卡板可重構系統(tǒng)設計及其控制研究*

楊建國，鄒煥富，陳曉川，高月山

(東華大學機械工程學院，上海 201620)

0 引言

1996年，美國密歇根大學工程研究中心在美國國家科學基金會和25家公司資助下開展了有關可重構制造系統(tǒng)(RMS)的研究。1997年，Y Koren教授等首次正式提出RMS的概念。1998年，美國國家研究委員會明確地將RMS列入6大挑戰(zhàn)與10大關鍵技術中，RMS名列10大關鍵技術之首。

在國內，RMS的研究已為學術界所重視。在相關基礎研究的支持下，1998年我國國家自然科學基金委員會資助開展RMS的重點項目研究。國家自然科學基金將RMS的研究列入“十五”計劃［5］。根據(jù)重構內容的不同，重構可以分為組織重構、過程重構與優(yōu)化、零件重構、設計重構、加工制造系統(tǒng)重構，信息集成平臺重構［1］。

整流罩在火箭發(fā)射時主要起保護衛(wèi)星及其有效載荷的作用，在裝配過程中，作為整流罩骨架的環(huán)框需要很好的定位支撐才能滿足裝配要求，然而環(huán)框的型號是隨著整流罩的變化而變化的，不同型號規(guī)格整流罩的環(huán)框數(shù)量和直徑都不相同，因此需要設計一套可重構的裝配型架來滿足不同環(huán)框圓弧面的定位支撐。

1 系統(tǒng)結構設計

卡板可重構系統(tǒng)在整流罩裝配過程中，主要對整流罩中的環(huán)框起定位支撐作用，環(huán)框為半圓形鈑金件結構，不同的整流罩環(huán)框的數(shù)量和形狀不一樣。環(huán)框要滿足裝配過程中支撐定位功能，要求卡板可重構系統(tǒng)有很好的圓度，同時在整流罩裝配過程中，蒙皮需要和環(huán)框進行鉚接，因此要求卡板可重構系統(tǒng)能承受一定的沖擊力以及承載力。

卡板可重構系統(tǒng)由柔性圓弧定位器、步進電機、齒輪齒條、彈簧和旋緊螺母組成，其結構圖如圖1所示，這里由于電機運動不需要很大的力矩且負載本身的尺寸規(guī)格較小，因此選擇體積比較小的電機。

圖1 卡板可重構系統(tǒng)結構圖

卡板可重構系統(tǒng)具體的重構過程如下:首先根據(jù)目標裝配型架和初始裝配型架確定需要增加還是減少卡板的數(shù)量，然后確定每個卡板各自的定位位置并將其準確定位，最后調整卡板的柔性圓弧定位器使其滿足卡板圓度要求，將旋擰螺母擰緊支撐定位，至此卡板重構新裝配型架過程結束。

假設齒輪的模數(shù)為m(單位為mm)，齒輪齒數(shù)為z，兩相步進電機的細分數(shù)為n，則卡板可重構系統(tǒng)的定位精度為

在設計中，齒輪的模數(shù)為1.25mm，齒輪齒數(shù)為17，當兩相步進電機的細分數(shù)為1時，卡板可重構系統(tǒng)的定位精度為e=1.25*17/200=0.1mm，滿足卡板可重構系統(tǒng)的定位要求。

當兩相步進電機的細分數(shù)大于1時，理論上卡板可重構系統(tǒng)有更高的精度，但是細分數(shù)越高，細分后電機運轉時對每一個脈沖的分辨率提高了，但運轉精度能否達到或接近脈沖分辨率還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。

步進電機細分技術主要是針對其低速運行時較大振動而出現(xiàn)的技術，對其精度也有一定的提高。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大，細分數(shù)越大精度越難控制。真正的細分對驅動器要有相當高的技術要求和工藝要求，成本亦會較高。

2 控制策略研究

步進電機控制策略研究主要目的是為了提高卡板可重構系統(tǒng)的精度和可靠性，而卡板可重構系統(tǒng)的精度和可靠性主要依賴于步進電機的性能。

隨著對步進電機控制系統(tǒng)的精度要求越來越高，早期的控制策略已經不能滿足當前系統(tǒng)的需求。步進電機控制系統(tǒng)中常用的有PID控制、智能控制、模糊控制、自適應模糊控制等控制策略，本小節(jié)分析了各種控制策略的優(yōu)缺點及其在步進電機控制系統(tǒng)中的應用。

PID控制作為一種簡單而實用的控制方法，在步進電機驅動中獲得了廣泛的應用，其控制原理圖如圖2所示。它根據(jù)給定值R(t)與實際輸出值C(t)構成控制偏差E(t)，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制?？刂圃砜驁D如圖2所示。

圖2 PID控制原理圖

采用PID控制器具有結構簡單、魯棒性強和可靠性高等優(yōu)點，但是它無法有效應對系統(tǒng)中的不確定信息。目前，PID控制更多的是與其他控制策略相結合，形成帶有智能的新型復合控制。這種復合型智能控制具有自學習、自適應和自組織的能力，能夠自動辨識被控過程參數(shù)，自動整定控制參數(shù)，適應被控過程參數(shù)的變化，同時又具有常規(guī)PID控制器的特點。

智能控制不依賴或不完全依賴控制對象的數(shù)學模型，只按實際效果進行控制，在控制過程中能夠考慮系統(tǒng)的不確定性和精確性，突破了傳統(tǒng)控制手段必須基于數(shù)學模型的框架［4］。目前智能控制在步進電機系統(tǒng)中應用較為成熟的是模糊控制。模糊控制就是在被控制對象的模糊模型的基礎上，運用模糊控制器的近似推理等手段，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的方法。

作為一種直接模擬人類思維方式的控制方法，模糊控制已廣泛應用于工業(yè)控制領域。與常規(guī)控制相比，模糊控制無須精確的數(shù)學模型，具有較強的魯棒性和自適應性，因此適用于非線性、時變和時滯系統(tǒng)的控制。模糊控制器結構如圖3所示。

模糊控制在步進電機系統(tǒng)中的應用簡化了控制器結構，但其自身也有弊端，如學習能力不強，設計的控制規(guī)則過于依賴經驗和專家知識，組成的系統(tǒng)對電機非線性不敏感等，因此，目前更多的模糊控制應用是與其他控制策略復合使用［2］。

圖3 模糊控制原理圖

自適應控制是在20世紀50年代發(fā)展起來的自動控制領域的一個分支。它是隨著控制對象的復雜化，當動態(tài)特性不可知或發(fā)生不可預測的變化時，為得到高性能的控制而產生的。其主要優(yōu)點是容易實現(xiàn)和自適應速度快，能有效地克服電機模型參數(shù)的緩慢變化所引起的影響，輸出信號為跟蹤參考信號［4］。研究者根據(jù)步進電機的線性或近似線性模型推導出了全局穩(wěn)定的自適應控制算法，這些控制算法都嚴重依賴于電機模型參數(shù)。

目前很多學者將自適應控制與其他控制方法相結合，以解決單純自適應控制的不足［3］。自適應模糊PID控制可以根據(jù)輸入誤差和誤差變化率的變化，通過模糊推理在線調整PID參數(shù)，實現(xiàn)對步進電機的自適應控制，從而有效地提高系統(tǒng)的響應時間、計算精度和抗干擾性。自適應模糊PID控制原理如圖4所示。

圖4 自適應模糊PID控制原理圖

通過以上對步進電機控制策略的研究，我們可以看到自適應模糊PID控制器可以實現(xiàn)對步進電機控制系統(tǒng)的自適應控制，能有效地提高系統(tǒng)的響應時間、計算精度和抗干擾性，因此，卡板可重構系統(tǒng)采用自適應模糊PID控制。

3 電機速度控制

在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，為了使卡板可重構系統(tǒng)的重構時間最短，必須對步進電機的速度進行控制。目前常用的步進電機升降速曲線有以下幾種:①步進電機直線升降速;②步進電機拋物線升降速;③步進電機指數(shù)曲線升降速;④步進電機S形升降速曲線。下面分別介紹各種升降速的特點。

(1)步進電機直線升降速。如圖5所示。這種方法是以恒定的加速度進行升降速，平穩(wěn)性好，適用于速度變化較大的快速定位方式。加速時間雖然長，但實現(xiàn)起來比較簡單。

圖5 步進電機直線升降速曲線

(2)步進電機指數(shù)曲線升降速。如圖6所示，這種方法是從步進電機的矩頻特性出發(fā)，根據(jù)轉矩隨頻率的變化規(guī)律推導出來的。它符合步進電機加減速過程的運動規(guī)律，能充分利用步進電機的有效轉矩，快速響應性能較好，升降時間短。指數(shù)升降控制具有較強的跟蹤能力，但當速度變化較大時平衡性較差，一般適用于跟蹤響應要求較高的切削加工中。

圖6 步進電機指數(shù)升降速曲線

(3)步進電機拋物線升降速。如圖7所示，拋物線升降速將直線升降速和指數(shù)曲線升降速融為一體，充分利用步進電機低速時的有效轉矩，使升降速的時間大大縮短，同時又具有較強的跟蹤能力，這是一種比較好的方法。

圖7 步進電機拋物線升降速曲線

(4)步進電機S形升降速曲線。步進電機的轉動速度與輸入脈沖頻率嚴格成正比，因此對電機的速度控制就相當于對電機的輸入脈沖的頻率進行控制。理論上驅動脈沖的頻率f是隨著時間呈指數(shù)規(guī)律上升即可以實現(xiàn)電機轉動速度在較短的時間內達到要求，且能實現(xiàn)電機不失步和快速起停。

在電機帶負載的實際過程中，在步進電機開始啟動時的靜態(tài)慣性較大，這種情況下步進電機應以較小的加速度進行加減速，當步進電機轉速慢慢升上來后，輸出轉矩會慢慢降低，這時候相應的加速度和減速度也應該慢慢降低。在步進電機運行要停止時，為了防止電機發(fā)生過沖和失步，這時候也應該以比較小的加速度降速，步進電機S形升降速曲線圖8所示。

圖8 步進電機S形升降速曲線

從以上步進電機升降速控制曲線來看，為了使步卡板可重構系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性和精度，采用S形升降速控制是最優(yōu)的選擇。

4 流程圖及界面

在卡板可重構系統(tǒng)重構過程中，在確定當前裝配型架型號規(guī)格的基礎上，根據(jù)裝配的整流罩型號規(guī)格確定要重構的目標裝配型架，在此基礎上將會得出可重構卡板的數(shù)量和各自的定位位置以及卡板圓弧定位面，然后選擇合適的步進電機速度控制策略控制電機運動，使卡板可重構系統(tǒng)能快速準確地完成重構功能，并能達到整流罩的裝配要求?？ò蹇芍貥嬒到y(tǒng)流程如下圖9所示。

根據(jù)卡板可重構系統(tǒng)的定位要求，以及需要調整的目標裝配型架型號規(guī)格，設計的軟件界面如下圖10所示，圖中的卡板可重構系統(tǒng)規(guī)格為從型號2900mm調整到型號3350mm，故當前實際位置為2900mm，從第一個下拉選擇框中選擇當前型號規(guī)格，理論位置為3350mm，從第二個下拉選擇框中選擇目標型號規(guī)格，根據(jù)其差值實現(xiàn)補償控制，完成卡板可重構系統(tǒng)的定位功能，最后根據(jù)調整定位的結果，顯示卡板的圓度誤差，如滿足要求，重構定位過程完成，否則需要繼續(xù)調整直到滿足要求為止。

5 結束語

圖9 卡板可重構流程圖

圖10 可重構系統(tǒng)卡板圓度調整界面

可重構系統(tǒng)是一種能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎上，通過系統(tǒng)構件的重構達到改變系統(tǒng)結構，從而調整系統(tǒng)功能，以適應新的市場需求，且具有動態(tài)調整功能的系統(tǒng)。模塊化技術是可重構系統(tǒng)實現(xiàn)重構的主要技術。模塊化設計在綜合分析系統(tǒng)預期功能的基礎上，用較少的功能模塊的重構以實現(xiàn)盡可能多的系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)的適應性和多變性。通過對卡板可重構系統(tǒng)的研究，利用最少數(shù)量的卡板和柔性定位結構實現(xiàn)了整流罩裝配型架裝配多種型號規(guī)格整流罩產品的目的。在分析其他夾具和裝配型架特征后，可知可重構系統(tǒng)也能發(fā)揮很好的優(yōu)勢。

［1］王成恩.制造系統(tǒng)的可重構性［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2000，6(4):1 －5.

［2］王曉丹，周國榮.模糊PID控制的步進電機細分驅動器設計［J］.自動化與儀表，2008，23(4):35－38.

［3］翟旭升，謝壽生，蔡開龍，等.基于自適應模糊PID控制的恒壓供氣系統(tǒng)［J］.液壓與氣動，2008(2):21－23.

［4］潘健，劉夢薇.步進電機控制策略研究［J］.現(xiàn)代電子技術，2009，15(302):143 －145.

［5］王志明.可重構數(shù)字式機電測控試驗平臺的研制［D］.華中科技大學，2004.