陶文飛

(浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300)

一種氣缸位移控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陶文飛

(浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安311300)

針對(duì)傳統(tǒng)可控位置氣缸成本高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種低成本氣缸位移控制系統(tǒng)。首先，利用紅外測(cè)距傳感器測(cè)量活塞實(shí)際位移量；其次，通過(guò)期望位移量與實(shí)際位移量得到誤差量；最后，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立氣缸位移控制系統(tǒng)誤差模型，完成誤差補(bǔ)償工作。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償后，可得最大位移誤差量控制在±2mm。

誤差補(bǔ)償；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；紅外測(cè)距

0 引言

傳統(tǒng)可控氣缸位置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常依托于比例換向閥、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等設(shè)備，在通過(guò)精密的控制策略后將位置誤差限定在精度極高的范圍內(nèi)，但使用這些設(shè)備的成本普遍較高。文獻(xiàn)[1]中，通過(guò)復(fù)合智能積分PID控制器獲得了不大于±0.18 mm的穩(wěn)態(tài)控制精度;文獻(xiàn)[2]中利用線性自抗干擾技術(shù)將系統(tǒng)跟蹤誤差控制在0.4 mm以內(nèi)。針對(duì)成本有限且不需要很高精度的情況，本文設(shè)計(jì)了一種氣缸位移控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、紅外測(cè)距傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、最大行程100 mm氣缸、三位五通電磁換向閥、繼電器、藍(lán)牙通信模塊等組成，如圖1所示。活塞的期望位移量通過(guò)藍(lán)牙輸入進(jìn)行控制，由單片機(jī)通過(guò)繼電器控制電磁閥進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)，活塞的位移量由紅外測(cè)距傳感器通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊反饋至單片機(jī)，從而在活塞達(dá)到期望位移量后發(fā)出停止指令。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 紅外測(cè)距傳感器

紅外測(cè)距傳感器的原理是通過(guò)發(fā)射紅外線至被測(cè)物體，經(jīng)被測(cè)物體反射后接收紅外線，由發(fā)射與反射時(shí)間差計(jì)算距離。紅外測(cè)距傳感器需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換及距離擬合后方可使用[3]。

本文選取的紅外測(cè)距傳感器可測(cè)量程在20～150 mm內(nèi)，實(shí)驗(yàn)選取20～150 mm內(nèi)100個(gè)靜止距離點(diǎn)，測(cè)量這100個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值；將距離的倒數(shù)作為自變量，電壓作為應(yīng)變量導(dǎo)入數(shù)學(xué)計(jì)算程序中進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到如圖2所示的電壓U與距離倒數(shù)1/d的曲線圖。通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到公式(1)，公式(1)的相關(guān)性達(dá)到了0.999 7，擬合可靠程度較高。

U=-3.768d-2+5.873d-1-0.027 23

(1)

圖2 電壓與距離倒數(shù)曲線

3 氣缸位移系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1氣缸位移系統(tǒng)原理圖

氣缸位移控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。所選用的氣缸最大行程為100 mm，測(cè)量板與活塞頂部垂直固定；由于紅外測(cè)距傳感器的測(cè)量范圍是20～150 mm，因此需要保證紅外測(cè)距傳感器與測(cè)量板的最小距離在20 mm以上；如圖所示，以紅外測(cè)距傳感器最右端為零點(diǎn)，實(shí)際的行程為25～125 mm。系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)中封式三位五通電磁換向閥控制進(jìn)氣、排氣和封閉，從而實(shí)現(xiàn)氣缸從左至右、靜止以及從右至左的運(yùn)動(dòng)。

圖3 氣缸位移系統(tǒng)原理圖

3.2氣缸位移系統(tǒng)的工作流程

圖4 氣缸位移系統(tǒng)流程圖

以圖3中從左往右運(yùn)動(dòng)為例，系統(tǒng)每次初始化后，活塞桿退回到左側(cè)底部初始位置；在通過(guò)藍(lán)牙接收到期望位移量后電磁閥工作，而紅外測(cè)距傳感器判段是否達(dá)到期望位移量，如未達(dá)到則電磁閥繼續(xù)工作，否則電磁閥停止工作。流程圖如圖4所示，其中電磁閥工作指電磁閥左側(cè)進(jìn)氣右側(cè)排氣即活塞桿向右移動(dòng)。電磁閥停止則是指兩側(cè)均為封閉狀態(tài)，即活塞桿停止移動(dòng)且腔內(nèi)保證一定壓強(qiáng)。

圖5 氣缸運(yùn)動(dòng)模型圖

4 誤差補(bǔ)償

4.1氣缸的運(yùn)動(dòng)模型

氣缸的運(yùn)動(dòng)模型如圖5所示。

如圖5所示，由于采用了中封式三位五通電磁換向閥，左側(cè)通電右側(cè)斷電的情況下，A腔進(jìn)氣，B腔在大氣壓下排氣，于是可得活塞桿的運(yùn)動(dòng)模型,由公式(2)給出：

(2)

式中M為活塞桿質(zhì)量，y為位移量，pA、pB分別為A腔壓強(qiáng)和B腔壓強(qiáng)，SA、SB分別為活塞在A、B腔的有效受壓面積，f為所有阻力。傳統(tǒng)通過(guò)氣缸運(yùn)動(dòng)模型建立的分析所涉及的參數(shù)過(guò)多，而本文則直接通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)男问酵瓿稍O(shè)計(jì)方案[4-6]。

4.2誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：輸入一個(gè)期望位移量至單片機(jī)作為紅外測(cè)距傳感器判段活塞桿停止運(yùn)動(dòng)的條件值，在活塞完全停止運(yùn)動(dòng)后，測(cè)量活塞桿的實(shí)際位移量，實(shí)際位移量減期望位移量得到誤差量。誤差量主要來(lái)源于：(1)活塞桿的速度。當(dāng)電磁閥兩端閉合后，活塞桿的速度以及A、B腔內(nèi)的壓強(qiáng)差會(huì)使其繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離。(2)紅外測(cè)距傳感器本身的偏移誤差；由于測(cè)量板移動(dòng)導(dǎo)致紅外測(cè)距傳感器的測(cè)距誤差，這個(gè)誤差在不同距離范圍呈現(xiàn)的正負(fù)偏差通常是不同的；公式(1)造成的誤差。(3)單片機(jī)程序的響應(yīng)時(shí)間等。

因此在實(shí)驗(yàn)前需要手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥，在盡可能保證活塞桿運(yùn)行在最低速度但不至于出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以減小速度引起的誤差量；為減小兩端極限位置干擾誤差量的測(cè)量，實(shí)測(cè)區(qū)間變更為30～120 mm；實(shí)驗(yàn)中，活塞處于零負(fù)載狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)共測(cè)得33組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

將上述33組測(cè)量值的期望位移量作為輸入，誤差量作為輸出建立誤差模型，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層數(shù)為30，選擇雙曲正切S形函數(shù)作為隱層激活函數(shù)，采用梯度下降自適應(yīng)學(xué)習(xí)率訓(xùn)練函數(shù)為訓(xùn)練算法，訓(xùn)練目標(biāo)誤差為0.001。訓(xùn)練好的函數(shù)如圖6所示。

圖6 誤差模型圖

補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ菏紫葘⑵谕灰屏枯斎胗?xùn)練成功后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，獲得預(yù)測(cè)誤差量；然后將該期望位移量與對(duì)應(yīng)誤差量相減得到補(bǔ)償后的期望位移量輸入紅外測(cè)距傳感器作為判斷的條件值。按以上誤差補(bǔ)償方式，另選20組期望位移量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并測(cè)量補(bǔ)償后的誤差值。圖7為補(bǔ)償后與補(bǔ)償前系統(tǒng)誤差值的對(duì)比，很明顯，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償后，在30～120 mm范圍內(nèi)，最大誤差在±2 mm以內(nèi)，相較于補(bǔ)償前最大誤差-3～6 mm有較大的改進(jìn)。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)消除紅外測(cè)距傳感器和活塞桿速度所引起的誤差效果明顯。

圖7 補(bǔ)償前與補(bǔ)償后誤差對(duì)比

5 結(jié)論

本文通過(guò)單片機(jī)和紅外測(cè)距傳感器設(shè)計(jì)氣缸位移控制系統(tǒng)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行誤差補(bǔ)償工作，主要補(bǔ)償了由活塞桿速度以及紅外測(cè)距傳感器測(cè)量的誤差，補(bǔ)償后誤差控制在±2 mm以內(nèi)。系統(tǒng)在成本有限且精度要求不高的情形下可以得到較好發(fā)揮。針對(duì)不同負(fù)載的情況，在實(shí)驗(yàn)前或使用前仍需手動(dòng)反復(fù)調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制活塞運(yùn)動(dòng)速度，使活塞速度盡可能地小，后續(xù)可以使用電機(jī)或舵機(jī)通過(guò)3D打印構(gòu)件配合節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞桿速度的反饋調(diào)節(jié)。由于單片機(jī)無(wú)法承載BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算負(fù)荷，目前仍需要通過(guò)PC端計(jì)算后經(jīng)由藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，后續(xù)可以設(shè)計(jì)上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)更簡(jiǎn)便的工作流程控制。

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2017-04-29)

陶文飛(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電控制。

Design of control system for cylinder displacement

Tao Wenfei

(School of Engineering, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Lin’an 311300, China)

In view of the high cost of the traditional position controllable cylinder, a low cost control system of cylinder displacement has been designed. First of all, we use infrared distance sensor to measure piston actual displacement. Secondly, the error is acquired by desired displacement and actual displacement. Finally, the error model of cylinder displacement control system is established on the BP neural network to accomplish the error compensation. Experiments show that the largest error is controlled within ±2 mm by system error compensation of BP neural network.

error compensation; BP neural network; infrared distance measurement

TP29

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.032

陶文飛.一種氣缸位移控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(22)：118-120.