摘 要：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制對(duì)象是軸。采用面向?qū)ο蠓椒?，建立軸對(duì)象的類結(jié)構(gòu)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和數(shù)據(jù)流圖，在該模型的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行軸控制參數(shù)的設(shè)置，運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)函數(shù)的規(guī)劃和控制算法與控制方案的擬定。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制 軸 建模

0.引言

　　軸是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制對(duì)象。在應(yīng)用系統(tǒng)中，軸的種類很多，如數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)軸、主軸，繞線機(jī)的張力控制軸等，它們都是運(yùn)動(dòng)控制的對(duì)象。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向著開(kāi)放式、可重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，控制系統(tǒng)與控制對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)上述發(fā)展的關(guān)鍵。

　　面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)已經(jīng)是一種成熟的建模技術(shù)。采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)軸的結(jié)構(gòu)、行為和功能進(jìn)行抽象，全面地描述軸的屬性與操作，可以為軸控制對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。 　　

　　劉泉斌，陳虎等人總結(jié)了各種受控軸的共性屬性，采用Rational Rose建立了軸的面向?qū)ο竽Ｐ?，并?shí)現(xiàn)了該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[1];作者也對(duì)自動(dòng)機(jī)床的UML建模方法進(jìn)行過(guò)研究，對(duì)機(jī)床控制軸進(jìn)行了類似的建模[2]。國(guó)際組織PLCopen的技術(shù)委員在IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的框架下，對(duì)軸的行為模型作了細(xì)致的描述[3]。這些工作對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)放性與控制程序的可重用性都有積極的意義。但現(xiàn)行的研究工作多集中在軸的類結(jié)構(gòu)與行為模型上，軸的功能模型少有研究，模型不夠完整;并且這類研究工作多針對(duì)于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，其類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往過(guò)于復(fù)雜，面MCU和DSP硬件平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，目前還不支持C++。本文軸對(duì)象建模目的是為軸控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)函數(shù)規(guī)劃和控制方案設(shè)計(jì)服務(wù)。

　　面向?qū)ο竽Ｐ椭饕惤Y(jié)構(gòu)模型、行為模型和功能模型[4]，類結(jié)構(gòu)模型主要描述對(duì)象的屬性與操作，定義對(duì)象實(shí)例間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，便于控制程序的可重用;行為模型描述狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移，即輸入與響應(yīng)的關(guān)系和對(duì)象間作用，便于控制程序的標(biāo)準(zhǔn)化;功能模型主要描述系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化形式，它是控制算法方案設(shè)計(jì)與調(diào)度的基礎(chǔ)。

1. 軸的類結(jié)構(gòu)模型

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，軸的屬性最為復(fù)雜，文獻(xiàn)[1]將軸的類對(duì)象定義成復(fù)雜的繼承結(jié)構(gòu)，盡管它符合面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法，但它的狀態(tài)切換要占用系統(tǒng)時(shí)間（實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)延為采樣周期的0.2%，最壞5%），而運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，狀態(tài)切換頻繁發(fā)生。關(guān)鍵是多數(shù)的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)采用MCU和DSP，尚沒(méi)有C++支持，這種面向?qū)ο竽Ｐ蛯?duì)MCU和DSP型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)用意義。本文提出的軸控制類采用簡(jiǎn)明的結(jié)構(gòu)定義軸類的屬性與操作，重點(diǎn)在于類的屬性參數(shù)設(shè)置與分析。

　　歸納起來(lái)，軸共有五類屬性，40多個(gè)參數(shù)。限于篇幅的原因，只列出軸類屬性參數(shù)分類如表1所示： 　　表1 軸屬性參數(shù)分類表

　　軸的操作是運(yùn)動(dòng)控制的核心，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的庫(kù)函數(shù)主要由軸操作函數(shù)構(gòu)成，這些操作函數(shù)由軸的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中抽?。ê笪臄⑹觯?，在類結(jié)構(gòu)中它們表現(xiàn)為對(duì)軸屬性參數(shù)的修改與刷新。軸的操作可為分四類，共16個(gè)函數(shù)，其類別如表2所示：

　　表2 軸操作函數(shù)

　　在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，除軸類外，還有邏輯控制器、傳感器等類，由這些類可以構(gòu)成最終的控制對(duì)象操作器類，其類關(guān)聯(lián)如圖1所示：

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圖1 軸控制類和其它類的關(guān)聯(lián)關(guān)系[/align]

　　操作器可以由多個(gè)軸、傳感器和一個(gè)邏輯控制器實(shí)例組成，操作器控制實(shí)際成為軸和邏輯控制器的控制。 2. 軸的行為模型

　　PLCopen組織的技術(shù)委員會(huì)遵照開(kāi)放式性原則，定義了8種軸的狀態(tài)，即不可用態(tài)、靜止態(tài)、停止過(guò)程態(tài)、出錯(cuò)停止態(tài)、返回參考點(diǎn)態(tài)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)態(tài)、同步運(yùn)動(dòng)態(tài)、離散運(yùn)動(dòng)態(tài)。其中連續(xù)運(yùn)動(dòng)態(tài)指速度和力矩控制模式，不涉及位置要求，離散運(yùn)動(dòng)態(tài)指有軌跡與位置要求的運(yùn)動(dòng)，如直線、圓弧運(yùn)動(dòng);同步運(yùn)動(dòng)態(tài)指電子齒輪和電子凸輪運(yùn)動(dòng)模式。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示

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圖2 軸控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖[/align]

　　軸狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是規(guī)劃和評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)的重要工具。例如，能否從連續(xù)運(yùn)動(dòng)態(tài)直接向離散運(yùn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移，中間是否要插入一個(gè)停止過(guò)程態(tài)，這個(gè)控制函數(shù)的設(shè)立對(duì)其它軸狀態(tài)有何影響，都可以使用軸狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，從狀態(tài)轉(zhuǎn)移、激發(fā)事件、轉(zhuǎn)移條件和引發(fā)事件進(jìn)行規(guī)劃和評(píng)價(jià)。

3. 軸功能模型

　　軸的功能模型主要是數(shù)據(jù)流圖。數(shù)據(jù)流圖由接口，數(shù)據(jù)加工和數(shù)據(jù)存貯三種元素組成，接口指明數(shù)據(jù)的來(lái)源和去向，加工指明數(shù)據(jù)的處理算法，數(shù)據(jù)存貯指明數(shù)據(jù)的存貯緩沖區(qū)。

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軸控制運(yùn)算包括插補(bǔ)運(yùn)算與伺服運(yùn)算兩大部分，插補(bǔ)運(yùn)算給出每一個(gè)采樣周期的目標(biāo)位置，伺服運(yùn)算實(shí)現(xiàn)軸對(duì)目標(biāo)位置的跟蹤。實(shí)際執(zhí)行時(shí)，必須先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制命令的譯碼與預(yù)處理，對(duì)高精度的位置控制，還要在插補(bǔ)后進(jìn)行陷波濾波，消除某些頻率成份，減少激振因素，如果將速度控制劃歸到插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程中，則軸控制處理過(guò)程包括控制命令譯碼、插補(bǔ)計(jì)算、陷波濾波、跟蹤控制四部分內(nèi)容。其數(shù)據(jù)流圖如圖3所示：

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圖3 軸控制的數(shù)據(jù)流圖[/align]

　　從軸控制的數(shù)據(jù)流圖可以看出，該數(shù)據(jù)流是串行的。在各個(gè)數(shù)據(jù)加工點(diǎn)，不同的控制策略會(huì)選用不同的加工算法，其中插補(bǔ)運(yùn)算、陷波濾波和跟蹤運(yùn)算會(huì)占用較多的系統(tǒng)資源且時(shí)延較長(zhǎng)。在CPU資源配置或分配上，應(yīng)保證這幾個(gè)數(shù)據(jù)加工串行工作。

　　另外，其中數(shù)據(jù)存貯的安排涉及到系統(tǒng)性能的發(fā)揮和對(duì)應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)。比如NURBS插補(bǔ)和PID+速度前饋+加速度前饋控制算法中，由于NURBS插補(bǔ)費(fèi)時(shí)較多，在TMS320F2812DSP上，PID+速度前饋+加速度前饋的時(shí)延約為NURBS插補(bǔ)時(shí)延的1/4[5]，采用雙DSP流水線處理模式，將這個(gè)串行過(guò)程改為并行過(guò)程，由一片DSP作NURBS插補(bǔ)運(yùn)算，另一片DSP作PID控制，安排一片雙口RAM作數(shù)據(jù)緩沖，采樣周期大為縮短。 　　數(shù)據(jù)流圖中的數(shù)據(jù)形式較為簡(jiǎn)單，如表4所示：

　　表4 軸控制數(shù)據(jù)流圖的數(shù)據(jù)格式

　　圖中所有的緩沖區(qū)均為先進(jìn)先出隊(duì)列。

　　圖據(jù)流圖的數(shù)據(jù)加工過(guò)程如表5所示：

　　表5 數(shù)據(jù)加工過(guò)程

4.軸對(duì)象模型應(yīng)用

　　本模型主要應(yīng)用于基于MCU和DSP的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用多參數(shù)、多操作的簡(jiǎn)明對(duì)象類結(jié)構(gòu)，有利于控制對(duì)象的理解和控制參數(shù)設(shè)置;狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖定義軸的狀態(tài)，及在什么條件下，由何事件激發(fā)使軸由一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移，分析歸納這些激發(fā)事件，是運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)函數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù);軸控制過(guò)程可以視為一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程，從控制命令輸入，到控制信號(hào)生成，數(shù)據(jù)流圖表達(dá)了數(shù)據(jù)的流向與加式，它是確定控制方案、設(shè)計(jì)控制算法的基礎(chǔ)。

5. 結(jié)論

　　軸控制是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，采用面向?qū)ο蠓椒?，建立?jiǎn)明的軸對(duì)象類結(jié)構(gòu)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，并引用了結(jié)構(gòu)化分析的數(shù)據(jù)流圖，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制參數(shù)設(shè)置，運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)函數(shù)規(guī)劃和控制方案與控制算法的擬定提供了有益的參考。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用面向?qū)ο竽Ｐ筒⒔Y(jié)合結(jié)構(gòu)化模型的數(shù)據(jù)流圖，建立了簡(jiǎn)明的軸對(duì)象分析模型，為軸狀態(tài)表達(dá)、軸運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)分析、函數(shù)操作實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 劉泉斌，陳虎等。開(kāi)放式控制器軸運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象模型。制造業(yè)自動(dòng)化。2005.4（27）,75-78.

　　[2] 柳寧. 用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)機(jī)床分析與建模方法的研究. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù).2006.4.27-29 　　[3] PLCopen. Technical Specification PLCopen-Technical Committee 2 –Task Force Function blocks for motion control Version 1.1. http://www.PLCopen.org.

　　[4] 王建軍. UML建模：實(shí)例分析.微計(jì)算機(jī)信息.2002.15.66-68.

　　[5] Ning Liu, Gao Wang,et al. “Research on a Real-time Interpolator DSPs Based for NURBS”,in Proceeding of the 6th World Congress on Control and Automation.June 21-23,2006. Dalian.China.8206-8210.