高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)運動控制與數(shù)據(jù)采集部分的關鍵技術研究

胡博，林建輝，鄧自剛

設計技術

高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)運動控制與數(shù)據(jù)采集部分的關鍵技術研究

胡博，林建輝，鄧自剛

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

由于高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)的永磁圓盤軌道在高速旋轉時會發(fā)生沉降，而固定超導塊材的夾具在測試過程中位置不變，使超導塊材與永磁圓盤軌道的相對距離變大，導致懸浮力的測試產(chǎn)生誤差。為了盡量減小這一誤差，利用位移傳感器采集永磁圓盤軌道相對位置的變化，再根據(jù)從位移傳感器得到的數(shù)據(jù)，利用模糊PID控制算法對該系統(tǒng)的垂向步進電機進行閉環(huán)反饋控制，使超導塊材和永磁圓盤軌道間的相對距離維持在能被接收的范圍內。本文給出了高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)運動控制和數(shù)據(jù)采集部分的總體設計方案，全面深入地討論該部分的硬件架構、軟件架構和控制算法。

高溫超導磁懸??；模糊PID控制；運動控制；數(shù)據(jù)采集

為了推進高溫超導磁懸浮的研究，探索在永磁圓盤軌道高速旋轉的情況下高溫超導磁懸浮塊材的懸浮特性，進一步推進相關技術和理論的發(fā)展，西南交通大學研制了高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)，如圖1所示。該測控系統(tǒng)主要具有以下幾種功能：

圖1 系統(tǒng)示意圖

（1）懸浮力測試：對單塊或多塊高溫超導塊材在永磁圓盤軌道高速旋轉的情況下所受的懸浮力進行測試。

（2）導向力測試：對單塊或多塊高溫超導塊材在永磁圓盤軌道高速旋轉的情況下所受的導向力進行測試。

（3）垂向步進電機的閉環(huán)反饋控制：在永磁圓盤軌道高速旋轉時，根據(jù)永磁圓盤軌道位置的變化實時控制該系統(tǒng)的垂向步進電機調整高溫超導磁懸浮塊材的位置。

為實現(xiàn)上述功能，需要三個部分來組成這套系統(tǒng)：機械部分、電氣部分及運動控制與數(shù)據(jù)采集部分。在前期的實驗中，發(fā)現(xiàn)永磁圓盤軌道在高速旋轉時會發(fā)生沉降引起系統(tǒng)誤差，為了減小該誤差，采用模糊PID控制算法對高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)的垂向步進電機進行閉環(huán)反饋控制。本文將主要討論該系統(tǒng)的運動控制和數(shù)據(jù)采集部分，而這一部分又分為硬件部分、軟件部分和控制算法部分。

1 高溫超導磁懸動態(tài)測控系統(tǒng)運動控制和數(shù)據(jù)采集部分的硬件架構

如圖2所示，該系統(tǒng)運動控制與數(shù)據(jù)采集部分的硬件架構主要由以下幾個部分組成：

圖2 硬件架構圖

美國國家儀器公司NI的PCI-6036E是本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡，通過PCI接口接入工控機。PCI-6036E具有編程功能，在內部集成了時鐘功能，可通過程序在固定時間間隔點上采集相應引腳的模擬信號，然后通過數(shù)據(jù)采集卡內部集成的A/D轉換模塊把模擬信號變換成能被工控機所識別的數(shù)字信號。力傳感器和激光位移傳感器把模擬信號輸入到數(shù)據(jù)采集卡，其作用分別是測量超導塊材所受到的懸浮力和導向力和測量永磁圓盤軌道垂向位置的變化。因為永磁圓盤軌道在高速旋轉時發(fā)生沉降，導致超導塊材和永磁圓盤軌道間的距離變大，從而導致測量的懸浮力出現(xiàn)誤差。為了盡量減小這一誤差，需要在該系統(tǒng)運動控制與數(shù)據(jù)采集部分的硬件部分形成閉環(huán)，所以引入激光位移傳感器實時測量永磁圓盤軌道垂向位置的變化，并把激光位移傳感器輸出的模擬信號輸入數(shù)據(jù)采集卡PCI-6036E經(jīng)A/D轉換后變換成能被工控機識別的數(shù)字信號，然后工控機根據(jù)該數(shù)字信號利用運動控制卡PCI-7358實時地控制垂向步進電機使永磁圓盤軌道和超導塊材間的距離維持在能被接收的范圍內。

美國國家儀器公司NI的PCI-7358是本系統(tǒng)中的運動控制卡，通過PCI接口接入工控機，PCI-7358具有編程功能，可通過程序操作八組引腳輸出脈沖方向信號進而分別控制八個電機的運動。注意：在這套系統(tǒng)中，我們采用位置控制方式，即用脈沖方向信號對步進驅動器進行控制，步進驅動器在接收到脈沖方向信號之后驅動步進電機。

美國國家儀器公司NI的UMI-7764是本系統(tǒng)中的I/O卡，把運動控制卡PCI-7358的硬件資源引出到UMI-7764卡的各個管腳上，然后連接步進驅動器，進而通過控制步進驅動器驅動步進電機。

美國Parker Hannifin公司的C3I10T10是本系統(tǒng)中的步進驅動器，步進驅動器把PCI-7358輸出的脈沖方向信號放大來驅動步進電機的運動。然后，步進電機帶動電動缸把步進電機的旋轉運動轉換為電動缸的直線運動。需要注意的是，步進電機每轉動一圈都會帶動電動缸的推桿前進或后退一個導程。在本系統(tǒng)中垂向軸和橫向軸所用的電動缸的導程都為5 mm.導程這個參數(shù)對本系統(tǒng)的軟件部分非常的重要，因為在本系統(tǒng)的軟件中需要把橫向軸或垂向軸運動的直線距離轉換為運動控制卡PCI-7358所輸出的脈沖方向信號的脈沖數(shù)，而一個導程的直線距離和電機旋轉一周運動控制卡輸出的脈沖數(shù)是一一對應的關系。

2 高溫超導磁懸動態(tài)測控系統(tǒng)運動控制和數(shù)據(jù)采集部分的軟件架構

該系統(tǒng)的運動控制和數(shù)據(jù)采集部分的軟件部分采用微軟公司提供的Visual Studio 2010開發(fā)工具開發(fā)。利用NI公司為運動控制卡PCI-7358和數(shù)據(jù)采集卡PCI-6036E提供的驅動為基礎，通過調用庫函數(shù)的方式對運動控制卡PCI-7358和數(shù)據(jù)采集卡PCI-6036E編程從而實現(xiàn)步進電機的控制和傳感器輸入數(shù)據(jù)的采集。

如圖3所示，該軟件主要由以下幾個模塊組成：

設置運動控制卡PCI-7358的初始參數(shù)：該模塊初始化運動控制卡PCI-7358并設置驅動電機前必須的初始參數(shù)，如具體哪組引腳輸出脈沖方向信號、運動控制卡所使用的控制方式和電機運行時的速度和加速度等。

圖3 軟件功能模塊框圖

設置數(shù)據(jù)采集卡PCI-6036E的初始參數(shù)：該模塊初始化數(shù)據(jù)采集卡PCI-6036E并設置采集傳感器數(shù)據(jù)前必須的初始參數(shù)，如具體哪組引腳接受從傳感器輸入的模擬信號和數(shù)據(jù)采集的采樣頻率等。

垂向電機和橫向電機歸0，測量垂向軸和橫向軸的運動的范圍：在進行每次實驗之前，垂向電機和橫向電機都需要在限位開關間自動運行一個來回，測量垂向軸和橫向軸的運動范圍，然后垂向電機和橫向電機回到起始位置。通過這種方式使垂向電機和橫向電機回到的起始位置更加精確。

得到各傳感器的初始值：實驗之前，力傳感器和位移傳感器因為某些情況都具有初始值，該系統(tǒng)的軟件需要得到這些初始值，通過實際測量的值減去初始值得到正確的測量值。

數(shù)據(jù)采集模塊：根據(jù)設置的采樣頻率在固定時間間隔點上采集力傳感器和激光位移傳感器的數(shù)據(jù)。采集到的激光位移傳感器的數(shù)據(jù)反應了永磁圓盤軌道相對位置的變化，并作為反饋控制垂向電機的依據(jù)。

運動控制模塊：根據(jù)設置的運動參數(shù)在相應引腳輸出特定的脈沖方向信號控制電機的運動。該模塊可以控制單個電機的運動，也可以控制多個電機的組合運動，并且能根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊中得到的永磁圓盤軌道相對位置的變化反饋控制垂向步進電機。

數(shù)據(jù)保存模塊：根據(jù)設置的采樣頻率實時的保存諸如懸浮力值、導向力值、實驗時間和從運動控制卡反饋回來的橫向軸和垂向軸的運動位置等數(shù)據(jù)，以便實驗結束后，科研人員分析處理數(shù)據(jù)。

3 高溫超導磁懸動態(tài)測控系統(tǒng)運動控制和數(shù)據(jù)采集部分的控制算法部分

由于該系統(tǒng)運動控制部分控制的步進電機是高度非線性的元件。利用常規(guī)PID難以滿足控制要求。采用模糊PID控制算法不需要建立被控對象的數(shù)學模型。將操作者或專家的控制經(jīng)驗和知識表示成語言變量描述的控制規(guī)則，再運用模糊推理便可對PID參數(shù)實現(xiàn)在線調整，達到較好的控制效果。

3.1模糊PID控制器設計

模糊PID控制器的系統(tǒng)結構主要由參數(shù)可調PID和模糊控制器兩部分構成，其結構如圖4所示。模糊控制器以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，PID三個參數(shù)kp、ki、kd的修正量△kp、△ki、△kd作為輸出。利用模糊控制器中的模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)kp、ki、kd的修正量△kp、△ki、△kd進行整定，以滿足在不同的偏差e和偏差變化率ec的情況下對PID參數(shù)的不同要求。然后把在線整定得到的PID參數(shù)kp、ki、kd的修正量△kp、△ki、△kd代入下列公式計算得到當前的PID參數(shù)，作為可調PID模塊的輸入。

式中：kp0、ki0、kd0為PID參數(shù)的初始設計值，由常規(guī)的PID控制器的參數(shù)整定方法設計[1-2]。

圖4 自適應模糊PID控制器結構

（1）各語言變量及其論域的確定

根據(jù)要求，用于PID參數(shù)調整的模糊控制器采用二輸入三輸出的形式。該模糊控制器的語言變量是作為輸入的偏差e和偏差變化率ec和作為輸出的PID控制器的三個參數(shù)kp、ki、kd的修正量△kp、△ki、△kd.令輸入偏差e和偏差變化率ec以及輸出△kp、△ki、△kd的論域[3]都為連續(xù)區(qū)間[-3，3].

（2）各語言變量的模糊分割情況的確定

用于PID參數(shù)調整的模糊控制器的每個語言變量的取值為一組模糊語言名稱{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}.該組模糊語言名稱[3]中的元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。每個模糊語言名稱對應一個模糊集合，并由相應的隸屬函數(shù)表示。如圖5所示，圖中的每個三角形都是單個模糊語言名稱對應的模糊集合的隸屬函數(shù)。該組模糊語言名稱{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}中元素的個數(shù)決定了該模糊控制器各語言變量論域的模糊分割[3]的個數(shù)進而決定模糊控制的精細化程度。如圖5所示，語言變量e、ec、△kp、△ki、△kd論域的模糊分割的個數(shù)為7.

圖5 e、ec、△kp、△ki、△kd的模糊分割情況

（3）模糊控制規(guī)則的確定

通常，PID控制器的控制算式為：

公式（4）中，ec（k）=e（k）-e（k-1）（k=1，2…），e（k）和e（k-1）分別是第k時刻和k-1時刻所得的偏差信號，kp、ki及kd分別為表征其比例，積分及微分作用的參數(shù)[1]。

從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，kp、ki、kd的作用如下：比例系數(shù)kp的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，消除誤差，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度；積分作用系數(shù)ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分作用系數(shù)kd的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時刻三個參數(shù)的作用以及相互之間的關系[1]。根據(jù)參數(shù)kp、ki、kd對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，可以歸納出系統(tǒng)在被控過程中對于不同的偏差和偏差變化率，參數(shù)kp、ki、kd的自整定原則：

第一，當e較大時，應取較大的kp和較小的kd，以使系統(tǒng)響應加快，且為避免較大超調，使ki=0.

第二，當e中等時，應取較小kp的使系統(tǒng)響應具有較小的超調，適當?shù)膋d和ki.

第三，當e較小時，應取較大的kp和ki，使系統(tǒng)響應具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，kd的取值要恰當，以避免在平衡點附近出現(xiàn)振蕩[4]。

根據(jù)上面分析制定出模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 △kp、△ki、△kd的模糊控制規(guī)則表

（4）模糊化

模糊化的作用是將輸入的清晰量轉換成模糊量。當模糊控制器的輸入不在設定的各語言變量的論域范圍內時，可以通過線性變換公式（4）將取值在[x*min，x*max]之間的清晰量變換到[-3，3]之間。公式（4）中x代表轉換前的量，y代表轉換后的量。

然后，對已經(jīng)變換到各語言變量論域范圍內的清晰量進行模糊化處理，使其變換成模糊量，并用相應的模糊集合表示。若輸入的清晰量是xA'，則通常將其模糊化為單點模糊集合[3]。若該單點模糊集合用A'表示，則其隸屬函數(shù)為：

（5）模糊推理

在得到表一所示的模糊控制規(guī)則后，需要通過模糊推理，根據(jù)由單點模糊集合A'和B'表示的輸入量e和ec計算得到用模糊集合C'1，C'2和C'3表示的輸出量△kp、△ki、△kd.

因為各語言變量e、ec、△kp、△ki、△kd的論域是連續(xù)區(qū)間[-3，3]，所以采用Mamdani模糊推理模型[3]對C'1，C'2和C'3的推導過程進行討論。如表1所示，△kp的每條模糊控制規(guī)則可表示成“e是Aiand ec是Bi則△kp是Ci”的形式，則△kp的單條模糊控制規(guī)則所表示的模糊蘊含關系Ri可定義為：

對于△kp的每條模糊控制規(guī)則可以采用近似推理[3]的方法通過輸入A'和B'求得一個輸出C'1i，如公式（7）所示：

公式（7）可以用以下簡潔形式來表示，即

其中，μC'1i（△kp）是C'1i的隸屬函數(shù)，μCi（△kp）是Ci的隸屬函數(shù)，符號“∧”表示取小運算[3]。因為這里輸入的清晰量采用單點模糊集合的模糊化方法，所以對于每條模糊控制規(guī)則的適用度[3]αi可用公式（9）求得：

其中μAi（xA'）和μBi（xB'）分別表示Ai和Bi的隸屬函數(shù)在單點xA'和xB'的取值。

則C'1，C'2和C'3的隸屬度函數(shù)可由公式（10）到公式（12）求得：

（6）清晰化

清晰化通常采用加權平均法[3]，則模糊集合C'1，C'2和C'3清晰化后得到的清晰量可由公式（13）到公式（15）求得：

這里得到的清晰量在論域[-3，3]內，可以通過線性變換公式（16）將取值在[-3，3]內的清晰量變換到實際控制量的變化范圍[μmin，μmax]之間。公式（16）中x代表轉換前的量，y代表轉換后的量。

3.2模糊PID控制器Simulink仿真

（1）仿真模型建立

在MATLAB的Simulink環(huán)境下建立高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)垂向步進電機模糊PID控制的仿真模型，如圖6所示。

圖6 高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)垂向步進電機模糊PID控制的仿真模型

這里采用MATLAB提供的模糊工具箱建立圖6所示的模糊邏輯控制器，其中“與”運算采用取小算法；“或”運算采用取大算法；蘊含運算采用取小算法；合成運算采用最大-最小合成法；清晰化運算采用加權平均法。

（2）仿真結果分析

為驗證模糊PID控制器在高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)垂向步進電機閉環(huán)反饋控制中具有良好的控制效果。對其在階躍輸入作用下的輸出進行仿真。

對比模糊PID控制曲線圖（圖7）和常規(guī)PID控制曲線圖（圖8），易得模糊PID控制較常規(guī)的PID控制，具有較高的控制精度，調節(jié)時間短，控制效果好等優(yōu)勢，能較好的完成實時控制垂向步進電機的需求，減小該系統(tǒng)的誤差。

圖7 模糊PID控制曲線圖

圖8 常規(guī)PID控制曲線圖

4 結束語

高溫超導磁懸浮動態(tài)測控系統(tǒng)因其永磁圓盤軌道在高速旋轉時發(fā)生沉降引起系統(tǒng)誤差，所以需要對其垂向步進電機進行反饋控制。模糊PID控制算法不需要建立被控對象的數(shù)學模型，適合類似步進電機等非線性的被控對象的控制。通過仿真表明采用模糊PID控制后使得步進電機輸出動態(tài)響應的性能較常規(guī)PID時有大大改善。表明模糊PID控制算法能較好的完成本系統(tǒng)中垂向步進電機的實時控制，減小本系統(tǒng)因永磁圓盤軌道高速旋轉時下沉引起的系統(tǒng)誤差。

[1]殷云華，樊水康，陳閩鄂．自適應模糊PID控制器的設計和仿真[J]．北京：火力與指揮控制，2008，33（7）：96-99.

[2]劉金琨．智能控制[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]孫增圻，鄧志東，張再興．智能控制理論與技術[M]．2版.北京：清華大學出版社，2011.

[4]劉川，劉景林.基于Simulink仿真的步進電機閉環(huán)控制系統(tǒng)分析[J].測控技術，2009，28（1）：44-49.

A Key Technology Research of Motion Control and Data Acquisition Sections in the High Temperature Superconducting Maglev Dynamic Measurement System

HU Bo，LIN jian-hui，DENG Zi-gang
（State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

When permanent magnetic disk guideway of high temperature superconducting maglev dynamic measurement system is in a high-speed condition，it will fall off.Meanwhile，the position of fixture of superconductors is changeless during the measurement procedure，which leads to the increase of relative displacement between superconductors and permanent magnetic disk guideway.Consequently，the test result of levitation force produces error.In order to reduce the error，the displacement sensor is used for collecting the relative displacement signals of permanent magnetic disk guideway.On the basis of the collected displacement datum，the vertical step motor is controlled by close-loop feedback control by utilizing the fuzzy PID control algorithm，which keeps the relative displacement between superconductors and permanent magnetic disk guideway in a reasonable range.The manuscript proposes a total design scheme of motion control and data acquisition sections about high temperature superconducting maglev dynamic measurement system.The hardware architecture，software architecture and control algorithm are comprehensively discussed in this manuscript.

high temperature superconducting maglev；fuzzy PID；motion control；data acquisition

U237

A

1672-545X（2017）02-0001-05

2016-11-14

國家自然科學基金（編號：51307147和51375404）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（編號2015TPL_Z02和2016TPL_T01）

胡博（1990-），男，重慶人，在讀碩士，研究方向：儀器嵌入式及網(wǎng)絡控制技術；林建輝（1964-），男，福建莆田人，教授，博士生導師，研究方向：鐵路機車車輛設計安全檢測技術和試驗研究；機械設備故障診斷；信號分析與處理；軌道交通領域的安全監(jiān)測技術、大型試驗臺研制；鄧自剛（1982-），男，四川瀘州人，副教授，博士生導師，研究方向：超導磁浮交通（應用基礎研究、工程化關鍵技術、新型軌道交通技術儲備）；管道磁浮交通（前沿基礎研究、軍民兩用方案研究）。