速度阻尼的压力切换控制范文

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《中国机械工程杂志》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统中,PID各项参数的单一变化很难满足位移与速度的变化要求。在运动开始阶段,距离目标点较远,速度大,系统进入高速运动阶段。此时,需要在增大PID控制中比例项同时减小积分项的作用。随着距离参点越来越近,系统的运行速度变小。系统进入稳态调整阶段,在提高积分系数的同时减小比例系数,从而尽可能消除稳态误差。最终使得整个控制系统能够快速响应输入信号,达到精确、无超调的指标要求。采用的改进PID算法为根据速度的变化调整PID中比例、积分及微分的参数,实现控制系统的实时调节,达到高速高精度的控制要求。为了达到高速高精的运动目标,采用双前馈加变参数PID控制,如图2所示。位置环直接使用光栅尺反馈的数字信号,速度环的反馈信号通过速度拟合算法获取,即对反馈位置信号进行一次差分得到速度信号,然后再将相邻的速度信号进行平均即可得到速度环反馈回路的信号,其数学公式为根据图2所示的控制方法进行试验,检测位置控制性能。PID的相关参数是关于速度的函数,实际运动过程中,速度波动影响电机的定位精度并最终导致定位精度低于系统要求。由于焊接头在实际运动中受到外界高频信号的干扰,因此需设计低通滤波器以消除高频干扰。为进一步提高系统性能,在系统设计中加入了陷波滤波器算法。通过滤除工频干扰及系统中的扰动,提高了系统抗干扰性能。经过低通滤波和陷波滤波之后,系统响应曲线得到了改善。

1.2暋压力控制SMT贴片机焊接过程中,压力加载的精度影响焊接效果,因此必须准确控制。焊接头的压力控制可分为直接力控制和间接力控制。直接力控制是指在焊接头的机械结构上安装测力传感器,引入力反馈,形成闭环反馈,实现压力的精确控制,如图3所示。在位置环、速度环、电流环控制的基础上,在位置外环加入PD控制器并输入力的规划信号,从而实现压力的控制。其中,力控制采用PD控制律。压力控制过程中,位置环的存在可减小芯片焊接过程中的振动或抖动。控制系统通过改进的PID控制算法,实现参数调节的最优化,从而使力控制效果达到最佳。力反馈装置价格高,实际工业设备中使用较少。本系统采用基于速度阻尼方法的压力控制(属于间接力控制),既能降低设备成本,又能实现压力的精确控制。

1.3暋力/位切换控制系统由位置控制跳转到压力控制必然涉及位移与压力的切换。为此,需要开展对力/位切换控制的研究。

1.3.1暋直接力/位切换控制力/位切换控制方案有很多种,其中最简单且易于实现的就是直接力/位切换方式。如图4所示,直接力/位切换控制存在两个前向通道:栙位置环、速度环、电流环组成的位置控制通道;栚力规划器和电流环组成的力控制通道。二者通过切换开关进行通道的选择。切换开关以位置偏差及其他辅助因素作为判断条件,进行两路通道的切换。如图5所示,运动规则如下(1)将速度规划分为高速运动及低速搜索运动,将力参考输入规划为关于时间的函数。(2)位置环路的偏差及规划位置到位标志位是力/位控制的切换条件。环路切换时,速度前馈与加速度前馈系数置为0,同时上一环路的输出变为0。控制中,需要进行多个标志位的设置,以实时监测当前的运动状态。

1.3.2暋基于速度阻尼的力/位切换控制为提高控制精度,提出了基于速度阻尼的力/位切换控制方法,该方法属于间接力控制,其设计思想是在焊接头搜索阶段,以位置偏差作为切换条件,进入阈值时将控制器切换到速度环与电流环控制模式实现运动速度的快速抑制,从而达到平稳切换的目地。图6、图7存在两个通道:栙位置环、速度环、电流环组成的位置控制通道;栚力规划器、速度环、电流环组成的力控制通道。在进行力/位切换时,参数控制器只是速度环参数规划表,并非自成环路。利用速度闭环构成的速度阻尼,对切换速度进行精确控制,来缓冲焊接头与基板之间的碰撞,使焊接能够快速稳定进行。速度阻尼切换控制的不同之处是在力/位切换时,通过切换条件,保留了速度环。阻尼的作用是通过设定速度环的参数来体现的,图8为该算法的流程图,具体切换规则如下:(1)环路切换时,将位置环路的输出置为0,并将速度前馈与加速度前馈系数置0。此操作切断了位置环,保留了速度环。(2)合理设置速度环的PID参数,使其在力/位切换过程中,对速度的波动进行很好的抑制,使压力加载过程更加稳定。(3)速度环路构成阻尼器,通过改变速度环路控制律的参数实现阻尼变化,使得系统更加稳定。

2暋试验验证

焊接头的力/位切换控制中,通过控制电流环的输入电压,控制输出的力。在力矩环模式下,规划力的输入信号从而控制焊接头末端的输出力,实现焊接运动,如图9所示。其中,PID参数的设计公式为相比于直接力/位切换控制,基于速度阻尼方法的压力波动明显减小,反弹力为0,压力波动效果接近暲0灡3N的设计要求。因此,在整个力/位切换过程中,压力加载平,焊接头在力/位切换过程中的振动得到抑制。由此可知,速度阻尼的作用效果非常明显。在实际工作工程中,实际运动参数会影响切换时的效果从而影响位移与压力加载的精度。

2.1暋搜索速度对力/位切换效果的影响在焊接试验过程中,设置搜索速度分别为12mm/s、24mm/s、36mm/s、48mm/s并开展试验,得到搜索速度与力响应之间的关系,如图11所示。可知,随搜索速度的增加,冲击力也随之加大,加载的压力波动也越大。

2.2暋阻尼系数对力/位切换效果影响阻尼系数毱对压力加载的影响规律如图12结语以SMT贴片机为例,研究了焊接过程中的位置控制和压力控制。针对实际工况中信号扰动的问题,设计了低通滤波器和陷波滤波器,提出了变参数PID控制算法并构建了双前馈控制策略,以进一步提高控制系统的性能。在直接力/位切换的基础上,提出了基于速度阻尼的切换控制算法并开展了一系列试验。从试验结果可知,直接力/位切换方法在切换过程中没有很好地抑制速度的波动,其冲击力达到了0灡7N,压力加载阶段的压力波动超出设定的暲0灡3N的范围。基于速度阻尼力/位切换方案则解决了这一问题,反弹力为0且加载阶段的压力波动接近暲0灡3N,满足设计要求。从试验的角度分析了速度和阻尼对冲击力和压力波动的影响规律,即较低的搜索速度产生的冲击力小,合适的阻尼系数能有效地抑制压力的波动。

作者：隆志力禹新路朱超单位：哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳深圳先进运动控制技术与现代自动化装备重点实验室东莞华中科技大学制造工程研究院