

　　根據(jù)有監(jiān)督的Hebb學習規(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,、微分的學習速率,。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為兩部分，使用Labview編寫的PC機程序和用C語言編寫的DSP程序,，其中PC機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)計是在CCS2000的開發(fā)系統(tǒng)下采用C語言設(shè)計和編寫,，采用自頂向下的設(shè)計思路,，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,、機械手NNC控制學習模塊和機械手NNC-PID控制模塊等組成,。

　　5 試驗結(jié)果

　　對電液位置伺服機械手系統(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)達剜臨界穩(wěn)定,，記錄這時的增益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控制方法對電液位置伺服機械手系統(tǒng)進行控制,，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，這時系統(tǒng)的位置跟蹤響應(yīng)曲線如圖6所示,。通過對比可以看出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID方法,，由于具有學習能力，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調(diào)整PID參數(shù),，使系統(tǒng)的控制性能得到提高，同時對參數(shù)時變表現(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)時變問題,。

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

　　6 結(jié)束語

　　通過分析電液位置伺服機械手運行調(diào)試的特點及其對控制器電路的要求,，采用一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器的PC機+DSP的控制方案,，對電液位置伺服PC機+DSP控制系統(tǒng)硬、軟件進行設(shè)計,，并詳細分析了硬件各控制子系統(tǒng)的功能,、特點及制版要求，說明了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID的控制器軟件設(shè)計過程以及軟件的編制和調(diào)試,。經(jīng)過實驗室對比運行說明,，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC-PID控制器的電液位置伺服機械手PC機+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,。