基于DSP NNC-PID的電液位置伺服控制系統(tǒng)設計

梁玉紅

（湖北汽車工業(yè)學院 電子信息系，湖北 十堰 442002）

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。

圖1 電液位置伺服控制系統(tǒng)組成

圖2 DSP控制系統(tǒng)原理

2 控制系統(tǒng)硬件設計

TMS320F2812是TI公司推出的2000系列的數(shù)字信號處理（DSP），主要應用在控制領域。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1 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/O（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適合應用在要求較高的控制系統(tǒng)[1]。

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/O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=4 095×（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)動設計

I/O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[2]。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通信電路設計中采用的ISP1581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USB1.1的返回工作模式，直接與ATA/ATAPI外設相連，集成8 K字節(jié)的多結(jié)構(gòu)FIFO存儲器；高速的DMA接口；7個OUT端點和一個固定的控制IN/OUT端點[3]。通過一個高速的通用并行接口，ISP1581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外設解決方案。

將ISP1581映射到TMS320F2812的XINTF Zone0空間，使用XZCS0AND1作為ISP1581的片選信號，選用TMS320F2812的1個GPIO引腳作為復位ISP1581的信號，將讀寫控制信號直接相連，在對ISP1581操作中有重要作用的中斷信號接到DSP的XINT1，以便DSP能及時處理USB的通信中斷，由于ISP1581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D0～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A0～A7，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WR、RD。將MODE1引腳直接與+5 V連接，引腳ALE/A0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 Zone 7。其中XINTF Zone0和XINTF Zone1均為8 KB，并且共用片選信號 XZCS0AND1；XINTF Zone2為 521 KB，片選信號XZCS2；XINTF Zone6 為 521 KB，XINTF Zone7 為 16 KB，共用片選信號XZCS6AND7。存儲器電路使用XINTF Zone2和INTF Zone6的存儲空間，選用IS61LV25616作為存儲器件[4]。將 TMS320F2812和IS61LV25616的數(shù)據(jù)線 D0～D16、地址線A0～A17、 讀寫控制 XWE、XRD 直接連接，TMS320F2812 的XZCS2、XACS6AND7、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CS，從而實現(xiàn)了對IS61LV25616的讀寫控制。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡NNC-PID控制器

神經(jīng)網(wǎng)絡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)絡應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PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

神經(jīng)網(wǎng)絡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PID控制器[1]。

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)具有自適應性，從而達到有效控制的目的。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡辨識器（被控對象模型辨識器NNI）

神經(jīng)網(wǎng)絡辨識器NNI采用3層串并聯(lián)BP網(wǎng)絡實現(xiàn)[1]，包括輸入層、隱層、輸出層，其結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。網(wǎng)絡的輸入是被控對象的輸入/輸出序列[u（k），y（k）]，網(wǎng)絡的輸出為教師信號y^（k）。

圖3 NNC系統(tǒng)組成

網(wǎng)絡隱層的輸入輸出為：

式中，I0（k）=1；1wi0為閾值。

活化函數(shù)采用正負對稱型的Sigmoid函數(shù)：

網(wǎng)絡輸出層的輸出為：

式中，O0（k）=1，2w0為閾值，p 是隱層節(jié)點的個數(shù)。

準則函數(shù)：

網(wǎng)絡權(quán)值的調(diào)整算法采用具有阻尼項的BP算法：

則

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡NNC-PID控制器（單神經(jīng)元自適應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上，采用單神經(jīng)元自適應NNC-PID控制器結(jié)構(gòu)[5]，如圖4所示。

圖4 單神經(jīng)元NNC-PID控制器結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡的權(quán)值系數(shù)值V=[v1，v2，v3]，即表征PID控制器的3個系數(shù) KP，K1，KD，網(wǎng)絡的輸入為 X=[x1，x2，x3]，即表征 3 個輸入?yún)?shù) e（k）、Δe（k）、Δ2e（k），網(wǎng)絡的輸出為 Δu（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、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)，η1、ηP、ηD分別為積分、比例、微分的學習速率。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要分為兩部分，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)軟件設計是在CCS2000的開發(fā)系統(tǒng)下采用C語言設計和編寫，采用自頂向下的設計思路，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[6]。

圖5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

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)達到臨界穩(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如圖6所示。在同等情況下，采用神經(jīng)網(wǎng)絡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）=0.006，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)的位置跟蹤響應曲線如圖6所示。通過對比可以看出利用神經(jīng)網(wǎng)絡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。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。

圖6 系統(tǒng)單位位置跟蹤響應（wm＝136.63 rad/s）

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NNC-PID的控制器軟件設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。

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