基于ＤＳＰ＋ＣＰＬＤ的伺服控制卡的設計

摘 要：設計一種基于DSP＋CPLD的伺服控制卡,在控制算法上,采用單神經(jīng)元PID及CMAC相結(jié)合的伺服運動控制算法。其中單神經(jīng)元PID能在被控對象的參數(shù)改變或者外部環(huán)境變化時,在線實時自動地調(diào)整參數(shù)；CMAC網(wǎng)絡用來完成復雜非線性被控對象的逆模型控制,具有運算量小,收斂速度快,且無局部極小點等優(yōu)點。仿真結(jié)果證明該算法綜合了CMAC和單神經(jīng)元的優(yōu)點,具有更好的魯棒性和抗干擾能力。

關鍵詞：運動控制卡；單神經(jīng)元；CMAC；單神經(jīng)元PID

中圖分類號：TN911.23 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-142-03

Design of the Servo Control Board Based on DSP＋CPLD

LIAO Yongzhong

(Hunan First Normal College,Changsha,410002,China)

Abstract：The servo control board based on DSP＋CPLD is designed.For the control algorithm,combining single neuron PID with CMAC to control system is used.The single neuron PID is applied to accomplish the online self-adjustment of PID control parameters when environment has changed.CMAC is used to control the inverse model of complex nonlinearity object.It achieves less operation complexity and faster convergence rate,and has no local minimal value.Finally,simulative results show that the control algorithm integrating advantages of both single neuron PID and CMAC has strong robustness and anti-disturbance ability.

Keywords：motion control board;single neuron;CMAC;single neuron PID

0 引 言

隨著先進制造技術的迅速發(fā)展,對運動控制的精度要求也越來越高,而運動伺服控制系統(tǒng)的性能很大程度上取決于伺服控制算法,通過運動控制與智能控制的融合,從改進傳統(tǒng)的PID控制,到現(xiàn)代的最優(yōu)控制、自適應控制、智能控制技術,應用先進的智能控制策略達到高質(zhì)量的運動控制效果,已經(jīng)成為當前研究的一個熱點［1］。

由于運動伺服控制系統(tǒng)中存在負載模型參數(shù)的變化,機械摩擦、電機飽和等非線性因素,造成受控對象的非線性和模型不確定性,使得需要依靠精確的數(shù)學模型,系統(tǒng)模型參數(shù)的常規(guī)PID控制很難獲得超高精度、快響應的運動軌跡的要求。因此伺服控制系統(tǒng)越來越多采用PID與其他新型控制算法相結(jié)合的控制方式,如人工智能與專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等［2］,這里設計了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法的運動伺服控制卡,采用DSP＋CPLD的硬件平臺,采用單神經(jīng)元PID與CMAC并行控制的伺服控制算法,通過對伺服電機的控制實現(xiàn)對位置的閉環(huán)控制。仿真和實踐結(jié)果證明,這種運動控制算法有魯棒性和抗干擾能力。

1 硬件設計

該運動控制卡是以PC機作為主機的運動控制卡,選用DSP作為核心微處理器,卡上集成編碼器信號采集和處理電路,D/A輸出電路,擴展存儲器電路和DSP-PC通信電路。PC機把粗處理的數(shù)據(jù)通過DSP-PC通信接口傳遞給運動控制系統(tǒng),DSP通過對光電編碼器反饋信號處理電路的結(jié)果分析,計算出與給定位置的誤差值,再通過軟件位置調(diào)節(jié)器獲得位置控制量,計算出運動速度控制量,產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換將模擬電壓量送給伺服放大器,通過對伺服電機的控制實現(xiàn)對位置的閉環(huán)控制。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

選用美國TI公司的16位定點DSP TMS320LF2407A作為運動控制器的核心處理器,地址譯碼、時序邏輯、編碼器信號處理電路用CPLD來完成,用PCI接口芯片實現(xiàn)雙口RAM與PC機的通信,雙口RAM用來存儲和緩沖DSP與PC機間的通信數(shù)據(jù),SRAM用來存儲運動控制器運行時的程序和數(shù)據(jù)。

圖1 運動控制卡系統(tǒng)原理圖

2 控制算法的設計

2.1 控制模型

在運動控制伺服系統(tǒng)中,需要控制的系統(tǒng)參數(shù)主要有位置、速度、加速度、輸出扭矩/力矩等。傳統(tǒng)的位置伺服控制策略是以PID控制為代表,但需依靠精確的數(shù)學模型,系統(tǒng)模型參數(shù)的變化及非線性因素等都會對常規(guī)PID的精確調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響,因而PID對非精確、非線性對象的控制往往難以取得很好的控制效果。

CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡具有處理非線性和自學習的特點,而且該控制網(wǎng)絡的學習速度快。目前在工業(yè)中關于CMAC控制器的結(jié)構(gòu)大都采用常規(guī)PD和CMAC并行的控制結(jié)構(gòu),它在階躍輸入或跟蹤方波信號時,具有輸出誤差小,魯棒性強等特點,然而在跟蹤連續(xù)變化信號時,卻容易產(chǎn)生過學習現(xiàn)象,進而導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為此,設計一種單神經(jīng)元PID與CMAC復合控制的控制算法,用單神經(jīng)元PID替代常規(guī)PID控制,由神經(jīng)元來在線調(diào)整PID控制參數(shù),利用神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習和自適應能力,來改善系統(tǒng)的跟隨性能。該算法的構(gòu)成簡單,易于實現(xiàn),能夠適應環(huán)境的變化,有較強的魯棒性。仿真結(jié)果證明該算法具有較小的跟隨誤差,良好的魯棒性和抗干擾能力,其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 單神經(jīng)元PID與CMAC復合控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 并行控制算法的設計

由圖2綜合單神經(jīng)元PID與CMAC控制算法,得到單神經(jīng)元PID與CMAC并行控制完整的控制算法如下：

up(k)=up(k-1)+K∑3i=1w′ixi

w′i(k)=wi(k)/∑3i=1wi(k)

un(k)=∑Ci=1wniai

w1(k+1)=w1(k)+ξ1Ke(k)·

sign祔祏(k-1)〗

w2(k+1)=w2(k)+ξ2Ke(k)·

sign祔祏(k-1)〗

w3(k+1)=w3(k)+ξ3Ke(k)·

sign祔祏(k-1)〗

sign(x)=1,x≥0

-1,x＜0

u(k)=up(k)+un(k)

wn(k)=wn(k-1)+Δwn(k)+α(wn(k)-

wn(k-1))

Δwn(k)=ηup(k)cai(1)

其中:η,ξ為網(wǎng)絡學習速率；α為慣性系數(shù)。

2.3 算法的實現(xiàn)、仿真和結(jié)果分析

已知一位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)z變換后的表達式為：

GK(z)=az -1+bz -21-cz -1+z -2d=

0.06z -1+0.057 85z -21-1.879 9z -1+0.879 9z -2(2)

采用的單神經(jīng)元PID及CMAC相結(jié)合的復合控制算法,完成對位置伺服控制器典型輸入斜坡輸入響應的仿真實驗。

圖3和圖4分別是位置伺服系統(tǒng)的單位斜坡輸入響應曲線圖,通過對圖形的分析,可以看出,單神經(jīng)元PID與CMAC相結(jié)合控制算法比常規(guī)PID控制算法有更小的跟隨誤差,直接決定該控制系統(tǒng)的控制精度。 圖4是在輸出端加入10%的階躍擾動后,兩種控制算法的輸出曲線圖,

由圖可知單神經(jīng)元PID與CMAC相結(jié)合控制算法比常規(guī)PID控制算法有更好的抗干擾能力。

3 結(jié) 語

針對位置伺服控制系統(tǒng)的特點,設計了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法的伺服運動控制卡,將單神經(jīng)元PID與CMAC并行控制的伺服控制算法應用在位置伺服系統(tǒng)的位置環(huán)控制。仿真結(jié)果證明了該控制算法較常規(guī)PID控制有更好的動態(tài)特性、控制精度、抗干擾能力,而且具有自適應功能。

圖3 單位斜坡輸入時系統(tǒng)的輸出曲線

圖4 增益K加擾動后單位斜坡輸入時系統(tǒng)輸出曲線

參考文獻

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作者簡介

廖永忠 男,1975年出生,湖南津市人,碩士研究生,講師,工程師。研究方向為信號處理、電子、通信。