基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的總裝機(jī)架翻轉(zhuǎn)設(shè)備同步控制研究

胡懿宸，蘇東海，楊皓奇，羅擎

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

0 引言

總裝機(jī)架自動(dòng)翻轉(zhuǎn)設(shè)備是由機(jī)架、夾具、翻轉(zhuǎn)設(shè)備和外框構(gòu)成的工程設(shè)備。在設(shè)計(jì)時(shí)，為使機(jī)架受力合理，減少外框質(zhì)量，減小馬達(dá)尺寸，加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)剛度，提升設(shè)備性能，故采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)設(shè)備的翻轉(zhuǎn)主軸方案。此種方案，如何保證兩個(gè)液壓馬達(dá)的同步性成為了主要問(wèn)題。雖然可以采取對(duì)稱設(shè)計(jì)和安裝液壓馬達(dá)，并在同批次中選取伺服閥，但共同組成雙路閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)時(shí)，仍必然存在誤差來(lái)影響液壓馬達(dá)的同步性。而當(dāng)馬達(dá)不同步時(shí)，由于共同驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載，兩液壓馬達(dá)之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能穩(wěn)定性。因此滿足設(shè)計(jì)要求的雙路閥控液壓馬達(dá)同步控制系統(tǒng)的控制方法是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

總裝機(jī)架自動(dòng)翻轉(zhuǎn)設(shè)備系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 總裝機(jī)架自動(dòng)翻轉(zhuǎn)設(shè)備系統(tǒng)原理圖

圖1所示總裝機(jī)架自動(dòng)翻轉(zhuǎn)設(shè)備可看作是由2個(gè)閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載，而液壓馬達(dá)、閥和負(fù)載的特性決定了閥控液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)特性，故可通過(guò)對(duì)液壓馬達(dá)流量、閥口流量、液壓馬達(dá)-負(fù)載受力3個(gè)方向去分析，所建數(shù)學(xué)模型如下方程。

式中：Dm1、Dm2為液壓馬達(dá)排量；θm1、θm2為液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)角；Cm1、Cm2為液壓馬達(dá)泄漏系數(shù)；Vt1、Vt2為液壓馬達(dá)容積。

3）液壓馬達(dá)-負(fù)載力矩平衡方程及其拉氏變換：

式中：Jm1、Jm2為液壓馬達(dá)輸出等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bm1、Bm2為液壓馬達(dá)黏性阻尼系數(shù)；G1、G2為夾具工件等效剛度；Tf1、Tf2為液壓馬達(dá)任意外負(fù)載力矩；θq為負(fù)載轉(zhuǎn)角。

4）負(fù)載受力平衡方程：

式中：Jq為負(fù)載等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bq為負(fù)載黏性阻尼系數(shù)；Tq為外負(fù)載力矩。

2 系統(tǒng)的同步控制策略

2.1 同步控制策略

雙路閥控液壓馬達(dá)同步控制系統(tǒng)以兩液壓馬達(dá)輸出的角位移為控制目標(biāo)。本文僅采取分反饋分校正同等同步控制驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的性能。分反饋分校正同步驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是對(duì)于單通道的跟蹤反饋，使兩路液壓馬達(dá)輸出趨于一致，達(dá)到同步，此種方式對(duì)通道間的同步性要求偏低，比較符合本文所述情況，其原理如圖2[1-2]所示。

圖2 分反饋分校正同步控制

2.2 單神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理及規(guī)則

單層感知機(jī)制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于電液伺服系統(tǒng)，控制原理圖如圖3所示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性較好，自適應(yīng)能力較強(qiáng)。原理是使用單神經(jīng)元的連接權(quán)值近似代替PID控制器中原有的環(huán)節(jié)[3]。并以系統(tǒng)偏差信號(hào)e(k)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)。單神經(jīng)元控制的學(xué)習(xí)規(guī)則和種類(lèi)如下文介紹。

圖3 單神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID

本文僅采用有監(jiān)督的Hebb規(guī)則，其優(yōu)點(diǎn)有：

1）通過(guò)Hebb的學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反饋結(jié)構(gòu)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)權(quán)值，整定參數(shù)。

2）將單神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法與PID控制結(jié)合，可有效優(yōu)化PID的實(shí)時(shí)控制和同步控制問(wèn)題。Hebb規(guī)則的權(quán)值學(xué)習(xí)規(guī)則[4]如下：

式中：Δe（k）=e（k）-Δe（k-1）；z（k）=e（k）；u(k)為當(dāng)前采樣控制量；e(k)為當(dāng)前采樣理想與實(shí)際輸出差值；ηP、ηI、ηD為積分、微分、比例學(xué)習(xí)效率；k為神經(jīng)元比例系數(shù)；z(k)為性能指標(biāo)。

PID的3個(gè)環(huán)節(jié)比例系數(shù)KP、積分時(shí)間常數(shù)TI、微分時(shí)間常數(shù)TD對(duì)應(yīng)不同的學(xué)習(xí)效率ηP、ηI、ηD，這樣應(yīng)對(duì)不同的權(quán)值可分別進(jìn)行調(diào)整。

算法改進(jìn)后，權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)與修正已經(jīng)不完全根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行，而是結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行制定。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SIMULINK仿真框圖

對(duì)式（1）～式（4）進(jìn)行拉普拉斯變換，結(jié)合數(shù)學(xué)模型與分反饋分校正模型可得模型如圖4[5]所示。

圖4 同步控制系統(tǒng)模型

令Kce1=Kp1+Cm1，Kce2=Kp2+Cm2，兩通道參數(shù)選取一致，圖中所需參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)表

設(shè)備參數(shù)要求：設(shè)備載重40 t；翻轉(zhuǎn)中心高度依機(jī)架圖樣設(shè)計(jì)；工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)速度為0.06～0.60 r/min（可調(diào)）；翻轉(zhuǎn)角度為±180°；升降速度為600 mm/min；夾具與機(jī)架連接拆裝時(shí)間為10 min。

3 仿真分析

本文使用Simulink對(duì)所提出方案進(jìn)行仿真以驗(yàn)證其有效性，并與普通PID控制進(jìn)行比較。

從圖5～圖7中可以看出，普通PID控制經(jīng)過(guò)10 s完全收斂，誤差穩(wěn)定在0.06°；單神經(jīng)元控制3 s完全收斂，誤差穩(wěn)定在0.02°，雖然會(huì)產(chǎn)生一些振蕩和超調(diào)，但超調(diào)量?jī)H在10%左右，在要求許可范圍內(nèi)，且系響應(yīng)速度較快，誤差會(huì)隨時(shí)間的推進(jìn)和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)逐漸減小。

圖5 PID控制階躍仿真曲線

圖6 單神經(jīng)元控制階躍仿真曲線

圖7 誤差曲線

傳統(tǒng)PID控制很難在兼顧穩(wěn)定性的同時(shí)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)速度與系統(tǒng)超調(diào)量之間的匹配，但單神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制可以很好地滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，得到更好的響應(yīng)曲線。

4 結(jié)論

本文討論了基于單神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙液壓馬達(dá)同步控制方法，該方法以單神經(jīng)元的連接權(quán)值來(lái)代替PID，經(jīng)過(guò)仿真證明，單神經(jīng)元控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，取得了更優(yōu)秀的效果，為今后分析雙液壓馬達(dá)同步控制提供了一條思路。