適用于模式識(shí)別的動(dòng)力學(xué)方程：
[0103] 式中，q是以輸入模式q(0)為初始值的狀態(tài)變量;q+是q的伴隨向量;是注意參數(shù)， iAk>〇時(shí)，對(duì)應(yīng)的模式才能被識(shí)別；vdP V丨稱為學(xué)習(xí)矩陣即原型向量和伴隨向量，實(shí)現(xiàn)q的 線性變換；右端第二項(xiàng)用于模式間的辨別，表征不同模式間的相互競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)生模式吸引子； 右端第三項(xiàng)用于抑制Ak為正時(shí)導(dǎo)致q的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng);F(t)是漲落力，常忽略;B、C為大于0的 基本常數(shù)。
[0104] 基于協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磨削狀態(tài)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括兩個(gè)階段:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn) 練階段、網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)階段。
[0105] 具體采用上述裝置進(jìn)行磨削狀態(tài)測(cè)控步驟：
[0106] -、進(jìn)行學(xué)習(xí)階段得到原型模式向量和伴隨向量:在同一工件、同一設(shè)備進(jìn)行，在 空程、正常磨削和碰撞三種狀態(tài)下分別進(jìn)行以下步驟：
[0107] 步驟(1):將AE傳感器檢測(cè)的磨削加工過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理對(duì)AE信 號(hào)放大和濾波處理得到磨削加工AE信號(hào)所處的頻段信號(hào)50Khz-450Khz，再經(jīng)過(guò)A/D數(shù)據(jù)變 換后輸入到FPGA;
[0108] 步驟(2):將50Khz-450Khz的磨削加工AE信號(hào)均分為四個(gè)不同頻段信號(hào)，分別采用 帶通濾波器濾除信號(hào)的直流分量和部分干擾噪聲；
[0109] 步驟(3):對(duì)四個(gè)不同濾波頻段信號(hào)分別進(jìn)行特征參數(shù)RMS的提取，方法為:采用寬 度為N的滑動(dòng)窗口，對(duì)四個(gè)不同濾波頻段信號(hào)，采用離散型均方根電壓值的計(jì)算方式分別進(jìn) 行RMS值的并行計(jì)算：

[01 14] 其中：￥[?151、￥[?[52、￥[?[53和￥[?[54為四個(gè)不同濾波頻段的特征參數(shù)冊(cè)3;1表不聲發(fā)射信 號(hào)米樣值，N表不滑動(dòng)窗口的寬度；
[0115] 所述 N 取 512
[0116] 步驟(4):對(duì)序參量動(dòng)力學(xué)方程Ck(n+l)_Ck(n)= γ |>k-D+BCk2(n)]Ck(n)中的B、C、 注意參數(shù)11{和迭代步長(zhǎng)γ進(jìn)行初始化。一般取B=C= 1，選擇合適的λ0Ρ γ使|1{趨于穩(wěn)定，且 達(dá)到快速收斂，式中下標(biāo)k代表二種狀態(tài):值為1是空程，值為2是正常磨削，值為3是碰撞； [0117]步驟(5):對(duì)三種狀態(tài)的數(shù)據(jù)分別選擇300個(gè)4個(gè)頻段的RMS值組成協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn) 練的模式樣本，分別去均值、歸一化處理，獲得三種狀態(tài)的原型模式向量Vk，再利用偽逆法 求出滿足正交性關(guān)系的Vk的伴隨向量Vk+，最后對(duì)計(jì)算獲得的Vk和Vk+進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0118]二、磨削狀態(tài)測(cè)控步驟：
[0119]步驟1:將AE傳感器檢測(cè)的磨削加工過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理對(duì)AE信號(hào) 放大和濾波處理得到磨削加工AE信號(hào)所處的頻段信號(hào)50Khz-450Khz，再經(jīng)過(guò)A/D數(shù)據(jù)變換 后輸入到FPGA，并在FPGA中采用雙乒乓緩存的異步FIFO保證數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐竭M(jìn) 行；
[0120]步驟2:將50Khz-450Khz的磨削加工AE信號(hào)均分為四個(gè)不同頻段信號(hào)，分別采用帶 通濾波器濾除信號(hào)的直流分量和部分干擾噪聲；
[0121]步驟3:對(duì)四個(gè)不同濾波頻段信號(hào)分別進(jìn)行特征參數(shù)RMS的提取，方法為:采用寬度 為N的滑動(dòng)窗口，對(duì)四個(gè)不同濾波頻段信號(hào)，采用離散型均方根電壓值的計(jì)算方式分別進(jìn)行 RMS值的并行計(jì)算：
[0126] 其中：￥[?151、￥[?[52、￥[?[53和￥[?[54為四個(gè)不同濾波頻段的特征參數(shù)冊(cè)3;1表不聲發(fā)射信 號(hào)米樣值，N表不滑動(dòng)窗口的寬度；
[0127] 步驟4:以四個(gè)不同濾波頻段信號(hào)的RMS值作為待檢測(cè)模式的樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行去均 值、歸一化處理得到特征向量q(〇)，根據(jù)
（〇)求出序參量的初始值lk(〇)，利用 學(xué)習(xí)階段得到原型模式向量和伴隨向量，且按照序參量的動(dòng)力學(xué)方程：
[0128] |k(n+l)-|k(n)= γ [Ak_D+B|k2(n)]|k(n)
[0129]演化后最終只會(huì)有一個(gè)序參量的值達(dá)到穩(wěn)定，8卩|k= 1;其余隨著迭代步數(shù)的增加 逐漸趨于〇;那么h=l時(shí)的k值為當(dāng)前磨削的工作狀態(tài)，k為1是空程，k為2是正常磨削，k為3 是碰撞
[0131] 〇是三種狀態(tài)的原型模式向量Vk的伴隨向量Vk+，原型模式向量V k所對(duì)應(yīng)的:VA 空程的原型模式向量、％為正常磨削的原型模式向量、V3為碰撞的原型模式向量。
[0132] 仿真結(jié)果：
[0133] 利用Quartus II內(nèi)部的SingalTap II Analyzer對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析與驗(yàn)證，系 統(tǒng)工作時(shí)序圖如圖6所示。DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸滿足2MSPS采樣率下高速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，達(dá) 到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
[0134] RMS特征參數(shù)提取的Mode 1 s im時(shí)序仿真結(jié)果如圖7所示。
[0135] 特征參數(shù)提取時(shí)各功能模塊信號(hào)輸入輸出延時(shí)的Modelsim時(shí)序設(shè)計(jì)如圖8所示。 整個(gè)延時(shí)時(shí)間在一個(gè)采樣周期500ns內(nèi)完成，保證與前端AD同步。
[0136] 對(duì)Verilog HDL設(shè)計(jì)的磨削狀態(tài)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)序仿真，在Testbench中初始化 lOOMhz的FPGA主頻時(shí)鐘以及頂層模塊的輸入端口等。Modelsim的時(shí)序仿真結(jié)果如圖9所示。 Modelsim時(shí)序仿真選取空程階段、磨削階段的AE信號(hào)各4096個(gè)，作為系統(tǒng)學(xué)習(xí)階段的測(cè)試 數(shù)據(jù)，工作階段選擇碰撞狀態(tài)的AE信號(hào)4096個(gè)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
[0137] 特征參數(shù)RMS計(jì)算需要256us(512x500ns)，Modelsim仿真結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求完 全一致，驗(yàn)證了 FPGA軟件仿真設(shè)計(jì)的正確性。
[0138] 具體實(shí)施例：
[0139] 磨削加工中砂輪或工件采用分段磨削逐次完成，即完成單個(gè)工件的加工數(shù)控系統(tǒng) 控制砂輪有多次進(jìn)刀和退刀，為提高加工效率，空程階段采用快速進(jìn)給，磨削階段采用慢速 進(jìn)給，從而縮短空程時(shí)間達(dá)到消空程的目的，系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)磨削過(guò)程中的異常情況，防止造 成設(shè)備損壞達(dá)到防碰撞目的。
[0140]磨床完整的工作過(guò)程如下：
[0141] (1)聲發(fā)射信號(hào)采集
[0142] 將聲發(fā)射AE傳感器(選用美國(guó)SCHMITT公司的SB-4200,諧振頻率是300Khz，頻帶范 圍是50Khz-950Khz)安裝到機(jī)器鑄件或其它硬質(zhì)機(jī)器裝置上，安裝點(diǎn)務(wù)必平坦，并可以阻止 像切肩等外界物質(zhì)的影響。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)AE信號(hào)放大、濾波處理，AE傳感器的輸出信 號(hào)直接傳送給A/D數(shù)據(jù)采集卡(高速數(shù)據(jù)采集AD7622)的信號(hào)接收接口，并將兩者共地降低 干擾。FPGA(Altera公司的FPGA芯片EP40E40F23C6)工作在lOOMhz的時(shí)鐘頻率下，控制 AD7622的cnvst啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引腳(低電平表示啟動(dòng)轉(zhuǎn)換），實(shí)時(shí)檢測(cè)busy信號(hào)的下降沿(高電平 表示AD7622正在轉(zhuǎn)換），以2M*16bit速率并行采樣。
[0143] (2)學(xué)習(xí)階段和工作階段
[0144] 學(xué)習(xí)階段(是系統(tǒng)在磨床開(kāi)始加工之前，砂輪與工件所處的空程狀態(tài)和磨削狀態(tài) 進(jìn)行學(xué)習(xí)），在空程階段計(jì)算四個(gè)不同頻段濾波RMS值，磨削加工AE信號(hào)所處的頻段范圍是 50Khz-450Khz，為了獲取磨削最佳濾波頻段，提高狀態(tài)判斷精度，對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行四個(gè)不同頻 段（50Khz-150Khz、150Khz-250Khz、250Khz-350Khz、350Khz-450Khz)的并行濾波，并求取四 個(gè)頻段分別對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)（RMSlmax、RMSlmin、RMS2max、RMS2min、RMS3max、RMS3min、 RMS4max、RMS4min)，經(jīng)過(guò)每個(gè)頻段特征參數(shù)的分析對(duì)比，選取具有最大RMS比值的頻段作為 實(shí)際工作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和濾波處理頻段。
[0145]工作階段(主要實(shí)現(xiàn)功能是在磨削加工開(kāi)始之后），實(shí)時(shí)計(jì)算AE信號(hào)的RMS值，利用 協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，計(jì)算原型模式向量和伴隨向量，進(jìn)而對(duì) 輸入的未知參量進(jìn)行動(dòng)力學(xué)演化和序參量的重構(gòu)，與學(xué)習(xí)階段獲得的閾值進(jìn)行對(duì)比，最終 檢測(cè)出磨削的工作狀態(tài)，使磨削監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作出正確的狀態(tài)判斷。
[0146]通過(guò)FPGA的控制，使磨床完成工作。砂輪與工件由空程到初次接觸時(shí)，磨削狀態(tài)測(cè) 控系統(tǒng)把檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)的變化立即反饋給數(shù)控系統(tǒng)，使其控制砂輪慢速進(jìn)給，進(jìn)入正 常磨削;在正常磨削階段，數(shù)控系統(tǒng)控制砂輪慢速進(jìn)給，若砂輪或工件在磨削過(guò)程中發(fā)生突 發(fā)性材質(zhì)破裂等意外情況，產(chǎn)生強(qiáng)度遠(yuǎn)超于正常磨削狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)，此時(shí)磨削狀態(tài) 測(cè)控系統(tǒng)把檢測(cè)到的信號(hào)變化反饋給數(shù)控系統(tǒng)，使其控制磨床停止加工;若正常磨削時(shí)能 夠按照數(shù)控系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的磨削量和磨削時(shí)間正常完成，此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)控制砂輪退刀，完 成工件的單次加工。
[0147] (3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸
[0148] FPGA同時(shí)與ARM9的系統(tǒng)總線接口通信，ARM9配置數(shù)據(jù)傳輸方式為內(nèi)存直接存取 (DMA)方式，其中FPGA的16位并行數(shù)據(jù)輸出給ARM9的數(shù)據(jù)總線LDATA接口，其它DMA通信用到 的信號(hào)線包括:DMA外部請(qǐng)求DREQ，DMA外部響應(yīng)D