專利名稱：：閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的技術(shù)方案涉及程序控制系統(tǒng)，具體地說(shuō)是閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置。
背景技術(shù)：
：大截面薄板和鋼坯的閃光對(duì)焊工藝流程分為預(yù)熱、閃光、頂鍛、保持和恢復(fù)五個(gè)階段。待焊鋼材可分為低碳鋼、低合金鋼、高碳鋼、高合金鋼和奧氏體鋼。為了提高閃光對(duì)焊的焊接質(zhì)量，現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了許多研究。CN00101672.5公開(kāi)了"閃光對(duì)焊方法"，是從硬件的角度對(duì)傳統(tǒng)的焊接裝置進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)強(qiáng)化被焊接工件的加熱、降低閃光預(yù)留量和焊成連接質(zhì)量的穩(wěn)定化而提高閃光焊接效率；CN200610038107.0披露了"金屬圓環(huán)鏈全自動(dòng)全液壓閃光對(duì)焊的方法及其裝置"，主要是從硬件方面采用全液壓技術(shù)；CN1761548報(bào)道了"閃光對(duì)焊機(jī)的自適應(yīng)在線控制系統(tǒng)及方法"，是通過(guò)作用于一個(gè)致動(dòng)器(該致動(dòng)器(U)甩于打開(kāi)閥門以控制焊接機(jī)夾具的定位)及偏置器來(lái)控制焊接操作。上述現(xiàn)有技術(shù)均未涉及在閃光對(duì)焊過(guò)程的預(yù)熱、閃光、頂鍛、保持和恢復(fù)五個(gè)階段，如何使用閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)精確地跟蹤閃光對(duì)焊工藝要求的位移曲線的控制方法問(wèn)題。由于在閃光對(duì)焊過(guò)程中決定焊接質(zhì)量最關(guān)鍵的問(wèn)題是在保證焯接電壓的前提下，使要焊接的鋼板按給定的位移曲線5=^2運(yùn)動(dòng)，這對(duì)閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)中的液壓位置伺服系統(tǒng)的跟蹤精度提出了較高的要求。當(dāng)前，閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)普遍采用傳統(tǒng)PID控制方法，其系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的l/"無(wú)法滿足跟蹤精度的要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置，在其液壓位置伺服系統(tǒng)控制回路上應(yīng)用二次型最優(yōu)控制線性反饋，并在其基礎(chǔ)上計(jì)算出前置濾波器函數(shù)和擾動(dòng)前饋補(bǔ)償器函數(shù)，克服了傳統(tǒng)PID控制方法跟蹤精度低的缺點(diǎn)。本發(fā)明解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置，由硬件部分和控制程序部分組成；其中硬件部分包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、16路可編程增益控制單端A/D采樣板、8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板、光電隔離模塊底板、D/A轉(zhuǎn)換板端子板、人機(jī)接口、打印機(jī)、DC24V電源、液壓缸位移輸入接線端子板、液壓缸位移速度輸入接線端子板、液壓缸位移加速度輸入接線端子板、電液伺服闊電流輸入接線端子板、液壓缸壓力輸入接線端子板、電液伺服閥輸出接線端子板、伺服放大器、電液伺服閥、液壓缸、負(fù)載、伺服放大器電流反饋傳感器、壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、液壓缸位移速度傳感器和液壓缸位移加速度傳感器，該硬件部分的連接方式是人機(jī)接口和打印機(jī)連接到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)還同時(shí)與16路可編程增益控制單端A/D采樣板和8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板相連接，16路可編程增益控制單端A/D釆樣板與光電隔離模塊底板相連接，光電隔離模塊底板與DC24V電源連接，光電隔離模塊底板上設(shè)置有液壓缸位置輸入接線端子板、液壓缸速度輸入接線端子板、液壓缸加速度輸入接線端子板、電液伺服閥電流輸入接線端子板和液壓缸壓力輸入接線端子板，8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板與D/A轉(zhuǎn)換板端子板相連接，D/A轉(zhuǎn)換板端子板又與電液伺服閥輸出接線端子板相連接，伺服放大器與電液伺服閥輸出接線端子板、電液伺服閥和伺服放大器電流反饋傳感器分別連接，電液伺服閥又連接到液壓缸，液壓缸又連接到負(fù)載上，負(fù)載又與壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、液壓缸位移速度傳感器和液壓缸位移加速度傳感器相連，伺服放大器電流反饋傳感器又連接到電液伺服閥電流輸入接線端子板，壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、液壓缸位移速度傳感器和液壓缸位移加速度傳感器則分別連接到液壓缸位移輸入接線端子板、液壓缸位移速度輸入接線端子板、液壓缸位移加速度輸入接線端子板和液壓缸壓力輸入接線端子板上；其中，伺服放大器、電液伺服閥、液壓缸和負(fù)載構(gòu)成液壓位置伺服系統(tǒng)；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、16路可編程增益控制單端A/D采樣板、8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板、光電隔離模塊底板、D/A轉(zhuǎn)換板端子板、液壓缸位移輸入接線端子板、液壓缸位移速度輸入接線端子板、液壓缸位移加速度輸入接線端子板、電液伺服閥電流輸入接線端子板、液壓缸壓力輸入接線端子板、電液伺服閥輸出接線端子板、伺服放大器電流反饋傳感器、壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、液壓缸位移速度傳感器和液壓缸位移加速度傳感器構(gòu)成液壓位置伺服系統(tǒng)控制回路；其中控制程序部分是在閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置的液壓位置伺服系統(tǒng)控制回路上應(yīng)用二次型最優(yōu)控制線性反饋，并在其基礎(chǔ)上計(jì)算出前置濾波器函數(shù)和擾動(dòng)前饋補(bǔ)償器函數(shù)，該控制程序部分包括根據(jù)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)定如下液壓位置伺服系統(tǒng)的參數(shù)，其中，伺服放大器增益;t。為0.01々K，伺服閥增益、為lcm/zJ，伺服閥放大系數(shù)、為25000cw仏；，伺服閥壓力流量系數(shù)^為0.0258cw3一/w.cw_2,液壓缸有效面積々為53.91c附2,液壓缸總?cè)莘e^為442.062c/k3，油液彈性模量&為7x104w/cw2，負(fù)載質(zhì)量M,為IOOO紐；二次型控制方法是基于狀態(tài)方程；-^c+5",在選定最優(yōu)加權(quán)矩陣e、i的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)控制輸入^)=-&(0+/-、、《的最優(yōu)反饋增益矩陣K以及前置濾波函數(shù)gW,使系統(tǒng)的輸出向量y(o盡量接近期望輸出向量i;(f)，即使誤差向量e(o-w)-y(o盡量小，同時(shí)也要求控制變量滿足實(shí)際物理系統(tǒng)的功率要求。因此選定二次型性能指標(biāo)函數(shù)5J=f(/ge+"71^0^,2=^。g[100O]，《=1，能使泛函J達(dá)到極小值的"(O就是最優(yōu)控制輸入。利用Matlab求解代數(shù)Riccati方程，公式為[尺,尸]=—(Afi,6，w),可以求出反饋陣。式中^為系統(tǒng)矩陣，S為控制矩陣，K為狀態(tài)反饋向量，P為Riccati方程的解，e、W是根據(jù)系統(tǒng)要求的跟蹤精度和系統(tǒng)的輸出功率選定的最佳權(quán)矩陣。前置濾波器函數(shù)g(,)應(yīng)滿足下列矢量微分方程洲=-M-朋-k7"/^g-c、代入4Ac,凡e，w可得前置濾波器函數(shù)gw的微分方程組-g3=-gl+柳式中/7(,)為輸入W)=0.0005,2解方程組得g3(')=柳x3.1623+柳x588.1878+;7(0x36.6827即前置濾波器函數(shù)為GCy)=3.1623+588.1878s+36.6827s2;上述控制程序存儲(chǔ)于上述硬件部分的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)中。上述閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置，其中硬件部分均為公知的元器件，其連接方法也是普通公知的。本發(fā)明的有益效果是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)在使用閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)精確地跟蹤閃光對(duì)焊工藝要求的位移曲線的控制方法方面的空白，并為了滿足液壓位置伺服系統(tǒng)對(duì)閃光對(duì)焊工藝要求的位移曲線的跟蹤精度的要求，本發(fā)明尋求一種優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制方法的最優(yōu)控制方法，即在采用二次型全部狀態(tài)變量構(gòu)成的最優(yōu)線性反饋的基礎(chǔ)上，根據(jù)給定的位置伺服系統(tǒng)位移曲線計(jì)算出前置濾波函數(shù)，并以跟蹤誤差為優(yōu)化目標(biāo)，在控制系統(tǒng)中取得優(yōu)于PID的位置跟蹤效果進(jìn)而達(dá)到提高待焊鋼板焊接質(zhì)量的目的。對(duì)于此類研究方法國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)報(bào)道。線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)方法是60年代發(fā)展起來(lái)的一種應(yīng)用較多的最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。二次型問(wèn)題的被控對(duì)象是以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng)，目標(biāo)函數(shù)為對(duì)象狀態(tài)和控制輸入的二次型函數(shù)。二次型問(wèn)題是在線性系統(tǒng)的約束條件下，選擇適當(dāng)?shù)目刂戚斎胧沟枚涡湍繕?biāo)函數(shù)值達(dá)到最小。最優(yōu)控制理論與航空、航天的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)密不可分。二次型問(wèn)題是此理論中應(yīng)用最為廣泛的，原因在于這類問(wèn)題能夠得到解析解，并可離線完成繁瑣的控制器參數(shù)計(jì)算進(jìn)而保證控制的實(shí)時(shí)性，從理論上為高精度工業(yè)過(guò)程控制提供了一種解決方法。本發(fā)明閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置先利用16路可編程增益控制單端A/D采樣板完成模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，完成動(dòng)夾鉗的位移、位移速度、位移加速度、電液伺服閥電流反饋、液壓缸輸出壓力等信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)液壓位置伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板完成數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換，計(jì)算與控制信號(hào)輸出，數(shù)據(jù)的輸出將在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的顯示器中顯示出來(lái)。將二次型控制算法應(yīng)用于液壓位置伺服系統(tǒng)后，通過(guò)應(yīng)用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)顯示出輸入輸出數(shù)據(jù)與理論數(shù)值的對(duì)比，可以精確得出液壓位置系統(tǒng)的高跟蹤精度。同時(shí)，在閃光焊接時(shí)，整個(gè)焊接工藝的控制過(guò)程均由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)完成，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可對(duì)電液伺服閥的精確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接全過(guò)程所要求的工藝曲線以及焊接過(guò)程中數(shù)據(jù)的輸入采集及輸出顯示，起到實(shí)時(shí)監(jiān)控該液壓伺服系統(tǒng)的作用。本發(fā)明閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明將具有擾動(dòng)前饋的二次型優(yōu)化控制方法應(yīng)用于閃光對(duì)焊工藝的位置伺服系統(tǒng)，在液壓位置伺服系統(tǒng)控制回路上應(yīng)用二次型最優(yōu)控制線性反饋，并在其基礎(chǔ)上計(jì)算出前置濾波函數(shù)和擾動(dòng)前饋補(bǔ)償函數(shù)，使液壓位置伺服系統(tǒng)較傳統(tǒng)PID控制方法的響應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)時(shí)間更短、跟蹤精度更高、抗干擾能力更強(qiáng)。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)PID控制方法跟蹤精度低的問(wèn)題，將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置跟蹤精度誤差由PID控制方法的13.3%提高到2.2%，其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置跟蹤精度誤差僅為傳統(tǒng)PID控制方法的五分之一，符合了液壓位置伺服系統(tǒng)跟蹤精度的要求。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是本發(fā)明閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置硬件部分構(gòu)成及其連接示意框圖。圖2是本發(fā)明采用前置濾波函數(shù)的二次型最優(yōu)控制方法的控制原理框圖。圖3是本發(fā)明的前饋補(bǔ)償函數(shù)計(jì)算原理框圖。圖4是本發(fā)明閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置的閃光對(duì)焊工藝位移給定曲線與液壓位置伺服系統(tǒng)的位置跟蹤響應(yīng)曲線。圖中，l.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2.16路可編程增益控制單端A/D采樣板，3.8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板，4.光電隔離模塊底板，5.D/A轉(zhuǎn)換板端子板，6.人機(jī)接口，7.打印機(jī)，8.DC24V電源，9.液壓缸位移輸入接線端子板，IO.液壓缸位移速度輸入接線端子板，11.液壓缸位移加速度輸入接線端子板，12.電液伺服閥電流輸入接線端子板，13.液壓缸壓力輸入接線端子板，14.電液伺服閥輸出接線端子板，15.伺服放大器，16.電液伺服閥，17.液壓缸，18.負(fù)載，19.伺服放大器電流反饋傳感器，20.壓力傳感器，21.液壓缸位移傳感器，22.液壓缸位移速度傳感器，23.液壓缸位移加速度傳感器。具體實(shí)施例方式圖l所示實(shí)施例表明，本發(fā)明閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置的硬件部分包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(1)、16路可編程增益控制單端A/D采樣板(2)、8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板(3)、光電隔離模塊底板(4)、D/A轉(zhuǎn)換板端子板(5)、人機(jī)接口(6)、打印機(jī)(7)、DC24V電源(8)、液壓缸位移輸入接線端子板(9)、液壓缸位移速度輸入接線端子板(10)、液壓缸位移加速度輸入接線端子板(11)、電液伺服閥電流輸入接線端子板(12)、液壓缸壓力輸入接線端子板(13)、電液伺服閥輸出接線端子板(14)、伺服放大器(15)、電液伺服閥(16)、液壓缸(17)、負(fù)載(18)、伺服放大器電流反饋傳感器(19)、壓力傳感器(20)、液壓缸位移傳感器(21)、液壓缸位移速度傳感器(22)和液壓缸位移加速度傳感器(23)，該硬件部分的連接方式是人機(jī)接口(6)和打印機(jī)(7)連接到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(1)上，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(1)還同時(shí)與16路可編程增益控制單端A/D采樣板(2)和8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板相連接(3)，16路可編程增益控制單端A/D采樣板(2)與光電隔離模塊底板(4)相連接，光電隔離模塊底板(4)與DC24V電源(8)連接，光電隔離模塊底板(4)上設(shè)置有液壓缸位移輸入接線端子板(9)、液壓缸位移速度輸入接線端子板(10)、液壓缸位移加速度輸入接線端子板(11)、電液伺服閥電流輸入接線端子板(12)和液壓缸壓力輸入接線端子板(13)，8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板(3)與D/A轉(zhuǎn)換板端子板(5)相連接，D/A轉(zhuǎn)換板端子板(5)又與電液伺服閥輸出接線端子板(14)相連接，伺服放大器(15)與電液伺服閥輸出接線端子板(14)、電液伺服閥(16)和伺服放大器電流反饋傳感器(19)分別連接，電液伺服閥(16)又連接到液壓缸(17)，液壓缸(17)又連接到負(fù)載(18)上，負(fù)載(18)又與壓力傳感器(20)、液壓缸位移傳感器(21)、液壓缸位移速度傳感器(22)和液壓缸位移加速度傳感器(23)相連，伺服放大器電流反饋傳感器(19)又連接到電液伺服閥電流輸入接線端子板(12)，壓力傳感器(20)、液壓缸位移傳感器(21)、液壓缸位移速度傳感器(22)和液壓缸位移加速度傳感器(23)則分別連接到液壓缸位移輸入接線端子板(9)、液壓缸位移速度輸入接線端子板(10)、液壓缸位移加速度輸入接線端子板(11)和液壓缸壓力輸入接線端子板(13)上；其中，伺服放大器(15)、電液伺服閥(16)、液壓缸(17)和負(fù)載(18)構(gòu)成液壓位置伺服系統(tǒng)；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(1)、16路可編程增益控制單端A/D采樣板(2)、8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板(3)、光電隔離模塊底板(4)、D/A轉(zhuǎn)換板端子板(5)、液壓缸位移輸入接線端子板(9)、液壓缸位移速度輸入接線端子板(10)、液壓缸位移加速度輸入接線端子板(11)、電液伺服閥電流輸入接線端子板(12)、液壓缸壓力輸入接線端子板(13)、電液伺服閥輸出接線端子板(14)、伺服放大器電流反饋傳感器(19)、壓力傳感器(20)、液壓缸位移傳感器(21)、液壓缸位移速度傳感器(22)和液壓缸位移加速度傳感器(23)構(gòu)成液壓位置伺服系統(tǒng)控制回路。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(1)中安裝有存儲(chǔ)控制程序的硬盤(pán),其作用是完成前置濾波函數(shù)、前饋補(bǔ)償函數(shù)計(jì)算和最優(yōu)控制輸入"(0=-&(0+及-1^^(0計(jì)算，輸入輸出數(shù)據(jù)與理論數(shù)值的對(duì)比則工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的顯示器顯示出來(lái)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可對(duì)電液伺服閥的精確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接全過(guò)程所要求的工藝曲線以及焊接過(guò)程中數(shù)據(jù)的輸入采集及輸出顯示，起到實(shí)時(shí)監(jiān)控該液壓伺服系統(tǒng)的作用；16路可編程增益控制單端A/D采樣板(2)的作用8是完成狀態(tài)變量X(O，即液壓缸位移、液壓缸位移速度、液壓缸位移加速度的檢測(cè)，負(fù)載擾動(dòng)信號(hào)D(t)的檢測(cè)和最優(yōu)控制輸入一)--&(0+/-16、(0反饋的檢測(cè)；光電隔離模塊底板(4)的作用是將16路可編程增益控制單端A/D采樣板(2)與外部信號(hào)實(shí)現(xiàn)電隔離以增加系統(tǒng)可靠性；DC24V電源(8)的作用是給光電隔離模塊底板(4)供電；人機(jī)接口(6)的作用是完成預(yù)熱、閃光、頂鍛、保持、恢復(fù)五個(gè)階段閃光對(duì)焊工藝要求的位移曲線設(shè)定；打印機(jī)(7)的作用是完成液壓缸位移曲線和設(shè)定位移曲線的打印；液壓缸位移輸入(9)、液壓缸位移速度輸入(10)、液壓缸位移加速度輸入(11)、電液伺服閥電流輸入(12)以及液壓缸壓力輸入(13)均為光電隔離模塊底板(4)的接線端子板，其作用是完成工業(yè)計(jì)算機(jī)(1)與外部信號(hào)的連接；8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板(3)的作用是完成最優(yōu)控制輸入"(0=-&(/)+*—^、(,)對(duì)液壓位置伺服系統(tǒng)的輸出；D/A轉(zhuǎn)換板端子板(5)是8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板(3)的接線端子板，其作用是完成計(jì)算機(jī)控制信號(hào)"(,)=-+Wg(0與液壓位置伺服系統(tǒng)的連接；伺服放大器(15)的作用是將D/A轉(zhuǎn)換板端子板(5)輸出的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電液伺服閥接受的電流信號(hào)；電液伺服閥(16)的作用是根據(jù)輸入電流大小決定閥門開(kāi)度；液壓缸(17)的作用是根據(jù)電液伺服閥門開(kāi)度的大小決定了液壓壓力的大小，進(jìn)而決定了液壓缸的位移速度；負(fù)載(1S)是與液壓缸連接的動(dòng)夾鉗，動(dòng)夾鉗上夾著待焊工件；伺服放大器電流反饋器(19)是伺服放大器(15)的電流反饋傳感器；液壓缸壓力反饋器(20)是安裝在液壓缸(17)缸底的壓力傳感器；液壓缸位移反饋器(21)是液壓缸位移傳感器；液壓缸位移速度反饋器(22)是液壓缸位移速度傳感器；液壓缸位移加速度反饋器(23)是液壓缸位移加速度傳感器。本實(shí)施例的閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置先利用16路可編程增益控制單端A/D采樣板(2)完成模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，.完成動(dòng)夾鉗的位移、位移速度、位移加速度、電液伺服閥電流反饋、液壓缸輸出壓力等信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)液壓位置伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板(3)完成數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換，計(jì)算與控制信號(hào)輸出，數(shù)據(jù)的輸出將在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(1)的顯示器中顯示出來(lái)。圖2所示實(shí)施例表明，該圖中的輸入&(0是預(yù)熱、閃光、頂鍛、保持、恢復(fù)五個(gè)階段閃光對(duì)焊工藝要求的位移曲線，二次型控制算法是基于狀態(tài)方程；-^c+5w,在選定最優(yōu)加權(quán)矩陣e、i的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)控制輸入"(')=-/Oc(0+rWg(f)的最優(yōu)反饋增益矩陣x以及前置濾波函數(shù)gw，使系統(tǒng)的輸出向量r(o盡量接近期望輸出向量y,(o,即使誤差向量e(o-i;w-y(o盡量小，同時(shí)也要求控制變量滿足實(shí)際物理系統(tǒng)的功率要求。因此選定二次型性能指標(biāo)函數(shù)hf(/^+"T刷力，2=&昭[10oo]，*=1,能使泛函J達(dá)到極小值的一)就是最優(yōu)控制輸入。利用Matlab求解代數(shù)Riccati方程，公式為,可以求出反饋陣。式中^為系統(tǒng)矩陣，S為控制矩陣，K為狀態(tài)反饋向量，/>為Riccati方程的解，e、W是根據(jù)系統(tǒng)要求的跟蹤精度和系統(tǒng)的輸出功率選定的最佳權(quán)矩陣。前置濾波函數(shù)g(,)應(yīng)滿足下列矢量微分方程g(O=_[乂_s/r1671^「g_c^gJ7代入4S，C，凡a/7可得前置濾波器函數(shù)g(0的微分方程組-gl=293.3gl+g2—g2=-2932.7g1+g3-g3=-gl+柳式中為輸入/7=0.0005f2解方程組得g3(0=柳x3.1623+〃(0x588.1878+x36.6827即前置濾波器函數(shù)為GCs)=3.1623+588.1878s+36.6827j2圖3所示實(shí)施例表明根據(jù)線性疊加原理，在位置給定信號(hào)為零時(shí)，將圖2轉(zhuǎn)換成s算子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。若沒(méi)有前饋補(bǔ)償函數(shù)，擾動(dòng)量z)只通過(guò)&w影響y，即yW=GrfWZX"。添加前饋補(bǔ)償函數(shù)后，擾動(dòng)量D同時(shí)還通過(guò)補(bǔ)償通道中G^WGp(》來(lái)影響被調(diào)量y。擾動(dòng)D對(duì)于被調(diào)量r的影響降為零，從而實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償。圖4所示實(shí)施例表明，液壓位置伺服系統(tǒng)的參數(shù)如下伺服放大器增益yt。為0.0"/r，伺服閥增益、為lc附A4，伺服閥放大系數(shù)~為250003厶；，伺服閥壓力流量系數(shù)&為0.0258c附、j"/w.ctT2,液壓缸有效面積^為53.91cm2，液壓缸總?cè)莘eR為442.062c/n3，油液彈性模量A為7x104^/^2，負(fù)載質(zhì)量碼為1000紐；加權(quán)矩陣e和/的大小表明了設(shè)計(jì)者對(duì)跟蹤誤差和控制能量?jī)烧叩闹匾暢潭?，隨著e值的增大，系統(tǒng)輸出建立的時(shí)間就變得越短，系統(tǒng)的跟蹤效果也變得越好。隨著W值的增大，系統(tǒng)輸出建立的時(shí)間就越長(zhǎng)，系統(tǒng)的跟蹤效果也就變得越差。圖4中，位移輸出與位移輸入兩條曲線基本重合，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置跟蹤精度誤差由PID控制器的13.3%提高到2.2%。權(quán)利要求1.閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置，其特征在于該裝置由硬件部分和控制程序部分組成；其中硬件部分包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、16路可編程增益控制單端A/D采樣板、8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板、光電隔離模塊底板、D/A轉(zhuǎn)換板端子板、人機(jī)接口、打印機(jī)、DC24V電源、液壓缸位移輸入接線端子板、液壓缸位移速度輸入接線端子板、液壓缸位移加速度輸入接線端子板、電液伺服閥電流輸入接線端子板、液壓缸壓力輸入接線端子板、電液伺服閥輸出接線端子板、伺服放大器、電液伺服閥、液壓缸、負(fù)載、伺服放大器電流反饋傳感器、壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、液壓缸位移速度傳感器和液壓缸位移加速度傳感器，該硬件部分的連接方式是人機(jī)接口和打印機(jī)連接到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)還同時(shí)與16路可編程增益控制單端A/D采樣板和8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板相連接，16路可編程增益控制單端A/D采樣板與光電隔離模塊底板相連接，光電隔離模塊底板與DC24V電源連接，光電隔離模塊底板上設(shè)置有液壓缸位置輸入接線端子板、液壓缸速度輸入接線端子板、液壓缸加速度輸入接線端子板、電液伺服閥電流輸入接線端子板和液壓缸壓力輸入接線端子板，8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板與D/A轉(zhuǎn)換板端子板相連接，D/A轉(zhuǎn)換板端子板又與電液伺服閥輸出接線端子板相連接，伺服放大器與電液伺服閥輸出接線端子板、電液伺服閥和伺服放大器電流反饋傳感器分別連接，電液伺服閥又連接到液壓缸，液壓缸又連接到負(fù)載上，負(fù)載又與壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、液壓缸位移速度傳感器和液壓缸位移加速度傳感器相連，伺服放大器電流反饋傳感器又連接到電液伺服閥電流輸入接線端子板，壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、液壓缸位移速度傳感器和液壓缸位移加速度傳感器則分別連接到液壓缸位移輸入接線端子板、液壓缸位移速度輸入接線端子板、液壓缸位移加速度輸入接線端子板和液壓缸壓力輸入接線端子板上；其中，伺服放大器、電液伺服閥、液壓缸和負(fù)載構(gòu)成液壓位置伺服系統(tǒng)；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、16路可編程增益控制單端A/D采樣板、8通道光隔離型D/A轉(zhuǎn)換板、光電隔離模塊底板、D/A轉(zhuǎn)換板端子板、液壓缸位移輸入接線端子板、液壓缸位移速度輸入接線端子板、液壓缸位移加速度輸入接線端子板、電液伺服閥電流輸入接線端子板、液壓缸壓力輸入接線端子板、電液伺服閥輸出接線端子板、伺服放大器電流反饋傳感器、壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、液壓缸位移速度傳感器和液壓缸位移加速度傳感器構(gòu)成液壓位置伺服系統(tǒng)控制回路；其中控制程序部分是在閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置的液壓位置伺服系統(tǒng)控制回路上應(yīng)用二次型最優(yōu)控制線性反饋，并在其基礎(chǔ)上計(jì)算出前置濾波器函數(shù)和擾動(dòng)前饋補(bǔ)償器函數(shù)，該控制程序部分包括根據(jù)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)定如下液壓位置伺服系統(tǒng)的參數(shù)，其中，伺服放大器增益ka為0.01A/V，伺服閥增益ks為1cm/A，伺服閥放大系數(shù)kq為25000cm3/s；，伺服閥壓力流量系數(shù)kc為0.0258cm3·s-1/N·cm-2，液壓缸有效面積Ap為53.91cm2，液壓缸總?cè)莘eVt為442.062cm3，油液彈性模量βe為7×104N/cm2，負(fù)載質(zhì)量Mt為1000kg；二次型控制方法是基于狀態(tài)方程<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>x</mi><mo>·</mo></mover><mo>=</mo><mi>Ax</mi><mo>+</mo><mi>Bu</mi><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100694870003C1.tif"wi="22"he="5"top="90"left="91"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>在選定最優(yōu)加權(quán)矩陣Q、R的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)控制輸入u(t)＝-Kx(t)+R-1BTg(t)的最優(yōu)反饋增益矩陣K以及前置濾波函數(shù)g(t)，使系統(tǒng)的輸出向量Y(t)盡量接近期望輸出向量Yr(t)，即使誤差向量e(t)＝Y(jié)r(t)-Y(t)盡量小，同時(shí)也要求控制變量滿足實(shí)際物理系統(tǒng)的功率要求。因此選定二次型性能指標(biāo)函數(shù)<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><msubsup><mo>∫</mo><mn>0</mn><mo>∞</mo></msubsup><mrow><mo>(</mo><msup><mi>e</mi><mi>T</mi></msup><mi>Qe</mi><mo>+</mo><msup><mi>u</mi><mi>T</mi></msup><mi>Ru</mi><mo>)</mo></mrow><mi>dt</mi><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009100694870003C2.tif"wi="36"he="5"top="128"left="23"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>Q＝diag[1000]，R＝1，能使泛函J達(dá)到極小值的u(t)就是最優(yōu)控制輸入。利用Matlab求解代數(shù)Riccati方程，公式為[K，P]＝lqr(A，B，Q，R)，可以求出反饋陣。式中A為系統(tǒng)矩陣，B為控制矩陣，K為狀態(tài)反饋向量，P為Riccati方程的解，Q、R是根據(jù)系統(tǒng)要求的跟蹤精度和系統(tǒng)的輸出功率選定的最佳權(quán)矩陣。前置濾波器函數(shù)g(t)應(yīng)滿足下列矢量微分方程<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>g</mi><mo>·</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>-</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mi>A</mi><mo>-</mo><msup><mi>BR</mi><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><msup><mi>B</mi><mi>T</mi></msup><mi>P</mi><mo>]</mo></mrow><mi>T</mi></msup><mi>g</mi><mo>-</mo><msup><mi>C</mi><mi>T</mi></msup><mi>Qη</mi></mrow>]]></math></maths>代入A，B，C，R，Q，η可得前置濾波器函數(shù)g(t)的微分方程組<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mo>-</mo><msub><mover><mi>g</mi><mo>·</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>293.3</mn><msub><mi>g</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><msub><mover><mi>g</mi><mo>·</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mn>2932.7</mn><msub><mi>g</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mn>3</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><msub><mover><mi>g</mi><mo>·</mo></mover><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><msub><mi>g</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>η</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math></maths>式中η(t)為輸入η(t)＝0.0005t2解方程組得<mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><msub><mover><mi>g</mi><mo>·</mo></mover><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>η</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mn>3.1623</mn><mo>+</mo><mover><mi>η</mi><mo>·</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mn>588.1878</mn><mo>+</mo><mover><mi>η</mi><mrow><mo>·</mo><mo>·</mo></mrow></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mn>36.6827</mn></mrow>]]></math>id="icf0005"file="A2009100694870003C5.tif"wi="77"he="5"top="247"left="58"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>即前置濾波器函數(shù)為G(s)＝3.1623+588.1878s+36.6827s2；上述控制程序存儲(chǔ)于上述硬件部分的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)中。全文摘要本發(fā)明閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置，涉及程序控制系統(tǒng)。該裝置由硬件部分和控制程序部分組成；其中控制程序部分是在閃光對(duì)焊位置伺服系統(tǒng)控制裝置的液壓位置伺服系統(tǒng)控制回路上應(yīng)用二次型最優(yōu)控制線性反饋，并在其基礎(chǔ)上計(jì)算出前置濾波器函數(shù)和擾動(dòng)前饋補(bǔ)償器函數(shù)。將具有擾動(dòng)前饋的二次型優(yōu)化控制方法應(yīng)用于閃光對(duì)焊工藝的液壓位置伺服系統(tǒng)，使液壓位置伺服系統(tǒng)較傳統(tǒng)PID控制方法的響應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)時(shí)間更短、跟蹤精度更高、抗干擾能力更強(qiáng)，解決了傳統(tǒng)PID控制方法跟蹤精度低的問(wèn)題，將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置跟蹤精度誤差由PID控制方法的13.3％提高到2.2％，符合了液壓位置伺服系統(tǒng)跟蹤精度的要求。文檔編號(hào)G05B19/18GK101592937SQ20091006948公開(kāi)日2009年12月2日申請(qǐng)日期2009年6月30日優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日發(fā)明者冉劉,溪柳,王宏文,祖麗楠申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)