丁惠忠

摘 要： 在惡劣工作環(huán)境中，基于PLC控制器的伺服控制系統(tǒng)受高溫、噪聲干擾等因素影響導致位置檢測精度誤差較大，為改善這一問題設(shè)計基于PLC的高精度伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制單元PLC通過連續(xù)位置檢測控制、單件位置檢測控制零點校正和通信等過程，利用復合非線性反饋控制律，綜合線性與非線性反饋，向二維工作臺不同方向伺服驅(qū)動器輸出脈沖輸出指令，驅(qū)動工作臺運行，并帶動CCD相機定位在載物臺中陣列孔中各需要檢測零件的上方，實現(xiàn)定位后觸發(fā)相機采集圖像，計算機處理并分析圖像后，通知PLC執(zhí)行后續(xù)的控制過程。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)位置檢測平均成功率在99.99%以上，位置檢測誤差上限為0.39×10-3 rad，顯著低于對比系統(tǒng)，且在兩種噪聲干擾下的抗噪性能均優(yōu)于對比系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： PLC; 伺服控制; 位置檢測; 復合非線性; 反饋控制律; 超調(diào)抑制

中圖分類號： TP27 ? ? ?文獻標志碼： A

Abstract： In harsh working environment， the servo control system based on PLC controller is affected by high temperature， noise interference and other factors， which leads to a large precision error in position detection. To solve this problem， a high precision servo control system based on PLC is designed. System control unit of the PLC is controlled by continuous inspection and control， single location detection zero calibration and communication process， such as using composite nonlinear feedback control law， linear and nonlinear feedback. To comprehensive two-dimensional worktable different directions， servo driver outputs pulse output instructions， driven workbench is running， and drives the CCD camera positioning abovethe array holes in the detecting slide to realize the localization trigger the image acquisition camera， computer processing and analysis of images， and inform the control process of PLC to perform the follow-up. The experimental results show that the average success rate of the systems position detection is over 99.99%， and the upper limit of the error of the systems position detection is 0.39×10-3 rad， which is significantly lower than the comparison system， and the anti-noise performance of the system is better than the comparing system under the two kinds of noise interference.

Key words： PLC; servo control; position detection; compound nonlinearity; feedback control law; overshoot suppression

0 引言

在精密機械制造領(lǐng)域中，需對高精度微型零件實施檢測，當前該領(lǐng)域中使用最為頻繁的檢測技術(shù)即利用伺服系統(tǒng)進行檢測[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的成熟，產(chǎn)品檢測過程的自動化程度要求越來越高[2]，產(chǎn)品檢測過程作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重要組成部分被普遍關(guān)注，為提升檢測精度與檢測效率，節(jié)約勞動成本，零件分揀過后的位置精確檢測是一個值得關(guān)注的問題。

PLC從系統(tǒng)硬件組成角度上分析可定位為一種控制器[3]，其硬件由存儲器、中央處理器等部件共同組成，具有強大的編程、運算、控制功能[4]。PLC多應用于較為惡劣的工作環(huán)境中，其硬件組成要求通常較為嚴格。PLC運行在傳統(tǒng)繼電器—接觸器模式中添加了利用存儲器配合CPU工作提升PLC控制功能[5]。但利用PLC進行控制過程中如何提升控制精度是重中之重，因此提出基于PLC的高精度伺服控制系統(tǒng)位置檢測方法，提升伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精確度。

1 高精度伺服控制系統(tǒng)位置檢測

1.1 高精度伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

基于PLC的高精度伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖中，計算機作為人機信息交互的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，成為系統(tǒng)的主控制器。PLC能夠?qū)崿F(xiàn)交流伺服電機的控制，是伺服控制系統(tǒng)的控制單元[6]。被檢測物體置于載物臺的陣列孔內(nèi)，檢測過程中PLC控制交流伺服電機，驅(qū)動工作臺進行工作，利用CCD相機檢測載物臺內(nèi)各被檢測物體上方位置，位置確定后通過CCD相機采集圖像。采集后的圖像傳輸至計算機內(nèi)，通過計算機進行處理，根據(jù)處理結(jié)果確定PLC下一步操作過程。

1.2 PLC控制程序設(shè)計

連續(xù)位置檢測控制、單件位置檢測控制、零點校正和通信等過程是PLC程序的主要組成部分[7]。PLC、伺服驅(qū)動器與交流伺服電機分別采用西門子CPU224CN型、松下MINASA4系列和松下MSMD012P1U型。利用PLC進行連續(xù)檢測和單件檢測的檢測過程，如圖2所示。

外部脈沖指令輸入與編碼器反饋的方波信號傳輸至伺服驅(qū)動器內(nèi)。PLC在不受CPU掃描式工作模式影響的前提下[8]，利用A端口和B端口輸出頻率上限為20 kHz的高速脈沖輸出指令或脈沖寬度調(diào)制指令。利用特殊寄存器SMB56與SMB66控制脈沖輸出功能，脈沖參數(shù)設(shè)定與脈沖輸出狀態(tài)監(jiān)控分別由SMW57—SMD161、SMW67—SMD161和SMB55、SMB65實現(xiàn)。脈沖速率可分為單段式和多段式兩種模式[9]，利用特殊寄存器在PLC的V存儲區(qū)域內(nèi)設(shè)定多段式脈沖不同段內(nèi)參數(shù)，在執(zhí)行脈沖輸出指令過程中，CPU自主獲取V存儲區(qū)域內(nèi)多段式脈沖不同段內(nèi)參數(shù)并輸出脈沖。

PLC利用復合非線性反饋控制律[10]，通過A端口和B端口分別向工作臺X方向與Y方向驅(qū)動器輸出頻率為20kHz的高速脈沖輸出指令。為確保工作臺運動過程的穩(wěn)定性，系統(tǒng)選取三段式脈沖控制交流伺服電機。

1.3 復合非線性反饋控制律

由表1得到，采用本文系統(tǒng)檢測實驗對象時，位置檢測成功率最高達到100%，平均成功率在99.99%以上，由此說明本文系統(tǒng)的有效性。

實驗為定量驗證本文系統(tǒng)的位置檢測準確度，對比本文系統(tǒng)和基于時間最優(yōu)控制技術(shù)的控制系統(tǒng)進行位置檢測過程中，實驗對象位置檢測誤差對比情況，如圖3所示。

由圖3中的數(shù)據(jù)可知，采用本文系統(tǒng)檢測不同組別實驗對象位置過程中，位置檢測誤差上限可達0.39×10-3 rad，各組別誤差波動幅度較為平緩。在采用基于時間最優(yōu)控制技術(shù)的控制系統(tǒng)檢測不同組別實驗對象位置過程中，位置檢測誤差上限達到1.68×10-3 rad，并且該系統(tǒng)位置檢測誤差波動幅度較為劇烈?；赑ID的控制系統(tǒng)位置檢測誤差處于上述兩個系統(tǒng)之間。實驗結(jié)果證明采用本文系統(tǒng)進行位置檢測具有較高檢測精度。

為測試本文系統(tǒng)在位置檢測過程中的抗噪性能，實驗分別對比上述不同系統(tǒng)在高斯噪聲干擾和校驗噪聲干擾條件下的峰值信噪比，如圖4所示。

分析圖4（a）可知，當位置檢測過程存在高斯噪聲干擾時，本文系統(tǒng)與兩個對比系統(tǒng)的峰值信噪比都同信噪比之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系，即峰值信噪比隨信噪比的上升而上升。在信噪比相同的條件下，本文系統(tǒng)的峰值信噪比始終高于兩個對比系統(tǒng)，當信噪比達到20 dB時，本文系統(tǒng)的峰值信噪比高達28.14 dB，高于對比系統(tǒng)2.05 dB以上。由此可知本文系統(tǒng)與其它兩個系統(tǒng)相比具有更高的高斯噪聲抗噪性。

由圖4（b）得到，當位置檢測過程存在校驗噪聲干擾時，本文系統(tǒng)與兩個對比系統(tǒng)的峰值信噪比都同噪聲強度之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，即峰值信噪比隨噪聲強度的上升而下降。在噪聲強度相同的條件下，本文系統(tǒng)的峰值信噪比始終高于兩個對比系統(tǒng)，當噪聲強度為15時，本文系統(tǒng)的峰值信噪比達到最低，僅有18.94 dB，仍顯著高于對比系統(tǒng)。由此說明本文系統(tǒng)與其它兩個對比系統(tǒng)相比具有更高的校驗噪聲抗噪性能。

綜合圖4的實驗結(jié)果可知，相較于其他兩個對比系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的抗噪性能更優(yōu)。

3 總結(jié)

本文設(shè)計基于PLC的高精度伺服控制系統(tǒng)進行位置檢測，通過PLC控制伺服驅(qū)動器驅(qū)動二維工作臺實現(xiàn)位置檢測，PLC控制單元采用復合非線性反饋控制律，將線性與非線性反饋相結(jié)合，分別實現(xiàn)快速的系統(tǒng)響應與超調(diào)抑制，以此提升系統(tǒng)位置檢測過程的瞬態(tài)性能。實驗結(jié)果顯示本文系統(tǒng)位置檢測誤差與抗噪性能均優(yōu)于對比系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 郭秦陽， 施光林， 王冬梅. 間歇激勵條件下電液伺服系統(tǒng)的復合自適應控制[J]. 上海交通大學學報， 2019， 53（6）：639-646.

[2] 金鴻雁， 趙希梅. 基于Sugeno型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和互補滑?？刂破鞯碾p直線電機伺服系統(tǒng)同步控制[J]. 電工技術(shù)學報， 2019，34（13）：2726-2733.

[3] 許亞軍. 汽車底盤測功機控制系統(tǒng)測試仿真[J]. 微型電腦應用， 2019，35（6）：156-160.

[4] 王麗君. 電氣控制系統(tǒng)研究價值及數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J]. 微型電腦應用， 2019，35（6）：102-104.

[5] 李世超， 曹如月， 季宇寒， 等. 基于不同電機的拖拉機自動導航轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)性能對比[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報， 2019，50（S1）：40-49.

[6] 劉細平， 蔡少文， 胡海林， 等. 基于自適應FIR算法的交流伺服系統(tǒng)前饋控制[J]. 電機與控制應用， 2019，46（4）：38-43.

[7] 劉鳳景. 動力滑臺液壓PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微型電腦應用， 2019，35（6）：111-112.

[8] 喬景慧， 李嶺. 基于機器視覺的電視機背板檢測及自適應抓取研究[J]. 工程設(shè)計學報， 2019，26（4）：452-460.

[9] Zhao X， Jin H. Segmented Variable Universe Fuzzy Iterative Learning Control for Permanent Magnet Linear Synchronous Motor Servo System[J]. Transac-tions of China Electrotechnical Society， 2017， 32（23）：9-15.

[10] Zexiao Li， Fengzhou Fang， Xiaodong Zhang， et al. Highly efficient machining of non-circular freeform optics using fast tool servo assisted ultra-precision turning[J]. Optics Express， 2017， 25（21）：25243-25256.

[11] 胡建平， 常航， 楊麗紅， 等. 自動移栽機整排取苗間隔投苗控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報， 2018，49（6）：78-84.

[12] X Zhao， Y Wu. Adaptive Backstepping Sliding Mode Control for PMLSM Based on Multi-Segment Velocity Planning[J]. Diangong Jishu Xuebao/Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（3）：662-669.

[13] 趙冬梅. PLC在艦船交流電機運行參數(shù)檢測系統(tǒng)的應用[J]. 艦船科學技術(shù)， 2017，39（16）：79-81.

[14] G Meng， Y Yuan， L Zhang， et al. A Joint Control Method for Linear Flux-Switching Permanent Magnet Machine Based on Harmonic Suppression and Disturbance Observer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（9）：1957-1966.

[15] 丁錦宏. 基于PLC的二極管單向?qū)щ娦詸z測機械手的設(shè)計[J]. 機床與液壓， 2017， 45（3）：103-105.

（收稿日期： 2020.04.15）