電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床及其控制方法

2023-07-19 13:27:51

專利名稱：電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床及其控制方法
技術領域：
本發明提供一種採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，本發明屬 於數控加工技術領域，特別涉及一種鏜銑床龍門懸浮裝置及其遺傳算法實時整定控制器參 數的控制方法。
背景技術：
隨著科技產業的不斷發展，工業製造過程中對高加工精度和效率的要 求不斷提高，因此非接觸式的磁懸浮系統愈加廣泛地應用在各種製造設備中。龍門移動式 數控鏜銑床是重要的、且最具代表性的大型加工設備之一，在龍門移動式數控鏜銑床中，移 動的龍門橫梁和床身導軌之間存在著摩擦，這種摩擦的存在有百害而無一利。而要想從根 本上徹底解決摩擦問題，唯有把兩個相對運動的接觸面分離開來，不直接發生接觸。也就是 說，把具有一定重量的運動體懸浮起來，這才是解決摩擦問題的根本出路。為此採用電磁懸 浮技術通過磁場力將移動的龍門懸浮起來，由直線電機驅動龍門框架運動，可實現無摩擦 運行。與傳統的移動式龍門相比，磁懸浮龍門具有無機械摩擦、無接觸磨損和無需潤滑 的優點。由於相對運動表面間沒有接觸，因而徹底消除了爬行現象，沒有因磨損和接觸疲勞 所產生的精度下降和壽命問題，而電子元件的可控性優於機械零件，使得其可控性高於傳 統的移動式龍門；而且省掉了靜壓導軌必需的龐大油路輔助設備，對環境不產生汙染，降低 了超潔淨防塵條件；由於磁懸浮式龍門採用了主動控制，可提高數控工具機的信息處理能力， 如工況檢測、預報和故障診斷。而且磁懸浮式龍門有工作溫度範圍大、維護簡單、壽命長等 優點。但要將磁懸浮技術應用到大型龍門移動式工具機的橫梁懸浮上，還有不少關鍵技術等 待解決，在這裡，由於被懸浮的橫梁的質量較大、加工時對懸浮高度的嚴重幹擾、要求懸浮 高度的動、靜態精度很高、而且系統要有高剛度、能夠超低速進給等，這與其它領域中對懸 浮系統所要求的性能有重大區別。這些特殊性要求給本懸浮系統的研究工作提出了十分苛 刻的要求，對控制技術提出了嚴峻的挑戰。與磁懸浮列車相比，磁懸浮列車對於懸浮高度的 精確性沒有太高的要求，因為需要載人，要求舒適、安全和穩定即可。磁懸浮控制的數控機 床移動部件除了要求高速驅動外，還要求高精度支承和定位，特別是在低速微進給狀態下 精加工，對磁懸浮高度的精確性、剛度和魯棒性就有非常高的要求。

發明內容
發明目的本發明提供一種採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床及其控制方 法，其目的是解決以往的移動的龍門橫梁和床身導軌之間存在的著摩擦以至於影響工作效 率的問題。技術方案本發明是通過以下技術方案來實現的一種採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，主要包括床身和可以與床身做相 對移動的龍門橫梁，所述床身和龍門橫梁之間設置有驅動龍門橫梁與床身做相對移動的直 線推進系統，其特徵在於在所述龍門橫梁上還設置有使龍門橫梁在床身上懸浮的電磁永 磁混合磁極懸浮電磁鐵，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵設置在龍門橫梁上朝向床身底沿的 一側，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵與控制系統連接，所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵為帶有永磁磁極的纏有通電線圈的磁體；所述永磁磁極設置在靠近床身底沿的位置。所述直線推進系統為永磁直線同步電動機，該永磁直線同步電動機的動子設置在 龍門橫梁上，其定子固定在床身上；在所述龍門橫梁與床身之間還設置有導向電磁鐵，所述 導向電磁鐵設置在龍門橫梁上朝向床身兩側的位置上。所述控制系統包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A轉換器、A/D轉換器、功率放大器 和電渦流式位移傳感器；所述JTAG仿真器連接至DSP控制器，DSP控制器連接至D/A轉換 器，D/A轉換器連接至功率放大器，功率放大器連接至電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵的通電 線圈和導向電磁鐵的通電線圈；所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵與床身之間設置有電渦 流式位移傳感器，所述導向電磁鐵與床身之間也設置有電渦流式位移傳感器，電渦流式位 移傳感器通過A/D轉換器連接至DSP控制器。一種控制上述的採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床的控制方法，其特徵在 於該方法先將一對永磁鐵，利用線圈繞組纏繞形成控制龍門橫梁懸浮的電磁永磁混合磁 極懸浮電磁鐵，然後通過控制系統中的電渦流式位移傳感器對龍門橫梁的懸浮情況進行採 樣，然後將信息通過A/D轉換器傳輸進DSP控制器內，由DSP控制器對該信息與預先設定的 信息進行比較計算後，再通過D/A轉換器和功率放大器對龍門橫梁上的電磁永磁混合磁極 懸浮電磁鐵進行準確的調整，完成對龍門橫梁懸浮情況的控制。所述控制方法的具體步驟如下步驟一、DSP控制器進行系統初始化；步驟二、檢測該採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床是否有結束請求信號； 如果有結束請求信號轉到步驟十三；如果沒有結束請求信號則繼續；步驟三、檢測整個採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床是否有中斷請求信 號；步驟四、如果沒中斷請求信號，則等待中斷，轉回步驟三；步驟五、如果中斷到來，讀數，並啟動模數轉換器，將電渦流式位移傳感器所採集 的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)的信息通過模數轉換器傳輸進DSP控制器內；步驟六、在DSP控制器內進行基於遺傳算法整定PID參數的控制算法計算；步驟七、檢測結果是否有溢出；步驟八、如果有溢出，取極值，返回步驟七；步驟九、如果沒有溢出，檢測結果是否為正值；步驟十、如果結果是否為負值，取反；步驟十一、如果結果是否為正值，將結果進行數模轉換後並通過功率放大器輸 出；步驟十二、中斷返回，轉回步驟二。步驟十三、結束。所述「步驟六」中的基於遺傳算法整定PID參數的控制算法的具體步驟為步驟一、定義變量，初始化參數。步驟二、隨機產生n個個體構成初始種群P(0)；步驟三、計算目標函數值。將種群中各個體解碼對應的參數值，用此參數來求目標 函數值J。
步驟四、計算適應度函數值f，取/ = +，並排序；步驟五、進行確定式採樣選擇。步驟六、進行單點交叉。步驟七、均勻變異。產生下一代種群。步驟八、檢測遺傳代數是否滿足設定值？如果不滿足，轉回到步驟三。步驟九、結束。所述採用遺傳算法在線實時整定PID控制器參數，選擇最優指標為 式中，e(t)為系統誤差，u(t)為控制器輸出，、為上升時間，巧，《2，％為權值。為 了避免超調，採用了懲罰功能，即一旦產生超調，將超調量作為最優指標的一項，此時最優 指標為 式中，W3為權值，且 W4 >> W1，ey(t) = y (t)-y (t_l)，y (t)為被控對象輸出。且遺傳算法在線實時整定PID控制器參數時，採用確定式採樣選擇和單點交叉方 式。優點及效果本發明提供一種採用採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，主 要包括床身和可以與床身做相對移動的龍門橫梁，所述床身和龍門橫梁之間設置有直線推 進系統；在所述龍門橫梁與床身之間還設置有電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵，電磁永磁混 合磁極懸浮電磁鐵與控制系統連接。該控制方法先將一對永磁鐵，利用線圈繞組纏繞形成控制龍門橫梁懸浮的電磁永 磁混合磁極懸浮電磁鐵，然後通過控制系統中的電渦流式位移傳感器對龍門橫梁的懸浮情 況進行採樣，然後將信息通過A/D轉換器傳輸進DSP控制器內，由DSP控制器對該信息與預 先設定的信息進行比較計算後，再通過D/A轉換器和功率放大器對龍門橫梁上的電磁永磁 混合磁極懸浮電磁鐵進行準確的調整，完成對龍門橫梁懸浮情況的控制。在工具機行業，為了適應高速和精確切削的需要，優良的控制系統可使磁懸浮系統 具有強大的功能，控制器的設計是一項頗具挑戰性的工作。原因在於，工程實踐中，磁懸浮 系統的精確模型往往難以得到，有時即使建立了精確模型，也因過於複雜而必須簡化。隨著 系統工作條件的變化和控制元件的老化或損壞，受控對象的特性也會隨之發生變化，從而 偏離設計時所依據的標稱特性。對於高速加工來說，切削過程中因工件表面及材料硬度不 均勻、刀具銳度及切削深度變化均會時常導致切削條件發生變化。此外，在許多工況下，僅 知道噪聲或外界擾動屬於某個集合而並不知道其確切特性。所以對於整個工具機來說，磁懸 浮控制系統不僅要維持穩定運行，還需要適應不同的運行條件，而且要能夠應付各種突發 事故。磁懸浮的控制系統必須對這些不確定因素具有良好的適應能力。在加工過程中，一 方面可通過在線實時調節控制器參數優化控制系統，另一方面可利用被控系統的輸入輸出 信息，對工具機運行狀態進行在線監控。綜上所述，磁懸浮控制系統性能是決定整個系統動、 靜態性能的關鍵因素，而合理地設計控制器及控制裝置對於確保系統穩定性及可靠性具有 至關重要的意義。
本發明的優點在於，磁懸浮系統採用電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵，對於大型數 控鏜銑床龍門磁懸浮系統，在穩定時流過懸浮磁極的電流會較大，使懸浮磁極的功耗也很 大。故採用永磁與電磁混合懸浮系統可以藉助永磁鐵提供的磁力可以保持系統的靜態平 衡，從而顯著降低懸浮電源的容量，大大地減少了系統的功率損耗。磁懸浮控制裝置採用以 DSP器件為核心的數字控制系統，從而具有非常快的數據處理能力和良好的擴展能力，克服 了模擬控制器和以單片機為核心的數字控制器的缺陷；並保證計算和控制的實時性；從而 確保懸浮間隙高度及剛度特性，能經受住各種耦合幹擾和負載擾動，且具有強魯棒性，最後 實現了顯著減小摩擦的目的。另外，由於磁懸浮系統本身已經是不穩定系統，懸浮磁極加上永磁部分後，系統的 不穩定因素增加。同時，用於承載主軸系統的龍門懸浮系統是一個高精度高剛度磁懸浮高 度定位系統，這是一個複雜的非線性控制系統，作為高精度的加工母機，工具機加工時，無疑 是對懸浮系統造成一個強幹擾，如何快速消除對懸浮高度的影響，使懸浮系統具有高剛度， 保持強魯棒性，確保加工精度，這是必須要解決的控制問題。另外，本發明的控制方法中，PID控制是工業控制中應用最廣的策略之一，而DSP 處理器內的PID控制器參數的優化直接影響控制效果的好壞，並和系統的安全、經濟運行 有著密不可分的關係。本發明採用遺傳算法的控制法來進行參數尋優，該方法是一種不需 要任何初始信息並可以尋求全局最優解的、高效的優化組合方法。採用遺傳算法控制法進行PID控制器三個係數的整定，具有以下優點(1)與專家整定法相比，它具有操作方便、速度快的優點，不需要複雜的規則，只通 過字串進行簡單地複製、交叉、變異，便可達到尋優。避免了專家整定法中前期大量的知識 庫整理工作及大量的仿真實驗。(2)遺傳算法控制法是從許多點開始並行操作，在解空間進行高效啟發式搜索，克 服了從單點出發的弊端及搜索的盲目性，從而使尋優速度更快，避免了過早陷入最優解。(3)遺傳算法控制法不僅適用於單目標尋優，而且也適用於多目標尋優。根據不同 的控制系統，針對一個或多個控制目標，遺傳算法均能在規定的範圍內尋找合適參數。(4)遺傳算法控制法在不需要給出調節器初始參數的情況下，仍能尋找到合適的 參數，使控制目標滿足要求。


圖1表示本發明的整體結構示意圖；圖2表示本發明電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵的結構示意圖；圖3表示本發明的控制系統的結構框圖；圖4表示本發明DSP控制器與模數轉換器和數模轉換器的連接電路；圖5表示本發明DSP控制器與JTAG仿真器的連接電路圖；圖6表示本發明的功率放大器內的PWM波形發生電路圖；圖7表示本發明的功率放大器內的光電隔離電路、功率驅動電路和懸浮系統電路 圖；圖8表示本發明的DSP控制器內的主程序控制流程圖。圖9表示本發明的DSP控制器內的遺傳算法整定PID參數主程序控制流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的說明如 圖1所示，本發明提供一種採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，主要包 括床身6和可以與床身做相對移動的龍門橫梁2，所述床身6和龍門橫梁2之間設置有推 進龍門橫梁2與床身做相對移動的直線推進系統3 ；在所述龍門橫梁2上還設置有電磁永 磁混合磁極懸浮電磁鐵5，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5設置在龍門橫梁2上朝向床身6 底沿的一側，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5與控制系統連接。圖1中標號1為主軸伺服 單元，7為工作檯，8為刀具。所述直線推進系統3為永磁直線同步電動機，該永磁直線同步電動機的的動子設 置在龍門橫梁2上，其定子固定在床身6上；在所述龍門橫梁2與床身6之間還設置有導向 電磁鐵4，所述導向電磁鐵4設置在龍門橫梁2上朝向床身6兩側的位置上，導向電磁鐵4 用來控制龍門橫梁2按照預定的移動軌跡前進，通過在朝向床身6兩側的位置限位，使龍門 橫梁2其不偏離前進的軌道移動。如圖2所示，所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5為帶有永磁磁極的纏有通電線 圈的磁體；所述永磁磁極設置在靠近床身6底沿的位置。圖2所示，龍門懸浮式數控鏜銑床，採用電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5結構實 現，由於以往的大型數控鏜銑床龍門磁懸浮系統在穩定時流過懸浮磁極的電流較大，使懸 浮磁極的功耗也很大；而採用本發明的永磁與電磁混合懸浮系統可以藉助永磁體來產生大 部分懸浮力，從而顯著降低懸浮電源的容量，大大地減少了系統的功率損耗，而電磁鐵提供 的磁力可以保持系統的動態平衡。圖中標號所表示的結構名稱為9——床身，10——永磁 鐵部分，11——電磁鐵繞有通電線圈部分，12——氣隙磁通，13——懸浮間隙；14——DSP控 制器，15——電渦流式位移傳感器，16——線圈電阻，17——功率放大器。如圖3所示，所述控制系統包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A轉換器、A/D轉換 器、功率放大器和電渦流式位移傳感器；所述JTAG仿真器連接至DSP控制器，DSP控制器連 接至D/A轉換器，D/A轉換器連接至功率放大器，功率放大器連接至電磁永磁混合磁極懸浮 電磁鐵5的通電線圈和導向電磁鐵4的通電線圈；所述功率放大器通過線圈電阻連接至電 磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5的通電線圈和導向電磁鐵4的通電線圈；所述電磁永磁混合 磁極懸浮電磁鐵5與床身6之間設置有電渦流式位移傳感器，所述導向電磁鐵4與床身6 之間也設置有電渦流式位移傳感器，電渦流式位移傳感器通過A/D轉換器連接至DSP控制 器。JTAG仿真機使用的時候聯結至上位工控機，上位工控機負責發送懸浮高度信號，DSP控 制器負責對給定信號和反饋信號的處理以及傳算法實時整定控制器參數計算，D/A轉換器 的轉換板可以實現兩路數字控制信號轉換為模擬信號，功率放大器將模擬控制信號實現功 率放大並驅動懸浮電磁鐵，A/D轉換器的轉換板可以實現兩路間隙模擬信號的數字轉換並 傳送回DSP控制器。圖4為DSP控制器與模數轉換器和數模轉換器的連接電路；圖5為DSP控制器與 JTAG仿真器連接電路。其中DSP控制器選用性能價格比較高的浮點處理器，其型號可以為 如圖4中所示的TMS320VC33，模數轉換器選用圖4中所示的TLV2548，數模轉換器選用圖4 中所示的TLV5619。其中數模轉換器為上述的A/D轉換器，模數轉換器為D/A轉換器。如圖6和7所示，功率放大器包括PWM波形發生電路、光電隔離電路、功率驅動電 路和懸浮系統主電路。
圖6為PWM波形發生電路，圖中選用脈寬調製的集成化晶片TL494作為PWM信號 的產生和控制晶片，圖7為光電隔離電路、功率驅動電路和懸浮系統主電路。圖6中電路輸出的PWM 波形用於控制半橋功率放大電路中開關器件的導通/關斷，為防止功率放大部分對控制信 號的影響，在PWM信號輸出到開關器件之前用光電隔離器將兩部分電路隔開，如圖7中所示 的，本發明選用的光電隔離晶片為6N137，主要由該光電隔離晶片組成光電隔離電路。
懸浮系統的主電路中開關器件採用絕緣柵雙極電晶體IGBT，IGBT是一種由雙極 電晶體與MOSFET組合成的器件，它既具有MOSFET的柵極電壓控制快速開關特性，又具有 雙極電晶體大電流處理能力和低飽和壓降的特點。圖7中標號為VI、V2、V3和V4為4個 IGBT，他們組成了懸浮系統的主電路。本發明選用的IR2110是一種新型的IGBT驅動模塊，所需的外圍分立元件很少，同 時該晶片還具有自保護功能，由其構成的驅動電路結構簡單。懸浮系統主電路是用來給電磁鐵供電的逆變電路。其中的電磁鐵用電感和鐵心 等效，其上有永磁鐵。由於電磁鐵工作時需要直流電，所以V2和V3始終處於不導通狀態， 所以沒有加驅動電路。懸浮系統主電路的工作原理是由控制迴路控制IGBT的導通時間即 佔空比來調節電磁鐵兩端的電壓，得到所希望的電磁吸力與永磁力的合力。當驅動電路發 出導通信號後，Vl和V4導通電磁鐵通電，由於電磁鐵的滯後時間常數大，所以電流逐漸上 升不能突變。當達到一定的電流後產生足夠的吸力使電磁鐵與路軌之間的氣隙不斷變小直 到達到給定值，當電流繼續增加時吸力也隨之增加，使得氣隙小於給定值，這時驅動電路動 作，關斷Vl和V4，電磁鐵中的電流不能突變，電流將通過二極體VD2，VD3續流，電磁鐵上所 加的電壓為零，這時電磁鐵中的電流逐漸下降，其吸力也隨之下降，磁鐵與導軌之間的氣隙 隨著吸力的減小而隨之變大，當大於給定值時，驅動電路再次動作，重複上述工作過程。該發明的磁懸浮系統採用電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵，由於該發明針對的是大 型數控鏜銑床龍門磁懸浮系統，這種系統在穩定時流過懸浮磁極的電流較大，使懸浮磁極 的功耗也很大。故採用永磁與電磁混合懸浮系統可以藉助永磁體來產生大部分懸浮力，從 而顯著降低懸浮電源的容量。這種電磁永磁混合磁懸浮系統，由永磁鐵提供的磁力可以保 持系統的靜態平衡，大大地減少了系統的功率損耗，而電磁鐵提供的磁力可以保持系統的 動態平衡。當電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5的繞組中通過電流時，會加大對金屬床身導軌 產生電磁吸力，磁鐵對床身導軌施加向下的力，由於力的相互作用原理，床身導軌對電磁永 磁混合磁極懸浮電磁鐵5也有向上的力，由於電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5都是固定在 移動的龍門橫梁2上，只要控制電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5繞組中的電流，龍門橫梁就 可以懸浮在空中，處於平衡狀態。而直線推進系統3作為導向系統，其原理類似於懸浮系 統，它也是通過控制電磁鐵來控制懸浮龍門的水平位移。對懸浮控制的最基本要求是控制系統要具有快速響應、動態過程平穩、抗幹擾好 的性能特點，其中抗幹擾性尤為重要。控制系統的實現可以全部採用模擬電路，也可以採用以數字電路。模擬電路控制 精度低、受外界環境影響大，且不易實現複雜的控制算法，調試困難。傳統的數字控制器大 多採用較高檔的單片機來實現複雜的計算和控制，但實時性變差，難以得到較好的動態性能。DSP器件是一種特別適用於數位訊號處理運算的微處理器，以DSP器件為核心的控制系 統具有非常快的數據處理能力和良好的擴展能力，克服了模擬控制器和以單片機為核心的 數字控制器的缺陷。本發明採用數字DSP控制技術，既可以保證計算和控制的實時性，又能 充分發揮數字控制的諸多優點。控制電路包括DSP控制器與模數轉換器的連接電路、DSP控制器與數模轉換器的 連接電路、DSP控制器與JTAG仿真器連接電路。
根據系統的實際控制情況，比較多種方案後，本發明採用脈寬調製(PWM)型功率 放大器，選用TL494晶片產生PWM波形，為了防止強電區信號對弱電區的回竄幹擾，將產生 的PWM信號進行光電隔離。橋式逆變部分採用半橋結構，進行功率放大後的信號直接輸入 到電磁線圈中，驅動線圈產生足夠的電磁力使系統的懸浮部件實現穩定可靠懸浮。本發明的控制方法由嵌入DSP處理器中的程序實現，該方法先將單一的永磁鐵， 利用線圈繞組纏繞形成控制龍門橫梁2懸浮的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5，然後通過 控制系統中的電渦流式位移傳感器對龍門橫梁2的懸浮情況進行採樣，然後將信息通過A/ D轉換器傳輸進DSP控制器內，由DSP控制器對該信息與預先設定的信息進行比較計算後， 再通過D/A轉換器和功率放大器對龍門橫梁2上的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5進行準 確的調整，完成對龍門橫梁2懸浮情況的控制。如圖8所示，其控制過程安以下步驟執行步驟一、DSP控制器進行系統初始化；步驟二、檢測該採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床是否有結束請求信號； 如果有結束請求信號轉到步驟十三；如果沒有結束請求信號則繼續；步驟三、檢測整個採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床是否有中斷請求信 號；步驟四、如果沒中斷請求信號，則等待中斷，轉回步驟三；步驟五、如果中斷到來，讀數，並啟動模數轉換器，將電渦流式位移傳感器所採集 的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵5的信息通過模數轉換器傳輸進DSP控制器內；步驟六、在DSP控制器內進行基於遺傳算法整定PID參數的控制算法計算；步驟七、檢測結果是否有溢出；步驟八、如果有溢出，取極值，返回步驟七；步驟九、如果沒有溢出，檢測結果是否為正值；步驟十、如果結果是否為負值，取反；步驟十一、如果結果是否為正值，將結果進行數模轉換後並通過功率放大器輸 出；步驟十二、中斷返回，轉回步驟二。步驟十三、結束。如圖9所示，其中上述步驟六中的遺傳算法整定PID參數的控制算法的具體步驟 為操作一、確定每個參數的大致範圍和編碼長度，進行編碼；確定參數範圍，該範圍 可以由用戶給定的，然後由精度的要求，對其進行編碼。選取二進位字串來表示每一個參 數，並建立與參數間的關係。再把二進位串連接起來就組成一個長的二進位字串，該字串為遺傳算法可以操作的對象。操作二、隨機產生n個個體構成初始種群P (0)；因為需要編程來實現各過程，所以 採用計算機隨機產生初始種群。針對二進位編碼而言，先產生0 1之間均勻分布的隨機 數，然後規定產生的隨機數0 0. 5之間代表0，0. 5 1之間代表1。此外，考慮到計算的 複雜程度來規定種群的大小。操作三、計算目標函數值，將種群中各個體解碼對應的參數值，用此參數來求代價 函數值J;操作四、計算適應函數值f，取/ = 一般的尋優方法在約束條件下可以求得滿足
條件的一組參數，在設計中是從該組參數中尋找一個最好的。衡量一個控制系統的指標有 三個方面，即穩定性、準確性和快速性。而上升時間反映了系統的快速性，上升時間越短，控 制進行的就越快，系統品質也就越好。如果單純追求系統的動態特性，得到的參數很可能是 控制信號過大，在實際應用中會因系統中固有的飽和特性而導致系統不穩定，為了防止控 制能量過大，在目標函數中加入控制量。因此為了使控制效果更好，把控制量、誤差和上升 時間作為約束條件。因為適應函數同目標函數相關，所以目標函數確定後，直接將其作為適 配函數進行參數尋優。最優的控制參數也就是在滿足約束條件下是f(x)最大時，x所對應 的控制器參數。為獲取滿意的過渡過程動態特性，採用誤差絕對值時間積分性能指標作為參數選 擇的最小指標函數。為了防止控制能量過大，在目標函數中加入控制輸入的平方項。選擇 式(1)作為參數選擇的最優指標J = (w, |e(0| + w2u\t))dt + Wi-tu(1)式中，e(t)為系統誤差，u(t)為控制器輸出，tu為上升時間，巧，《2，％為權值。為 了避免超調，採用了懲罰功能，即一旦產生超調，將超調量作為最優指標的一項，此時最優 指標為if ey(t) > ，ey(t) = y (t)-y (t_l)，y (t)為被控對象輸出。操作五、進行確定式採樣選擇；操作六、進行單點交叉；操作七、均勻變異，算子對種群P(t)進行操作，產生下一代種群P(t+1)；首先利用 確定式採樣選擇方式進行選擇，即通過適配函數求得適配值，進而求每個串對應的選擇概 率，選擇概率大的在一代中將有較多的子孫，相反則會被淘汰；依據確定的選擇概率計算群 體中各個個體在下一代群體中的期望繁殖數目隊，從而完全確定出下一代種群中的全部個 體。其次進行單點交叉，交叉概率為P。。從複製後的成員裡以P。的概率選取字串組成匹配 池，而後對匹配池的成員隨機匹配，交叉的位置也是隨機確定的。最後以概率Pm進行變異。操作八、檢測遺傳代數是否滿足設定值？如果不滿足，重複操作三和操作四，直至 參數收斂或達到預定的指標；初始種群通過選擇、交叉及變異得到的新一代種群，該代種群經解碼後代入適配函數，觀察是否滿足結束條件，若不滿足，則重複步驟三和步驟四操作， 直到滿足為止。結束條件由具體問題所定，只要各目標參數在規定範圍內，則終止計算。下面利用具體的實施例來說明本發明的遺傳算法整定PID參數的控制算法。實施例步驟一、定義變量，初始化參數。參數KP的取值範圍為
，!^的取值範圍為
，KD的取值範圍為
； 染色體採用二進位編碼，長度為10位。種群大小M = 50，遺傳代數G= 100，編碼串長度1 =20，交叉概率和變異概率分別為P。= 0. 9，Pm = 0. 1。步驟二、隨機產生n = 50個個體 構成初始種群P(0)；步驟三、計算目標函數值。將種群中各個體解碼對應的參數值，用此參數來求目標 函數值J。為獲取滿意的過渡過程動態特性，採用誤差絕對值時間積分性能指標作為參數選 擇的最小指標函數。為了防止控制能量過大，在目標函數中加入控制輸入的平方項。選擇 式(1)作為參數選擇的最優指標J= ^{wx\e{t)\ + w2u2{t))dt + wi-tu(1)式中，e(t)為系統誤差，u(t)為控制器輸出，tu為上升時間，巧，《2，％為權值。為 了避免超調，採用了懲罰功能，即一旦產生超調，將超調量作為最優指標的一項，此時最優 指標為if ey{t) > Wl，ey(t) = y (t)-y (t_l)，y (t)為被控對象輸出。取 = 1. 5，w2 = 0. 01，w4 = 5. 59，w3 = 2。步驟四、計算適應度函數值f，取/ 二 j，並排序；步驟五、進行確定式採樣選擇。設群體大小為M，第i個個體的適應度函數為F」則個體i被選中的概率pis為(i = l,2,-,M)(3) .Y.R根據上式算可以得的選擇概率。由確定的選擇概率計算群體中各個個體在下一代 群體中的期望繁殖數目隊為
rpNl=M'pis=M-171- (/ = 1,2，...，M)(4)
"ST1 口取隊的整數部分LM」確定各個對應個體在下一代種群中的生存數目(其中b」表
M
示不大於X的最大的整數)。由該步驟共可確定出下一代種群中的H乂」個個體。按照Ni
/=1
M
的小數部分對個體進行降序排序，順序取前M-^LM」個個體加入到下一代種群中。這步
可完全確定出下一代種群中的M個個體。 確定式採樣選擇方法不僅操作簡單容易實現，而且選擇誤差較小，可以確保適應
度較大的個體一定能夠被保留到下一代種群中。
步驟六、進行單點交叉。
遺傳算法中，在交叉運算之前還必須先對群體中的個體進行配對。選用的配對 策略是隨機配對，即將群體中的M個個體以隨機的方式組成LM/2」對配對個體組，交叉操 作是在這些配對個體組中的兩個個體之間進行的。交叉方式為單點交叉，即對每一對相互 配對的個體組，隨機設置某一編碼位之後的位置為交叉點。若個體編碼長度為n，則共有 (n-1)個可能的交叉點位置。對每一對相互配對的個體，依選定的交叉概率P。= 0. 9在其 交叉點處相互交換兩個個體的部分編碼串，從而產生出兩個新的個體。步驟七、均勻變異。產生下一代種群。 選定合適的變異概率Pm = 0. 1，依變異概率對個體的每個編碼指定變異點，對每一 個指定的變異點，對其編碼值做取反運算，從而產生一個新的個體。分別用符合某一範圍內均勻分布的隨機數，以某一較小的概率來替換個體編碼串 中各個基因座上的原有基因值的操作過程稱為均勻變異。其具體操作過程是依據選定適 當的變異概率Pm，並指定編碼串中變異點的位置。確定進行均勻變異時的參數r，r為W， 1]範圍內符合均勻概率分布的一個隨機數。對每一個變異點，以變異概率Pm = 0. 1從對應 基因的取值範圍內以一定算法取一隨機數來代替原有基因值。步驟八、檢測遺傳代數G = 100成立否？如果不成立，轉回到步驟三。步驟九、結束。採用本發明設計的裝置及控制方案可實現定位精度高，抗擾動能力強，從而能夠 在較好地抑制系統所受幹擾同時，有效地實現穩定懸浮。
權利要求
一種電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，主要包括床身(6)和可以與床身做相對移動的龍門橫梁(2)，所述床身(6)和龍門橫梁(2)之間設置有驅動龍門橫梁(2)與床身做相對移動的直線推進系統(3)，其特徵在於在所述龍門橫梁(2)上還設置有使龍門橫梁(2)在床身(6)上懸浮的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)設置在龍門橫梁(2)上朝向床身(6)底沿的一側，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)與控制系統連接，所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)為帶有永磁磁極的纏有通電線圈的磁體；所述永磁磁極設置在靠近床身(6)底沿的位置。
2.根據權利要求1所述的電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，其特徵在於所述直 線推進系統(3)為永磁直線同步電動機，該永磁直線同步電動機的動子設置在龍門橫梁 (2)上，其定子固定在床身(6)上；在所述龍門橫梁(2)與床身(6)之間還設置有導向電磁 鐵(4)，所述導向電磁鐵(4)設置在龍門橫梁(2)上朝向床身(6)兩側的位置上。
3.根據權利要求2所述的電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床，其特徵在於所述控 制系統包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A轉換器、A/D轉換器、功率放大器和電渦流式位移 傳感器；所述JTAG仿真器連接至DSP控制器，DSP控制器連接至D/A轉換器，D/A轉換器連 接至功率放大器，功率放大器連接至電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)的通電線圈和導向 電磁鐵(4)的通電線圈；所述電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)與床身(6)之間設置有電 渦流式位移傳感器，所述導向電磁鐵(4)與床身(6)之間也設置有電渦流式位移傳感器，電 渦流式位移傳感器通過A/D轉換器連接至DSP控制器。
4.一種控制權利要求1所述的電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床的控制方法，其特 徵在於該方法先將一對永磁鐵，利用線圈繞組纏繞形成控制龍門橫梁(2)懸浮的電磁永 磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)，然後通過控制系統中的電渦流式位移傳感器對龍門橫梁(2) 的懸浮情況進行採樣，然後將信息通過A/D轉換器傳輸進DSP控制器內，由DSP控制器對該 信息與預先設定的信息進行比較計算後，再通過D/A轉換器和功率放大器對龍門橫梁(2) 上的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)進行準確的調整，完成對龍門橫梁(2)懸浮情況的 控制。
5.根據權利要求4所述的電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床的控制方法，其特徵在 於所述控制方法的具體步驟如下步驟一、DSP控制器進行系統初始化；步驟二、檢測該採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床是否有結束請求信號；如果 有結束請求信號轉到步驟十三；如果沒有結束請求信號則繼續；步驟三、檢測整個採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床是否有中斷請求信號； 步驟四、如果沒中斷請求信號，則等待中斷，轉回步驟三；步驟五、如果中斷到來，讀數，並啟動模數轉換器，將電渦流式位移傳感器所採集的電 磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵(5)的信息通過模數轉換器傳輸進DSP控制器內； 步驟六、在DSP控制器內進行基於遺傳算法整定PID參數的控制算法計算； 步驟七、檢測結果是否有溢出； 步驟八、如果有溢出，取極值，返回步驟七； 步驟九、如果沒有溢出，檢測結果是否為正值； 步驟十、如果結果是否為負值，取反；步驟十一、如果結果是否為正值，將結果進行數模轉換後並通過功率放大器輸出； 步驟十二、中斷返回，轉回步驟二。 步驟十三、結束。
6.根據權利要求5所述的電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床的控制方法，其特徵在 於所述「步驟六」中的基於遺傳算法整定PID參數的控制算法的具體步驟為步驟一、定義變量，初始化參數。步驟二、隨機產生η個個體構成初始種群P(O)；步驟三、計算目標函數值。將種群中各個體解碼對應的參數值，用此參數來求目標函數 值J。步驟四、計算適應度函數值f，取/ = +，並排序； 步驟五、進行確定式採樣選擇。步驟六、進行單點交叉。步驟七、均勻變異。產生下一代種群。步驟八、檢測遺傳代數是否滿足設定值？如果不滿足，轉回到步驟三。 步驟九、結束。
7.根據權利要求6所述的電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床的控制方法，其特徵在 於所述採用遺傳算法在線實時整定PID控制器參數，選擇最優指標為 式中，e(t)為系統誤差，u(t)為控制器輸出，、為上升時間，巧，《2，％為權值。為了避 免超調，採用了懲罰功能，即一旦產生超調，將超調量作為最優指標的一項，此時最優指標 為 式中，W3為權值，且W4 > > W1，ey (t) = y (t) -y (t_l)，y (t)為被控對象輸出。 且遺傳算法在線實時整定PID控制器參數時，採用確定式採樣選擇和單點交叉方式。
全文摘要
本發明提供採用電磁永磁混合磁極懸浮的龍門鏜銑床及控制方法，包括床身和可以與床身做相對移動的龍門橫梁，床身和龍門橫梁之間設置有直線推進系統；在龍門橫梁上還設置有使龍門橫梁在床身上懸浮的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵設置在龍門橫梁上朝向床身底沿的一側，電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵與控制系統連接。該方法通過電渦流式位移傳感器對龍門橫梁的懸浮情況進行採樣，由DSP控制器對該信息與預先設定的信息進行比較計算後，再通過D/A轉換器和功率放大器對龍門橫梁上的電磁永磁混合磁極懸浮電磁鐵進行準確的調整，完成對龍門橫梁懸浮情況的控制。本發明簡潔合理，實用性強，比較適合應用在數控加工技術領域。
文檔編號G05B19/18GK101875173SQ20101017906
公開日2010年11月3日 申請日期2010年5月21日 優先權日2010年5月21日
發明者劉春芳, 孫宜標, 武志濤, 王麗梅, 王通 申請人:瀋陽工業大學