先进运动控制策略及运动控制新技术

先进运动控制策略及运动控制新技术

黄超

中科拓又达智能装备有限公司南京分公司，江苏 南京 21000

摘要：国民经济部门发展中运动控制发挥重要作用。上世纪80年代后， 运动控制领域不断变换，很多新的控制策略与技术逐渐在各工程中被应用。自半导体技术不断发展，半导体设备日渐复杂,因此，有必要对复杂设备进行合理控制，就复杂设备运动控制系统而言，本文介绍几种控制法，这些控制方式以及实现方法可以有效增加对复杂设备的控制能力，从而提升复杂设备各个部件的工作协同能力，从而提升设备的整体工作效率。

关键词：运动控制；先进策略；新技术

1. 引言

自动控制理论辅助下，运动控制系统研究中，研究对象多为电动机，将控制器当做关键设备，执行器为电力电子功率转换设备。实际操作期间应合理控制电机转矩、转速、角度等情况，便于完成电能的转化，便于满足移动机械方面要求。现代运动控制系统具有下面几种特征：结构模块、标准化；施工系统快速、灵活；系统开发、维护、升级过程操作简单，所需成本相对较低。现阶段运动控制技术逐渐向以下几方面发展：基于PC的灵活性和开放性。运动控制制造商相继推出系列PC新型运动控制产品。运动控制系统具备如下性能：动态响应及时，稳态追踪精度高，行为鲁棒性。上述指标作为整体，便于实现运动控制系统。现阶段，数控加工中高性能运动控制技术应用仍面临很多问题：一，非线性、扰动、参数不定时如何设计控制器；二，怎样动态响应状态监控。获得运动控制性能不仅要解决技术方面问题，还应看重如何应用新型控制策略。

二、运动控制中的先进控制策略

运动控制系统具备如下性能：A.精度跟踪稳定；B.动态响应及时准确；C.系统参数具有鲁棒性。就运动控制系统而言，其离不开执行器、测量装置、控制策略设计完成。一直以来，智能仪表、快速执行器、新型控制策略逐渐被应用到提升受控系统稳态精度，缩减执行器体积，减轻能量损失，提升控制性能等方面。但上述内容当中，智能仪表、新型执行机构仅可以简化运动控制装置。唯有设计并使用最新控制策略，方能解决非线性问题，最终实现高性能目标。

控制策略设计方法如下：A.降低扰动和参数变化影响；B.获取稳态特性；C为完成以上目标应加强负载转矩与跟踪偏差控制。

Pi-d控制器结构简单、运行方便、可靠，故而被广泛应用在运动控制中。但是，pi-d控制器仍不能解决系统当中的不易定量描述问题。受pi-d控制器结构限制与算法设计等方面影响，为了提升精度会在很大程度上削弱动态性能。动态性能的提高扩展了执行器，增加了能耗。此外，设计快速、高精度、鲁棒性运动控制系统期间，常利用同种控制器，如此即可提升输入、输出动态性能，还能解决负载问题。现阶段，难以寻找到一种系统动态、静态性能指标适用于pi-d参数整定算法。所以，当下很多研究人员仍在探寻新的控制策略，且提出很多实用的控制策略：例如，非线性控制、滑模变结构控制、自适应控制、智能控制等。

运动控制系统当中，交流电机身为非线性多变系统。利用非线性控制理论研究控制策略，可以找到问题本源，便于取得最佳控制效果。运动控制系内，非线性控制律能提升跟踪鲁棒性与精度。

滑模变结构控制不连续、系统结构可变。根据系统的状态，整体结构容易出现变化。随着滑动模式的改变，系统随之在开关位置滑动。所以，滑模控制不会影响时变参数，且具备较强鲁棒性。此外，无需在线辨识滑模变结构控制，易于实现。

自适应控制应具有模型及扰动方面知识，为了在线获取上述信息，可在系统运行期间，及时提取模型的信息。该过程控制不依赖模型参数，可用于解决参数变化对精度带来的影响。现阶段，对于交流电机非线性、多变量性问题，人们提出了自适应鲁棒控制法。该控制方法包含模型参考控制器、非线性补偿器。在非线性补偿器中，RBF可用于补偿上述两种控制器在性能方面缺陷。应用这一控制法还能提升系统稳定性与跟踪性。上述控制方案大多融合经典与现代控制理论，并且都依赖于电机模型。若模型被参数变化及其他因素影响，系统性能也将发生变化。利用自适应和滑模变结构控制法有助于解决上述问题。

要解决这个问题，他们有自己的缺点。智能控制方法不依赖象模型，提升事件处理管理性、鲁棒性。一直以来，智能控制方法得以全面发展。这里，将神经网络控制技术当做根基，将运动控制系统动态性全面提升，凭借智能控制法可全面提高系统跟踪控制性。然而，实际操作期间，仍面临很多困境，例如算法优化、网络收敛速度等。通常来讲，智能控制器多以经验为基础。实际操作期间，只能将其视为运动控制系统中常见方法，而不是一种理论。

2. 先进控制策略在运动控制中的应用

前期运动控制技术源自数控技术、机器人技术、工厂自动化技术。最初阶段，运动控制器能独自运行，无需应用其他处理器和系统，能单独进行运动控制并实现人机交互。该控制器运行阶段，用户应遵循协议妥善编制加工代码，通过采取DNC法，可将这些代码添加到控制器中，如此便于后续操作顺利完成。但因上述控制器操作期间，离不开特殊工艺辅助，难以应用在跨行业当中，加上应用控制器期间，多需要加工代码来控制，实际操作期间用户很难与实际要求相结合，对运动控制系统进行重组。由此，通用控制器逐渐受到人们关注。开放式运动控制系统研究期间，美国很多科研机构陆续开展模块化结构制造系统设计，随着运动控制技术的推行，运动控制器多被应用在工业产品生产中，且市场规模日渐扩大。国内运动控制器产品研发十分滞后。自上世纪末国内高科技公司开始生产运动控制器后，国内陆续几家单位引入运动控制器。

目前，很多控制策略被应用在运动控制中，因不同策略优势存在显著差异，但不是所有控制策略全通用。就给出控制策略而言，并非在所有方面都能取得最佳控制效果。所以，最新控制策略应用期间，需要与实际问题及采用的方案相结合。例如，运动控制系统当中，即机器人与数控机床驱动系统内，应确保系统兼具鲁棒性，且不会对系统产生较大干扰。所以，智能控制当中的非线性变结构和自寻优功能有助于帮助解决运动控制系统问题，可全面提升系统鲁棒性，便于对系统进行高性能控制。下面以PID控制来说，分析先进运动控制系统当中的控制策略：结合模糊控制逻辑推理、神经网络自学习、适应等能力和PI d控制优点，对于不精确和非线性对象，形成了良好的控制策略。针对控制器计算量大、收敛速度慢的特点，硬件采用DSP作为控制器操作单元，提高了系统的实时性。

BP网络需要以学习样本为基础。如果控制对象模型十分模糊，则很难获得样本集。此时，可利用在线网络了解BP网络，然后逐一对权重进行调整。其中，神经网络能替换被控对象。以BP网络为基础，创建相关数学模型，然后使用创建好的模型开展网络控制器训练，这样就能很好的解决偏导数计算问题。PID控制系统内容复杂，其中g（s）是传递函数，pi-d可完成闭环控制，利用神经网络可获得所需PID参数。

四、新技术在运动控制系统中的应用

在信息时代，随着各种高新技术的问世，推动传统产业不断向前。机械工业快速发展中，机械自动化水平不断提升，很多新的运动控制技术相继产生。这里本文主要介绍DSP多轴、双轴运动控制系统：随着数字信号处理器（DSP）的快速发展与性价比不断提升的当下，DSP相继被应用在该系统中。随着先进控制理论、DSP技术的发展，工程实践当中，很多先进控制策略都应用其中。随着DSP技术的发展，复杂与高性能运动控制系统得以不断向前。Tms320c24 TMS320LF2407可满足复杂电机数字控制要求。以交流感应电机、直流无刷电机等为主要研究对象，该过程离不开DSP的高性能。

先进的控制策略能对参数进行合理估算，便于适应电机负载、温度、能耗变化

，最终合理应用C24 TMS320LF2407。设计人员利用数字电流环，可减少电机转矩波动,通过数字化软件的实现,克服了传统模拟电流环参数不可变、适应性差等缺点。运行功能能对功率因数进行合理校正，方便将能量转换成机械能，降低电机总能量。再者，C24应用优势为：芯片当中具备a 片上A/D转换与事件管理器，所以不会用到很多外围芯片。再者，C24有实时运算功能，即便无传感器驱动，也能减少内存查找工作量。

TMS320LF2407芯片能为设计人员提供科学电机控制方案。就功能而言，该芯片可向人们提供脉宽调制、I/O接口，方便驱动不同电机；支持PWM产生能力与状态器件所涉及的各种相关功能，实现开关功率晶体管的优化方案；其可确保最佳晶体管寿命，减少实际功耗。再者，还能将死区聚集起来具有死区功能，便于生成用于实际单元，加强晶体管保护。运动控制系统中，DSP片结构和外围电路作用较大。例如，a/d A/D存储器、比较单元、定时器、高速串行口与I/O口均能完成信号处理与特殊输入轨迹控制，同时借助DSP完成脉宽调制与诊断保护工作。

双轴系统当中的执行电机当中还包含其他种类电机。运动控制板将PC-ISA总线步进、数字电机控制单元当做主要基础，二者结合起来即可组成从式控制结构。管理人机界面中PC机的使用，可控制监控系统。而运动控制板可控制不同细节内容，具体包含脉冲、方向信号输出、自动加、减速处理等。两轴运动控制系统运动形式包含独立运动（即点、位置等），插补运动（直线、圆弧运动）。独立运动多因两轴间联动关系不足；插补运动期间，两个轴连接应按照某一算法连接，在控轴作用下一同启动，最终一同抵达指定位置。插值运动应矢量速度为基础合理运行。这里拿双轴运动控制系统来说，利用PC机运动控制卡技术，可推动运动控制系统结构朝着模块化与标准化方向前行，使运动控制系统灵活性不断提升，减少开发、维护、升级中消耗的成本。

结束语：运动控制系统当中将伺服电动机当做执行部件，通过应用先进控制策略可全面提升系统动态性能，改变系统性能指标。但控制器设计方面，仍要继续对控制理论与应用能力进行研究。随着科技的不断进步，未来将会不断地出现新的运动控制策略和技术，针对当前对于控制技术的需要，这些新技术和策略一定程度上促进了运动控制技术的发展，同时还能够为今后新技术的出现奠定基础和积累经验。

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