速度阻尼的壓力切換控制范文

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《中國機械工程雜志》2014年第十四期

1暋控制模型

1.1暋位置控制在高速高精度位置伺服系統中,PID各項參數的單一變化很難滿足位移與速度的變化要求。在運動開始階段,距離目標點較遠,速度大,系統進入高速運動階段。此時,需要在增大PID控制中比例項同時減小積分項的作用。隨著距離參點越來越近,系統的運行速度變小。系統進入穩態調整階段,在提高積分系數的同時減小比例系數,從而盡可能消除穩態誤差。最終使得整個控制系統能夠快速響應輸入信號,達到精確、無超調的指標要求。采用的改進PID算法為根據速度的變化調整PID中比例、積分及微分的參數,實現控制系統的實時調節,達到高速高精度的控制要求。為了達到高速高精的運動目標,采用雙前饋加變參數PID控制,如圖2所示。位置環直接使用光柵尺反饋的數字信號,速度環的反饋信號通過速度擬合算法獲取,即對反饋位置信號進行一次差分得到速度信號,然后再將相鄰的速度信號進行平均即可得到速度環反饋回路的信號,其數學公式為根據圖2所示的控制方法進行試驗,檢測位置控制性能。PID的相關參數是關于速度的函數,實際運動過程中,速度波動影響電機的定位精度并最終導致定位精度低于系統要求。由于焊接頭在實際運動中受到外界高頻信號的干擾,因此需設計低通濾波器以消除高頻干擾。為進一步提高系統性能,在系統設計中加入了陷波濾波器算法。通過濾除工頻干擾及系統中的擾動,提高了系統抗干擾性能。經過低通濾波和陷波濾波之后,系統響應曲線得到了改善。

1.2暋壓力控制SMT貼片機焊接過程中,壓力加載的精度影響焊接效果,因此必須準確控制。焊接頭的壓力控制可分為直接力控制和間接力控制。直接力控制是指在焊接頭的機械結構上安裝測力傳感器,引入力反饋,形成閉環反饋,實現壓力的精確控制,如圖3所示。在位置環、速度環、電流環控制的基礎上,在位置外環加入PD控制器并輸入力的規劃信號,從而實現壓力的控制。其中,力控制采用PD控制律。壓力控制過程中,位置環的存在可減小芯片焊接過程中的振動或抖動。控制系統通過改進的PID控制算法,實現參數調節的最優化,從而使力控制效果達到最佳。力反饋裝置價格高,實際工業設備中使用較少。本系統采用基于速度阻尼方法的壓力控制(屬于間接力控制),既能降低設備成本,又能實現壓力的精確控制。

1.3暋力/位切換控制系統由位置控制跳轉到壓力控制必然涉及位移與壓力的切換。為此,需要開展對力/位切換控制的研究。

1.3.1暋直接力/位切換控制力/位切換控制方案有很多種,其中最簡單且易于實現的就是直接力/位切換方式。如圖4所示,直接力/位切換控制存在兩個前向通道:栙位置環、速度環、電流環組成的位置控制通道;栚力規劃器和電流環組成的力控制通道。二者通過切換開關進行通道的選擇。切換開關以位置偏差及其他輔助因素作為判斷條件,進行兩路通道的切換。如圖5所示,運動規則如下(1)將速度規劃分為高速運動及低速搜索運動,將力參考輸入規劃為關于時間的函數。(2)位置環路的偏差及規劃位置到位標志位是力/位控制的切換條件。環路切換時,速度前饋與加速度前饋系數置為0,同時上一環路的輸出變為0。控制中,需要進行多個標志位的設置,以實時監測當前的運動狀態。

1.3.2暋基于速度阻尼的力/位切換控制為提高控制精度,提出了基于速度阻尼的力/位切換控制方法,該方法屬于間接力控制,其設計思想是在焊接頭搜索階段,以位置偏差作為切換條件,進入閾值時將控制器切換到速度環與電流環控制模式實現運動速度的快速抑制,從而達到平穩切換的目地。圖6、圖7存在兩個通道:栙位置環、速度環、電流環組成的位置控制通道;栚力規劃器、速度環、電流環組成的力控制通道。在進行力/位切換時,參數控制器只是速度環參數規劃表,并非自成環路。利用速度閉環構成的速度阻尼,對切換速度進行精確控制,來緩沖焊接頭與基板之間的碰撞,使焊接能夠快速穩定進行。速度阻尼切換控制的不同之處是在力/位切換時,通過切換條件,保留了速度環。阻尼的作用是通過設定速度環的參數來體現的,圖8為該算法的流程圖,具體切換規則如下:(1)環路切換時,將位置環路的輸出置為0,并將速度前饋與加速度前饋系數置0。此操作切斷了位置環,保留了速度環。(2)合理設置速度環的PID參數,使其在力/位切換過程中,對速度的波動進行很好的抑制,使壓力加載過程更加穩定。(3)速度環路構成阻尼器,通過改變速度環路控制律的參數實現阻尼變化,使得系統更加穩定。

2暋試驗驗證

焊接頭的力/位切換控制中,通過控制電流環的輸入電壓,控制輸出的力。在力矩環模式下,規劃力的輸入信號從而控制焊接頭末端的輸出力,實現焊接運動,如圖9所示。其中,PID參數的設計公式為相比于直接力/位切換控制,基于速度阻尼方法的壓力波動明顯減小,反彈力為0,壓力波動效果接近暲0灡3N的設計要求。因此,在整個力/位切換過程中,壓力加載平,焊接頭在力/位切換過程中的振動得到抑制。由此可知,速度阻尼的作用效果非常明顯。在實際工作工程中,實際運動參數會影響切換時的效果從而影響位移與壓力加載的精度。

2.1暋搜索速度對力/位切換效果的影響在焊接試驗過程中,設置搜索速度分別為12mm/s、24mm/s、36mm/s、48mm/s并開展試驗,得到搜索速度與力響應之間的關系,如圖11所示。可知,隨搜索速度的增加,沖擊力也隨之加大,加載的壓力波動也越大。

2.2暋阻尼系數對力/位切換效果影響阻尼系數毱對壓力加載的影響規律如圖12結語以SMT貼片機為例,研究了焊接過程中的位置控制和壓力控制。針對實際工況中信號擾動的問題,設計了低通濾波器和陷波濾波器,提出了變參數PID控制算法并構建了雙前饋控制策略,以進一步提高控制系統的性能。在直接力/位切換的基礎上,提出了基于速度阻尼的切換控制算法并開展了一系列試驗。從試驗結果可知,直接力/位切換方法在切換過程中沒有很好地抑制速度的波動,其沖擊力達到了0灡7N,壓力加載階段的壓力波動超出設定的暲0灡3N的范圍。基于速度阻尼力/位切換方案則解決了這一問題,反彈力為0且加載階段的壓力波動接近暲0灡3N,滿足設計要求。從試驗的角度分析了速度和阻尼對沖擊力和壓力波動的影響規律,即較低的搜索速度產生的沖擊力小,合適的阻尼系數能有效地抑制壓力的波動。

作者：隆志力禹新路朱超單位：哈爾濱工業大學深圳研究生院深圳深圳先進運動控制技術與現代自動化裝備重點實驗室東莞華中科技大學制造工程研究院