電動(dòng)缸測控系統(tǒng)的仿真與通信

史成城 張宏立

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

電動(dòng)缸是集伺服電機(jī)與絲杠于一體的模塊化產(chǎn)品，是一種提供直線運(yùn)動(dòng)及推力的執(zhí)行元件。其工作原理是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過絲杠轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往返運(yùn)動(dòng)，并通過推桿帶動(dòng)負(fù)載，利用伺服電機(jī)的控制特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)推力、速度和位置的精密控制［1］。

在將電動(dòng)缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)中，電動(dòng)缸直接由伺服驅(qū)動(dòng)器控制，不再需要油、氣等中間媒介傳遞動(dòng)力，在性能上避免了受環(huán)境溫度、易污染的液壓閥和流體介質(zhì)等因素影響。同時(shí)，省去了復(fù)雜的油泵、管路、冷卻系統(tǒng)以及其他附屬設(shè)施，減少了設(shè)施投入與設(shè)備維護(hù)。電動(dòng)缸具有控制性能優(yōu)越、安裝調(diào)試方便、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于軍事設(shè)備、工業(yè)以及醫(yī)療等場合。目前，國內(nèi)對(duì)電動(dòng)缸的研究仍處于一個(gè)初級(jí)階段。研究電動(dòng)缸的性能、測試和控制系統(tǒng)，既符合當(dāng)前國內(nèi)電動(dòng)缸行業(yè)的發(fā)展需要，又可以為電動(dòng)缸的進(jìn)一步研究提供理論參考，同時(shí)也可以為電動(dòng)缸企業(yè)提供相關(guān)的技術(shù)支持，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

本文將現(xiàn)代化的微機(jī)仿真技術(shù)和傳統(tǒng)的電動(dòng)傳統(tǒng)理論相結(jié)合，利用C語言編程實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的PID算法，并結(jié)合電動(dòng)缸的數(shù)學(xué)模型，采用LabWindows/CVI軟件，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款電動(dòng)缸測控仿真軟件。該軟件具有定位時(shí)間短、穩(wěn)定精度高等特點(diǎn)，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的靈活性。仿真結(jié)果表明，該軟件達(dá)到了較好的控制效果。

1 電動(dòng)缸數(shù)學(xué)建模

電動(dòng)缸一般由電機(jī)、同步傳送帶、絲桿和缸體等構(gòu)成，電動(dòng)缸通過絲桿將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為推桿的直線運(yùn)動(dòng)。如果將電動(dòng)缸視為由電機(jī)和負(fù)載兩者的等效傳動(dòng)部件所組成的系統(tǒng)，則電動(dòng)缸等效模型如圖1所示［2］。

圖1 電動(dòng)缸等效模型示意圖Fig.1 The equivalent model of electric cylinder

電動(dòng)缸的傳遞函數(shù)為:

其中:

根據(jù)電動(dòng)缸的等效模型，搭建的電動(dòng)缸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)缸結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the electric cylinder

部分參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 部分參數(shù)設(shè)置Tab.1 The setting of parameters

2 電動(dòng)缸控制仿真

虛擬儀器軟件LabWindows/CVI運(yùn)用交互式編程方法，具有集成化開發(fā)環(huán)境、豐富的函數(shù)面板、強(qiáng)大的接口功能以及基于C語言構(gòu)建的可視化軟件開發(fā)環(huán)境［3］。該軟件能夠?yàn)殚_發(fā)人員提供儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等軟件開發(fā)功能。本文采用LabWindows/CVI軟件對(duì)電動(dòng)缸控制效果進(jìn)行仿真，以期達(dá)到最好的控制效果。

當(dāng)電動(dòng)缸應(yīng)用于仿真運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械手等場合時(shí)，為完成特定的功能，需要研究開發(fā)高精度的電動(dòng)缸控制器。對(duì)電動(dòng)缸進(jìn)行控制，實(shí)際上就是對(duì)電動(dòng)缸所用的永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制，而目前同步電機(jī)大多使用PID控制［4］，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PID控制策略具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本文通過對(duì)多種PID控制算法的程序編寫，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)缸的控制效果最優(yōu)。

2.1 服務(wù)器端界面的實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器端界面主要實(shí)現(xiàn)三部分內(nèi)容:①控制算法的實(shí)現(xiàn);②優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn);③數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)。控制算法采用PID控制，而PID參數(shù)整定是PID控制中的一個(gè)關(guān)鍵問題，本文采用臨界比例度法和遺傳算法整定PID參數(shù)值。臨界比例度法通過Matlab軟件預(yù)先整定出參數(shù)值，并置為CVI中控件NUMERIC的初值;而遺傳算法是結(jié)合Matlab/GUI生成的exe程序，通過CVI調(diào)用，實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線整定。

2.1.1 PID 參數(shù)值的整定

根據(jù)電動(dòng)缸的傳遞函數(shù)，通過Matlab軟件整定PID參數(shù)值，獲取方法是采用臨界比例度法。與采用遺傳算法整定的控制效果進(jìn)行對(duì)比，臨界比例度整定方法具有自己的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)控制對(duì)象，預(yù)先已整定參數(shù)，且參數(shù)在程序中為一固定值，實(shí)時(shí)性較好。在控制要求不高的場合中，采用臨界比例度整定方法就可以達(dá)到目標(biāo)。在Matlab中編寫程序，通過查表計(jì)算出參數(shù)值［5］。相關(guān)代碼如下所示:

根據(jù)計(jì)算得出 Kp、Ki、Kd參數(shù)值［6］，并將它們?cè)O(shè)為面板中NUMERIC的初始值。

2.1.2 控制算法的實(shí)現(xiàn)

本文分別通過增量式PID、步進(jìn)式PID及其專家PID算法對(duì)電動(dòng)缸的控制效果進(jìn)行仿真。在進(jìn)行仿真前，需要對(duì)控制對(duì)象離散化處理，因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化處理。離散化過程在Matlab中進(jìn)行。

除了強(qiáng)夯以外翻壓也是處理濕陷性黃土的一種處理方案，在沒有確定擠密樁方案前，渠段（74+660～75+095）與之相鄰的上游渠段采用翻壓施工。翻壓施工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)波和噪音污染，但施工時(shí)將處理深度內(nèi)的土全部挖出再進(jìn)行碾壓回填。本工程取土綜合運(yùn)距4.5km，施工周期長、成本高，其沿線存在較多軟弱地基，換填、翻壓的處理方案非常普遍。

面對(duì)不同的控制要求和一些特殊的應(yīng)用環(huán)境，采用合適的控制算法，不僅能很好地達(dá)到控制要求，而且節(jié)省了人力、物力。因此，本文根據(jù)不同的需求，編寫了三種不同的控制算法。當(dāng)需要產(chǎn)生較大位移時(shí)，為了減小超調(diào)，可以采用步進(jìn)式PID控制算法，使電動(dòng)缸運(yùn)行平穩(wěn)。利用專家PID也同樣能使控制效果達(dá)到較好的效果，但響應(yīng)速度很慢。

2.1.3 采用優(yōu)化算法的PID控制仿真實(shí)現(xiàn)

利用遺傳算法的全局搜索能力，可以很方便地實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)解的尋優(yōu)。該算法不僅降低了PID參數(shù)整定的難度，而且從總體上提高系統(tǒng)的控制精度、動(dòng)態(tài)性能和魯棒性［7－8］。

2.2 仿真結(jié)果比較

利用LabWindows/CVI具有調(diào)用外部程序的優(yōu)點(diǎn)，可以跳過CVI與Matlab進(jìn)行連接的復(fù)雜程序編寫和步驟，通過 Matlab/GUI實(shí)現(xiàn)遺傳算法，并利用deployment project工具生成程序［9］。在不轉(zhuǎn)化為C語言程序的前提下，完成了一些復(fù)雜的程序，方便實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象參數(shù)的在線整定。通過調(diào)用運(yùn)行按鈕的Callback程序［10］，實(shí)現(xiàn)遺傳算法PID參數(shù)的整定。仿真表明，基于先進(jìn)算法的PID控制能達(dá)到很好的控制效果，但是，在實(shí)際的應(yīng)用中考慮到各種因素，并不利于先進(jìn)算法的實(shí)現(xiàn)。

遺傳算法不會(huì)陷入局部最優(yōu)解的快速下降陷阱。利用遺傳算法的內(nèi)在并行性，可以方便地進(jìn)行分布式計(jì)算，加快求解速度［11］。但是遺傳算法的局部搜索能力較差，導(dǎo)致單純的遺傳算法比較費(fèi)時(shí)，在進(jìn)化后期搜索效率較低。在實(shí)際應(yīng)用中，遺傳算法容易產(chǎn)生早熟收斂的問題［12］。采用一種既能使優(yōu)良個(gè)體得以保留，又能維持群體的多樣性的方法是遺傳算法中較難解決的問題。但是結(jié)合電動(dòng)缸的控制，實(shí)現(xiàn)在線的參數(shù)優(yōu)化，不僅所需整定時(shí)間短，而且達(dá)到了較好的控制效果。將這種在線整定方法應(yīng)用到現(xiàn)場控制，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［13－14］。

3 通信的實(shí)現(xiàn)

采用基于DataSocket技術(shù)的Polling Queue技術(shù)進(jìn)行通信。DataSocket技術(shù)又是基于DCP/IP工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編程技術(shù)，它對(duì)底層進(jìn)行了高度封裝［14］，這樣，不用進(jìn)行底層TCP/IP編程，就可以方便地在測量和控制系統(tǒng)中共享和傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)。Polling Queue的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不像基于Data Socket的事件驅(qū)動(dòng)模式，而是將數(shù)據(jù)放入一個(gè)緩沖隊(duì)列中，使數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收更加方便，而且可以使用Polling Queue的緩沖區(qū)來減少接收數(shù)據(jù)被覆蓋的可能性，具有很高的數(shù)據(jù)讀取操作安全性。

客戶端通過Polling Queue接收服務(wù)器端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并且在面板上實(shí)時(shí)地顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)和字節(jié)數(shù)，以及所發(fā)送數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的比例。

4 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是研究控制工程的有效手段之一，在實(shí)踐中結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真，可以輔助工程設(shè)計(jì)、分析和研究。

本文利用LabWindows/CVI軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)缸的控制仿真，為后續(xù)實(shí)踐起到重要的鋪墊和指導(dǎo)作用。從控制效果可以看出，階躍響應(yīng)的PID控制動(dòng)態(tài)過程基本滿足要求［15］，系統(tǒng)能平滑地達(dá)到目標(biāo)，且速度快、穩(wěn)態(tài)精度高;從仿真角度來說，PID控制對(duì)電動(dòng)缸的控制是有效的。

［1］ 唐英.電動(dòng)缸的傳動(dòng)和受力分析［J］.重型機(jī)械科技，2007，13(1):32－35.

［2］ 徐文燦.電動(dòng)缸與氣缸［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2006，24(2):63 －68.

［3］孫曉云.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［4］潘芳偉，盧菊洪，賀利樂.基于模糊遺傳算法的新型六自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(1):37 －40.

［5］毛軍紅，李黎川.位置伺服系統(tǒng)PID控制器參數(shù)在線整定算法［J］.西安石油學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999，14(1):33－36.

［6］韓幫華.PID控制器參數(shù)整定方法及應(yīng)用研究［D］.青島:青島科技大學(xué)，2009.

［7］譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)［M］.3版.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［8］袁劍雄，王知行，李兵.遺傳算法在并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999，4(6):72－75.

［9］韓慶慶，肖乾虎，袁琦，等.基于GUI功能設(shè)計(jì)的電機(jī)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)［J］.水電能源科學(xué)，2011，29(1):129 －131.

［10］秦輝，席裕庚.基于Matlab GUI的預(yù)測控制仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(10):2778 －2781

［11］Dasgupta B，Mruthyunjaya T S.Closed-form dynamice quations of the general Stewart platform through the Newton-Euler approach［J］.Mechanism and Machine Theory，1998，33(7):993 －1011.

［12］Dasgupta B，Choudhury P.A general strategy based on the Newton-Euler approach for the dynamic formulation of parallel manipulators［J］.Mechanism and Machine Theory，1999，34(6):801 －824.

［13］王建新.LabWindows/CVI測試技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工出版社，2006.

［14］劉君華.虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［15］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006:418－422.