柔性控制（共12篇）
柔性控制 篇1
从上个世纪七十年代开始人们着手对柔性机械臂进行研究, 佐治亚理工学院 (Georgia Institute of Technology) 的WJBook教授成为对机械臂数学模型建立和运动控制研究的第一人。随后, 越来越多研究人员对柔性机械臂进行研究, 各种专业期刊上也刊登了大量的相关研究论文, 相应的设备也应运而生。美国、日本等科技强国对柔性机械臂的研究十分看重并走在世界前沿, 我国的各个科学研究院所在机械臂研究领域也取得了不少的进展, 如上海交大的特种机器人研究室和北航的机器人研究所等。
1 柔性机械臂研究的主要内容
由于柔性机械手的多自由度以及结构的弹性导致在建模方面具有较大的困难, 这使得传统方式不再适合控制柔性机械臂, 人们提出一些职能控制方法应用与柔性机械臂的控制, 例如神经网络控制、模糊控制和遗传算法控制等。目前关于柔性机械臂的研究主要是在两个方面:一个是建立柔性机械臂的动力学模型;另一个是设计柔性机械臂的控制器。关于这两个问题的研究也是循序渐进的。正确的建模理论不但能够准确的描述出柔性机械臂的动力学特性, 同时也为接下来的控制器设计提供了模型保证, 因此, 要能够对机械臂进行精确的运动控制, 必须对其建立合理的数学描述方程。非线性系统的动力学建模是以柔性机械臂的动力学模型控制器设计为目的, 一般的控制系统描述包括频域描述 (传递函数) 和时域描述 (状态空间) 两个方面, 它们与传感器的执行定位、执行器到传感器的信息传递以及机械臂的动力学特性关系十分密切。如何建立合适的、准确的动力学模型, 并且根据此动力学模型设计高效的控制器来控制柔性机械臂的动作, 目前仍是众多机械臂研究的专家、学者必须面对和解决的问题之一。
2 柔性机械臂的研究主要方法
机械臂的柔性主要表现在连杆的柔性和关节的柔性两方面, 前者是指由于自身的材料弹性和形状细长的等原因易造成机械臂产生弯曲变形和剪切变形, 研究人员常用分布参数模型 (偏微分方程) 来表述, 后者是指电机传动以及机械臂耦合之间的变形, 常用集装参数模型来表述。国内外学者对柔性机械臂建模做了许多研究, 文献[1]做了详细的介绍。文献[2]介绍了关于柔性关节和柔性连杆的耦合作用。
经过近十多年的发展, 柔性连杆机械臂的动力学建模方法也日趋成熟。众所周知, 柔性机械因为自身材质形状等原因, 在运动过程中会产生挠曲变形、轴向变形和剪切变形。这些变形太过于复杂, 所以适当的假设显得尤其必要。目前常见的假设有Euler-Bemoulli梁和Timoshcnko梁。Euler-Bemoulli方法对梁的处理为略去梁的剪变形, 即假设梁只有弯曲变形, 而在杆纵向方向完全是刚性。这样的处理方式对于长度与截面比较大的梁所产生的误差可以忽略不计。但是对于长度与横截面比较小的梁则不能略去。Timoshenk粱则同时考虑了梁的剪变形和梁的弯曲变形, 适合运用于各种形状的梁。
柔性机械臂动力学模型的建立方法依据不同的原理可以分为两种:矢量力学方法和分析力学方法。其中运用较多的是哈密顿原理、拉格朗日方程、凯恩方法和虚位移、牛顿欧拉法和模型辨识法。柔性机械臂的变形描述也是机械臂研究领域的一个重点, 正确对机械臂变形进行描述是机械臂数学模型建立与运动控制的基础。此外, 柔性机械臂的控制方法是机械臂研究领域的另一个重点。因此, 首先选择一定的方式描述柔性体的变形, 同时变形的描述与系统动力学方程的求解关系密切。
关于柔性机械手的控制, 文献[3]进行了较详细的总结。文献[4]对柔性机械臂的控制进行了综述和深入的回顾。柔性机器人的研究是近年来控制界的一个难点和热点课题。柔性机械手的数学模型是一个多维的、非线性的复杂模型, 具有很强的时变性和不定因素, 为了控制这类复杂的系统, 研究人员提出了许多新的控制方法:极点配置方法、模态控制方法、最优控制方法、自适应控制方法、智能控制方法、鲁棒控制方法、能量法控制方法。
2.1 柔性体变形的描述
1) 有限单元法。有限单元法是以变分原理为基础发展起来的, 该方法的实质是瑞利-瑞兹解法的分片形式, 它将机械手离散为一组用节点来联系相互关系的单元, 单元的位移用节点位移的近似函数分片来表示, 近似函数一般为所求场函数和它的导数所在单元各个节点的插值函数来表示, 由于插值函数并不针对于完整的系统或下面的子结构, 所以插值函数可以设计的十分简便。通过有限单元法可以简化系统模型, 将复杂的无限维系统简化为适合计算机编程和运算的有限维系统, 并且计算的精度可以由单元数量的多少来决定。目前有限单元法在柔性机械臂领域中得到了十分广泛的运用, 在其数学建模方面诞生了许多专门为其设计的分析软件 (如:NASTRAN、ASKA、IDEAS、ANSYS以及SAP等) 。Tokhi M O、Fattah A、Theodore R J等学者利用有限元法作了大量的研究工作。
2) 假设模态法。在用有限单元法处理连续弹性体的离散问题时, 由于划分的单元较多节点数目较大, 导致数值计算量十分庞大, 给柔性机械臂的研究造成较大困难。为了大幅减少求解的自由度, 研究人员以Ritz法为基础, 通过模态分析和模态截断技术对动力学方程进行模态变换, 用模态坐标代替结点的位移, 利用系统中各个子结构的模态, 综合处系统的整个模态。研究人员认为, 柔性机械臂的振动是由无数个振动谐波构成的, 振动的能量主要集中在前几阶的模态中, 所以描述柔性机械臂振动时只需采用前几阶模态即可, 这种方法叫做假设模态法, 模态函数的选取也因为边界条件的不同而不同。蔡国平和洪嘉振用假设模态法对柔性梁作结构近似处理, 在计入柔性梁由于横向变形而引起的轴向变形的二阶耦合量的条件下建立旋转梁的动力学模型。王树新等在对曲线梁结构近似的处理上提出拟合模态法, 即将大型有限元分析软件计算得出的模态拟合成为多项式的形式, 得到曲线梁模态的近似解析表达式, 简化了曲线梁的动力学建模与计算过程。
3) 集中质量法。集中质量法是运用离散思想对柔性机械臂进行分段来离散化, 每个小段不计质量只有弹性, 各个小段之间通过有质量的节点连接, 对机械臂的作用力都等效作用在节点上。通过集中质量法对机械臂进行近似化处理后, 通过求解每个节点的受力平衡与边界条件, 就能够求得柔性机械臂动力学方程。集中质量法条理清楚, 善于处理物理形状十分复杂的机械臂, 但其与有限元法相比较, 在相同的自由度数目下精度要比有限元法要低。Feliu Jorge、Gamarra-Rosado V O等学者在这方面进行了很多的研究工作。
4) 有限段法。有限段方法是RL.Huston在研究缆索的大摆动中首先提出的, 它把缆索离散成为若干用铰链相连的刚体小段, 并用多刚体动力学的方程导出其动力学控制方程。早在1976年, Wittenburg J M提出了梁的动力学响应有限段解决方法。在国内, 陈乐生将该方法用于柔性机械臂模型的建立, 王营、张兴淮对约束多刚体系统固有频率进行了计算, 殷学刚对梁和圆环进行过动特性分析和大振动响应分析, 还作了杆的曲屈与后曲屈分析。有限段方法的最大优点是不必对梁的结构的变形场进行假设, 也不必小变形假设限制, 因此可以对梁结构进行大变形分析, 其收敛性与计算精度很令人满意。
2.2 柔性臂建模方法介绍
1) 利用哈密顿原理。哈密顿原理是爱尔兰物理学家于1833年提出的一种经典力学理论。哈密顿原理以能量方式代替了传统的空间坐标表述避免了方程中出现内力项。但是哈密顿原理只适合比较简单的柔性系统, 对于复杂的柔性结构, 函数的微分运算将变得非常复杂, 变分原理又有其特点, 由于它是将系统真实运动应满足的条件表示为某个函数或泛函的极值条件, 并利用此条件确定系统的运动。为了解决这个问题可以将该方法和控制系统一起综合分析和优化, 可以使得由系统的动力学模型向控制模型转化。Fung, R-F, Chang, H-C等人利用哈密顿原理建立了带有末端质量的非线性受限柔性机械臂的运动方程, 动态方程式以广义坐标的形式来表示表达机械臂的动能和势能。
2) Newton-Euler法。牛顿-欧拉法将系统的构件隔离开来分析, 运用质心动量矩定理列出隔离构件的约束方程, 进而求得系统中每个构件的约束方程组, 最后通过求解约束方程组消去系统的内力项来得到系统的动力学方程。该方法中的各个参数物理意义明确, 并且完整的表达了系统的受力关系, 但是系统内力项的计算过于繁琐, 如何消除大量的约束反力是随之而来的一个重要问题。Gamarra-Rosado V O、Bruno Siciliano等学者成功的利用Newton-Euler公式建立了柔性机械臂的动力学方程, 以牛顿方程和欧拉方程为基础, 通过柔性臂的速度分析和加速度分析得到系统的动力学方程。
3) Lagrange方程。拉格朗日方程通过引入广义力与广义坐标在虚位移原理和动静法的基础上列出不含约束力的系统动力学方程。拉格朗日方程式动力学普遍方程在广义坐标下的具体表现形式。所有对系统机械能无影响的力均不必考虑, 并不需计算理想约束力, 最后得到的方程是封闭形式的表达式。用Lagrange方程推导柔性机械臂模型, 特别是推导多节柔性机械臂动力学模型, 不必考虑复杂的约束力, 过程简单, 因此被广泛地应用在柔性多体系统建模中。
4) Kane方法和虚位移原理。研究人员在对多种动力学模型采取对比分析的方式, 提出了一种以约束质点系的达朗贝尔原理为基础, 对整个系统的主动力和主动力矩求和与系统的惯性力和惯性力矩相等, 从而可以得出系统动力学方程。凯恩法同时具有矢量力学与分析力学的特点, 在没有引入能量函数的情况下消除了不做功的约束内力, 它使得计算过程避免了复杂微分方程的计算过程, 让模型的推导更具有系统性, 并且更容易以计算机程序的形式来表达和计算, 这对多体系统的分析十分有利。Huston、张大钧等均采用该方法建立柔性多体动力学模型。H G Tanner和K J Kyriakopoulos在其文献中用Kane方法建立了柔性机械臂的动力学模型。
5) 模型辨识的方法。模型辨识法与经典分析力学完全不同, 它抛开了力学分析方法来建模, 而是利用模拟和学习柔性机械臂的动力学特征的方式来获得柔性机械臂的数学模型。常用的模型辨识法有系数估计法、动力学参数估计法、神经网络法。K Khosla和T Kanade对直接驱动型 (CMU DDⅡ型) 机器人的惯性量系数进行辨识, 董朝阳等人利用神经网络任意逼近分线性函数, 并建立了系统动力学模型。因为模型辨识法还处于研究和发展阶段, 理论体系还不够完善, 所以还有很多方法值得研究和开发。
3 柔性机械臂控制理论的研究现状
3.1 PID控制
PID控制由3个控制偏差量的线性组合而成:PID (P (proportion) 、I (integration) 、D (differentiation) ) , 它由于控制原理较为容易理解, 硬件操作较为简单, 加上不需要精确的系统模型等先决条件, 使得它在世界范围内得到广泛的运用。PID控制方法在机械臂领域也运用十分成熟, 研究人员发现因为机械臂自身的特征关系, 积分项I的变化对机械臂运动效果影响很小, 所以在机械臂控制中一般只使用P和D组合控制。Ozen Figen提出了依靠一些容易获得的量 (如关节角、角速度、每个杆的端点变形和端点的速度) 来控制柔性机械臂端点位置轨迹跟踪的新的控制策略, 它与传统的PD控制比较有很大的优点。Kelly用近似微分的法进行全局调节, 减小了柔性机械臂在PD控制中产生的噪声。Yigit在独立关节PD控制的鲁棒性研究中表明关节的PD控制稳定性取决于非离散化或线性化的运动方程, 并且对双杆柔性机械臂的PD控制器进行了研究。Xu对于双杆柔性机械臂设计了一种PD控制器。Lin对一个6自由度多杆系统应用Lyapunov原理设计了非线性反馈PID控制器。
3.2 模态控制法
将柔性机械臂放置到模态空间里研究, 柔性机械臂是一个无限自由度的系统, 其再时域内的振动可以由无数个不同频率对应的模态构成, 但是由于高频对应的模态对机械臂的运动效果影响很小, 所以机械臂的振动可以用低阶模态在模态空间内近似描述, 这些模态称为控制模态, 这种方法称为模态控制法。模态控制法包括两种控制方法:一种是模态耦合控制, 它利用模态之间的互相耦合, 用少量的传感器就可以对较多的模态进行控制, 另一种是独立模态控制, 它借助模态坐标变换把完整系统的运动控制变成对各阶主模态的控制, 该方法直接简单, 物理概念清晰明确, 充分利用了模态分析技术, 简化了柔性机械臂系统的控制。
3.3 最优控制方法
最优控制法是基于系统理想数学模型方法之上, 它首先要设计一个性能指标函数, 再通过最优控制律使得性能指标函数取得极小值。其中所说的性能指标函数是指我们所期望得到的控制结果以及得到该结果所要付出的控制代价。在一般情况下控制的效果越好所要付出的控制代价就越高, 最优控制法可以通过调节它们之间的均衡来达到自己想要的控制效果。需要指出的是, 最优控制法并不是指控制效果最优, 而是值在满足性能指标函数的前提下, 控制效果最优, 这样做法同时考虑到了经济优先原则也考虑到了控制效果优先原则。但是, 最优控制法需要计算里卡蒂方程, 使得运算时间较长从而导致了控制延时, 影响控制效果。
3.4 自适应控制
由于机械臂系统复杂各种参数较多, 所以研究人员并不一定能知道系统的所有参数, 在描述机械臂结构时就会有些偏差。另外由于外部环境变化以及测量时产生的误差等影响, 这就需要所建立的机械臂控制器能够在抵抗这些扰动的情况下还能使得控制达到最优或近似最优。但是, 自适应所需要的反馈控制比起一般反馈控制要更加复杂, 所需费用也较为昂贵, 如果控制对象的扰动不是影响特别大, 还是常规反馈控制要实用。Yang针对了模型中存在不确定性的参数提出了非线性控制律的自适应方法。Cao和Xu运用自适应变结构控制对双连杆机械臂进行了控制设计。Chen和Etimsahy设计了一种混合自适应控制器, 提供了一个统一的框架设计, 不需要预先给出精确的数学模型、机械臂动态参数或负载参数, 如质量和刚度等。李晓理等人给出多模型自适应控制产生的背景, 对模型集的建立、多模型控制器的形成以及算法的收敛性和稳定性进行了分析, 介绍了多模型自适应控制在工业生产过程中的应用和最新研究成果, 同时提出了存在的问题及进一步发展方向。
3.5 变结构控制
为了解决柔性系统的非线性、不确定性等特点, 研究人员引入了变结构控制 (LVSC) , 它能通过一种简单的学习机制来提高系统的稳态精度, 并对系统的摄动和干扰都具有良好的自适应性。今年来变结构控制有了长足的发展, 并在国内外得到了十足的关注, 例如滑膜控制得到了广泛的使用。但是, 由于系统相点在接近切换面的时候因为惯性导致了其在切换面不停的穿梭, 使得系统容易产生抖振, 影响控制效果。处理该问题通常用变结构控制律中的符号函数用饱和函数和优化到达条件, 使得相点在接近切换面时运动速度减慢来减小惯性这两个方法。Sundareshan MK等提出神经网络变结构控制在机械臂方面的应用。熊翌竹, 郭华芳提出将变结构控制方法运用到双柔性机械臂中。
3.6 智能控制方法
智能控制是控制的自动化研究达到一定水平的高度, 其理论内容包含多个学科并且相互交叉和融合, 它的目的是控制那些用传统控制方法难以控制的非线性系统, 提高控制精度并提供相应的理论。智能控制是用语言实行控制的一种方法, 它体现了人类在控制过程中的思想变化, 它的其中一个特点是它并不需要控制对象具体的数学方程式, 而是需要控制对象经过操作后所提供的数据和操作经验。刘建昌和苗宇考虑到机械臂动力学模型的非线性和参数的不确定性, 提出了采用神经网络作为补偿器的机械臂轨迹控制策略。林雷等人利用模糊控制对模型不确定部分采用变结构集中补偿控制, 在存在模型误差和外部扰动的情况下既能达到快速跟踪, 又能很好的消除控制器的抖震。
3.7 鲁棒控制
由于柔性机械臂的参数不确定性及复杂运动特征, 其运动方程中许多参数存在明显的不确定性和参数太范围摄动, 所谓鲁棒控制就是指控制系统在某种类型的扰动作用下, 包括自身模型的扰动下, 系统某个性能指标保持不变的能力, 即抗干扰能力较强, 鲁棒控制是一种适宜于补偿这种不确定性的方法。田彦涛i采用多模态鲁棒自适应控制算法控制柔性机械臂的运动轨迹, 结构简单, 收敛性很好。此外, Choi给出一种新型混合驱动器方案, 用来主动地、鲁棒地控制一个非常柔软的单连杆操作器的末端点位置。Song和Cai将柔性机械臂系统分成刚性子系统和柔性子系统, 假设刚性子系统的输入为柔性子系统的输出来设计鲁棒控制器。Lee等设计了基于能量的自适应鲁棒控制策略, 理论上适用于n连杆机械臂, 最后通过一个双连杆机械臂进行了仿真计算。李元春等利用基于准静态偏差校正的神经网络理论设计了一种鲁棒控制器, 用来控制双连杆机械臂的振动问题。
3.8 能量法
能量法是近年来兴起的一种对于柔性系统的控制方法, 其基本思想是认为能量在柔性系统中传递, 会反馈一部分回来, 根据反馈的这部分信息 (可以是反馈的力, 反馈的速度, 反馈的位移等等) , 从而可以判断柔性体的振动形态, 从而施加控制, 达到振动抑制的目的。
4 结束语
综上所述, 关于柔性机械臂的研究目前在世界范围内已经取得了长足的发展, 也积累了丰富的经验, 但其具体的应用过程仍然存在一些有待攻克的问题。本文对相关研究加以总结与分析, 希望为此类研究起到抛砖迎玉的作用。
参考文献
[1]王树新, 员今天, 石菊荣, 等.柔性机械臂建模理论与控制方法研究综述[J].机器人, 2002, 24 (1) :86-92.
[2]戈新生, 崔玮, 赵秋玲, 等.刚柔性耦合机械臂轨迹跟踪与振动抑制[J].工程力学, 2005, 22 (6) :188-191.
[3]甘亚辉, 戴先中.多机械臂协调控制研究综述[J].控制与决策, 2013, 28 (3) :321-333.
[4]蔡国平, 洪嘉振.旋转运动柔性梁的假设模态方法研究[J].力学学报, 2005, 37 (1) :48-56.
柔性控制 篇2
资格证书费：800元/人(参加认证考试的学员须交纳比费用，不参加认证考试的学员无须交纳)
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课程简介
“计划又要改！你们计划怎么搞的”—车间主管怨声载道： 要么忙得要死：制造部门天天救火！产能不够！人力不够！材料告急！客户催货！要么闲得要死：设备闲置，工人放假！生产停线！随着市场竞争的激烈，工厂品种不断增多，批量不断减少，生产计划不但要以市场需求和客户个性化的要求来确定，还要根据企业制造资源的实际能力和库存、生产进度的动态变化来调整，制造过程的优化和监控成为提高企业核心竞争力不可回避的环节。如何做好主生产计划平衡？
如何应对多品种、小批量的急单、插单、改单？
发生变化时如何进行生产排程的调整？
如何保证客户满意度，又能控制内部生产成本与库存指标？
如何实施供应链与物流协同作业？
如何进行切实有效地订单及产品预测？
如何进行生产过程中的订单安排及有效排期？
如何更好地做好生产过程中进度控制工作？
这些都是当今企业所面临的实质性问题。
生产计划和物料控制部门是一个企业“心脏”，统筹营运资金、物流、信息等动脉，其制度和流程决定公司盈利成败。PMC部门掌握企业生产及物料运作的总调度和命脉，部门运营状况将直接影响生产部、工程部、采购、货仓、品控部、开发设计部、人力资源及财务成本预算控制的运营效率。面对激烈竞争及少量多样、快速变化的市场需求，传统的大批量生产方式及水平式的机台布置已无法适应。如何制订出最优的的生产计划？满足市场的需要。如何适时适量的生产，同时又能削减库存、消除不必要的人力、时间及物料的浪费己成为企业界急需解决的问题。柔性生产计划与物料控制即是针对上述问题，依据丰田生产方式改良而来，不仅能克服大批量生产方式及库存问题，并能一眼看出作业线隐藏的弊端，及时发现并予以改善。柔性化不单成为改造生产方式的现代武器，更是引导廿一世纪生产的利器。本课程将带您一起了解弹性眼单与柔性排产布置的物料运营管理内涵！
课程大纲
第一部分：PMC的工作职责与工作目标
1．PMC生管物控的工作职责
2．PMC生管物控的工作目标
第二部分：弹性产能负荷分析
1．产能负荷分析的步骤
2．产能负荷分析的关键点
3．人力负荷分析的方法
4．机器负荷分析的方法
5．产能负荷的管理方式
第三部分：柔性生产计划制定与编排
1、少量多样生产方式的特性
2、少量多样生产方式的管理对策
3、生产排程常见的六种方式
4、计划排程的五大要素
5、生产计划的时间跨度
6、生产计划排程的优先五规则
7、生产计划内函、实质与应满足的条件
8、生产类型、特点与对策
9、计划和生产控制八步骤
10、生产计划制定--各阶段时间因素考虑
11、生产排序优先规则
12、生产计划排程表MPS与DPS13、插单、加单产量规划和应变方法
14、紧急订单防范处理与应对
第四部分：优先率排程要领与演练
1、优先率排程的关键五要素
2、优先率排程的计算方式
3、优先率排程订单的处置方式
第五部分：弹性滚动排程要领与演练
1、滚动计划的特点和编制程序
2、滚动计划实施的滚动方式
3、滚动规则调节库存量和采购前置时间
第六部分：弹性生产进度的控制
1、跨部门生产进度控制七步骤
2、生产进度监控三个阶段
3、生产进度控制个三方式
4、生产过程异常情况出现、反馈与处理
5、生产进度落后的七条改善措施
第七部分：弹性生产排程问题解决
1、急单与插单的解决方案
2、短期生产力调整八大方法
3、控制插单急单的二十种措施
4、少量多样化订单的解决方案
5、产销失调的解决方案
6、产销协调流程的合理化与规范化
7、销售预测必须考虑的八大因素
第八部分：弹性生产线平衡技巧与改善
1、生产计划进度的控制方式
2、生产绩效检讨改进方式
3、工序平衡分析表
4、生产线平衡改善方法
5、生产平衡率的计算
第九部分：缩短交货周期确保准时交货
1、缩短订单处理周期
2、缩短采购处理周期
3、缩短生产处理周期
4、缩短运输配送周期
第十部分：弹性物料需求计划的制定
1、物料管理范围和意义
2、思考：企业凭什么打价格战
3、物料管理的职能：追求“5R”
4、思考：MC部门的主要职能有那些？
5、物料管理三大因素结构图
6、案例：深圳某电子有限公司结构图
7、物料管理精髓---三不政策和八大死穴
8、物料控制的精髓——“三不”
9、物料计划流程七步骤
10、材料计划跟进流程实例展示
11、如何来制定物料需求计划
12、常备性物料需求计划与专用性（批次生产性）物料需求计划
13、MRP、MRPⅡ、ERP相关概念、区别
14、案例研讨、分析——如何预防物料计划的“牛鞭效应”
15、安全心理对库存的影响
16、物料损耗如何来制定
17、问题研讨：物料损耗率如何制定？
18、物料损耗控制流程（图示）
19、问题研讨：如何避免生产收尾时，才发现物料短缺现象？
第十一部分：如何督促物料到位
1、剖析物料供应不继六大方面
2、物料短缺八大原因
3、物料短缺七种预防对策
4、物料进度督促技巧
5、采购零配件的货期跟进
6、物料进度落后的对策
第十二部分：仓储管理与物料控制
1、储位规划与可视化管理
2、提高仓库利用率的有效方法
3、收发料控制
4、料账不准的原因分析及对策
5、物料仓储的盘点管理
6、缺料的控制
7、呆滞料的预防与处置
第十三部分：库存量控制与削减
1、影响库存水平的主要因素
2、物料库存量控制
3、求算库存周转率的意义
4、如何评判库存周转率
5、提高库存周转率的八点要领
6、加速库存周转提高资金周转率
第十四部分：建立快速反应的库存控制体系
1、库存控制第一关键点—销售预测
2、库存控制第二关键点—生产计划
3、库存控制第三关键点—送料方式
4、库存控制第四关键点--采购方式
第十五部分：弹性物流一体化管理
1、传统领料与发料方式，暴露出物料库存信息不准与物料消耗控制
2、物流一体化管理含义
3、物料库存全过程控制
4、如何利用物料全过程管理方式有效管理VMI5、如何利用物料库存全过程控制观念，杜绝非生产性借料问题
主讲老师：张小强老师
FMP（Fine Management Positioning）培训模式创始人；2009年全球生产类十强华人讲师；“双七”领导力大中华区启航导师。
出版著作有：《砍掉浪费》《在绝望中寻找希望》《今天，你创业了吗》《疯狂管理》
中国经济管理大学工商管理硕士；国资委特聘生产管理培训专家；清华继续教育学院经理人研修班特聘专家；国家发改委培训中心特邀生产管理培训师；国内制造系统实战管理培训导师；香港生产力促
进中心精益生产管理顾问；
曾任职于全球五百强企业联想集团生产经理；台资龙头企业鸿海集团富士康科技PCEBG事业群生产运营总监；法国知名企业松源股份供应链运营经理、常务副总等职务。10年企业任职生涯中，张老师从一线工人到高阶管理岗位的亲身体验，总结并独创出了一套制造型企业生产系统细节定位运营模式，尤其在制造型企业生产制造，质量管理，物料统筹及采购优化等专业方面有其独到的见解，至力于帮助中国企业培养实战型的管理人才，并已成功为上百家大中型企业做过培训咨询服务，帮助诸多企业在制造成本、生产运营、物流统筹等领域取得极大的收益，张老师“不求深奥，但求有效，生产统筹，细节定位”的培训与管理思想受到客户的一致认可与赞许。
服务客户包括五粮液、格力电器、广州钢铁股份、广东南粤药业、四川铁骑力士实业集团、煤炭科学研究总院重庆研究院、四川天味实业、南车集团、许昌烟草机械有限责任公司、河南省宋河酒业、金星啤酒集团、中原特钢股份、中国电子系统工程第四建设有限公司、中航光电科技股份、中国空空导弹研究院、青岛啤酒、广西柳工集团、兰州石化、兰州金川集团、青海水泥股份有限公司、大连三岛食品、北京首钢建设集团有限公司国际工程分公司、广东众生药业股份、东莞玖龙纸业、一汽丰田汽车有限公司、中粮生化能源、中国造币总公司、修正药业、福田汽车、美的集团等数百家知名优秀企业
柔性控制 篇3
(1.浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室，浙江 宁波 315211; 2．浙江大学现代制造工程研究所, 浙江 杭州 310027)
引 言
随着航天事业的飞速发展，融合航空航天技术和机器人技术的空间机械臂系统得到了广泛的应用[1]。由于太空环境的特殊性和空间操作任务的复杂性，人们对空间机械臂结构的要求越来越高，空间机械臂朝着多自由度、低刚度、柔性化和大型化的趋势发展，这使得空间机械臂的动力学响应表现为大范围的刚性运动和自身柔性振动相叠加的刚柔耦合特征。在太空环境中的内外部因素激励下，具有低频模态密集、固态阻尼小特征的柔性机械臂势必会产生低频、大幅值的持续振动，从而影响整个系统的位置精度和控制精度。因而对空间柔性机械臂的定位控制和振动控制的研究是目前空间技术领域中最重要的课题之一[2]。
许多研究者对空间柔性机械臂系统在运动过程中的振动控制问题进行了深入的研究，Z Mohamed, Ismael等通过控制伺服电机的驱动力矩对一个绕着刚性Hub旋转的单柔性机械臂的振动控制问题进行了研究[3,4]；James等对一个平面两连杆柔性机械臂系统的动力学建模和振动控制问题进行了研究[5]，研究中把柔性机械臂假设为欧拉-伯努利梁模型，并采用关节电机来抑制柔性臂的弹性弯曲振动，从而实现柔性臂系统运动过程中的振动抑制。另外，压电材料由于具有响应速度快、频响范围宽以及控制精度高的特点，被广泛应用到柔性机械臂的振动控制中，Dong Sun,邱志成等通过伺服电机控制单个柔性机械臂的旋转运动，同时利用压电致动器控制柔性臂的弹性弯曲振动，实现了单个旋转柔性臂的精确定位和振动抑制[6,7]；E Mirzaee等利用奇异摄动法将平面两连杆柔性臂系统的运动分解成慢速的旋转运动和快速的弹性振动，并用关节电机和压电致动器分别控制，进一步证明了压电致动器和驱动电机联合控制的效果要优于单一的电机控制效果[8]。
但是对于执行操作任务的空间机械臂而言，由于柔性臂的大型化和柔性化，末端操作对象的转动惯量极易引起初级柔性杆件的扭转振动。而目前对机械臂的研究主要集中在单一机械臂或平面多连杆机械臂在运动过程中的振动控制问题，并且多是基于弯曲振动模型；而对柔性机械臂的扭转振动以及采用压电扭转致动器抑制其振动的研究却相对较少[9]，对既有弹性弯曲又有弹性扭转的弯扭耦合的空间多连杆柔性机械臂的研究更是很少涉及，故对此类空间柔性机械臂在运动过程中的弯扭耦合振动控制问题有待深入研究。
为此提出对一伺服驱动的空间机械臂的振动控制问题进行研究。由于空间机械臂系统在运动过程中存在着弹性弯曲振动、弹性扭转振动以及刚性转动之间的刚柔耦合。因此本文在提出柔性臂的变形假设的基础上，采用假设模态法结合Lagrange方程建立空间柔性机械臂系统刚柔耦合的非线性动力学模型，然后在实现伺服电机PD运动控制的基础上，采用不同极化方式的压电致动器分别抑制柔性机械臂的弯曲振动和扭转振动，从而实现空间柔性机械臂在大范围运动过程中的振动主动控制，提高系统末端的定位精度。
1 动力学建模
伺服驱动的空间柔性机械臂系统的结构如图1所示，末端柔性机械臂6(矩形薄壁构件)通过转动关节8与柔性臂3(中空薄壁圆柱杆件)相连，并在关节电机4的作用下产生转动，伺服电机1通过驱动柔性轴3实现整个柔性机械臂系统的大范围转动运动。其中7为末端操作对象，坐标系xoy为惯性参考系，x1oy1为固定在柔性轴3顶端的参考系，xooyo为固连在柔性臂6根部的参考系，并始终与柔性臂6的轴线相切。在伺服电机驱动整个机械臂系统旋转运动的同时，为了抑制柔性机械臂系统在伺服驱动过程中产生的弯曲振动和扭转振动，采用不同极化方式的压电致动器2和5分别抑制柔性臂3的扭转振动和末端柔性臂6的弯曲振动，达到提高系统末端定位精度的目的。
图1 伺服驱动的空间柔性机械臂系统结构简图
由于空间柔性臂系统在执行工作任务时，运动速度不高，不考虑动力钢化效应。在系统建模的过程中，忽略轴向变形和剪切变形的影响，柔性臂6可以看作欧拉-伯努利梁；由于末端操作对象相对于柔性臂3有着较大的转动惯量，假设柔性臂3为作扭转运动的弹性轴，为了简化分析，暂不考虑柔性臂6在关节电机4驱动下的运动。其中末端操作对象质量为mo；伺服电机、关节(包括关节电机和转动关节)的转动惯量分别为Jm,JH；柔性臂3的内外径、长度、材料密度以及扭转刚度分别为Rin,Rout,ls,ρs,Gs,Ips；柔性臂6的长度、截面面积、材料密度以及抗弯刚度分别为lb,Ab,ρb,EbIb。
1.1 变形描述
设柔性臂3满足纯扭转振动的条件，不计结构和材料阻尼[9]，根据假设模态法，柔性杆件扭转振动位移为
(1)
式中n为保留的模态阶数；ψ(z)=(ψ1,ψ2,…,ψn)为扭转模态振型矢量；η(t)=(η1,η2,…,ηn)T为广义扭转模态坐标矢量。具体的针对柔性臂3，采取一端固定一端存在末端等效圆盘的边界条件，得到柔性臂3扭转振动的第i阶模态振动角频率方程和振型函数如下
(2)
如果假定柔性臂6符合欧拉-伯努利梁条件，采用假设模态法，相应可以得到其横向弯曲振动位移为
(3)
式中m为保留的模态阶数；Φ(x)=(Φ1,Φ2,…,Φm)为弯曲模态振型矢量；q(t)=(q1,q2,…,qm)T为广义弯曲模态坐标矢量。
柔性臂6的一端通过转动关节与柔性臂3相连，另一端存在末端操作对象mo，因此：x=0处，位移为零，梁的弯矩和轴的扭转变形带来的惯性扭矩相等；x=lb处弯矩为零，剪力等于集中质量的惯性力。将上述边界条件带入到梁的振动方程中，得到柔性臂6弯曲振动的第k阶弯曲模态频率方程为
(1 +Kα)
(4)
与之相对应的振型函数为
Φk(x)=chβkx+λkshβkx-cosβkx+χksinβkx
(5)
1.2 动力学方程建立
设伺服电机的转动角位移为θ，综合考虑伺服电机的转动，柔性臂3的弹性扭转变形以及柔性臂6的弹性弯曲变形，在弹性变形为小变形的前提下，柔性臂6上任意一点P速度的平方为
(6)
相对于柔性臂，压电致动器的结构尺寸较小，暂不考虑其对系统结构的影响，包含柔性臂3、关节电机、转动关节、柔性臂6以及末端操作对象在内的整个空间柔性机械臂系统的动能为
(7)
系统的势能包括柔性臂3扭转变形产生的扭转势能和柔性臂6弯曲变形产生的弯曲势能，系统的总势能为
(8)
利用压电剪切致动器控制柔性臂的弯曲振动目前研究较为成熟，而利用压电扭转致动器控制柔性臂的扭转振动的研究则相对较少[10]。魏燕定分别利用d31和d15极化方式的压电致动器实现了柔性梁弯曲和柔性杆扭转振动的主动控制。设伺服电机的驱动力矩为T，在伺服电机驱动力矩、压电剪切致动器和压电扭转致动器的控制力矩下，空间柔性臂系统的广义力虚功为
(9)
式中r,s,c1,c2分别为压电剪切致动器和压电扭转致动器的个数和控制系数，具体参数表达式参看文献[11]；xbpi,lbpi为第i个压电剪切致动器的位置和长度；ztpj,ltpj为第j个压电扭转致动器的位置和长度。
如果进一步化简公式(9)得到
(10)
利用Lagrange方程，得到伺服驱动的空间柔性机械臂系统的动力学方程为
(11)
H=
对于系统的动力学方程有以下几点说明：
1.M(q,η)为系统的质量矩阵，mθθ项为系统的综合转动惯量；包括关节电机、柔性臂3、柔性臂6、末端质量的转动惯量以及柔性弯曲振动产生的非线性项，mθq代表系统刚性转动和柔性臂6的弹性弯曲运动之间的耦合惯量；mθη代表系统刚性转动和柔性臂3的弹性扭转运动之间的耦合惯量。
3.如果假定系统的阻尼矩阵C满足正交性条件，为质量矩阵M和刚度矩阵K的线性组合，则阻尼矩阵C=aM+bK很容易就可以加入到系统的动力学方程中。
2 控制策略研究
2.1 基于Lyapunov稳定性的速度反馈控制策略研究
从系统的动力学方程可以看出，空间柔性机械臂系统是一个刚性转动、弹性弯曲振动和弹性扭转振动互相耦合的复杂非线性系统。为了实现系统在运动过程中的振动抑制，首先通过控制伺服电机的驱动力矩保证系统大范围的刚性转动，其次分别控制压电剪切致动器和压电扭转致动器的驱动电压来实现柔性机械臂6的弯曲振动和柔性机械臂3的扭转振动的主动控制。为了保证控制系统的稳定性，采用Lyapunov直接法设计出系统的控制器。暂不考虑阻尼矩阵项，构造的Lyapunov函数如下[12]
(12)
式中 Δθ=θ-θd为伺服电机角度跟踪误差。
(13)
由于柔性臂3的扭转角速度便于测量，对压电扭转致动器采取A型模态角速度反馈控制，则取压电扭转致动器的驱动电压为
(14)
而柔性臂6的弯曲运动角速度相对不易测量，对压电剪切致动器采用L型模态线速度反馈控制(FLVC)，压电剪切致动器的驱动电压为
(15)
2.2 模糊自适应调节控制策略研究
模态速度负反馈控制技术对于标称模型可以取得很好的控制效果，但是由于研究的空间柔性机械臂系统是一个刚柔耦合、弯扭耦合的非线性时变系统，其控制效果会有所下降，并且受压电材料驱动电压的限制，压电材料的致动能力有限。为了提高系统的控制效果，本文将模糊控制技术与模态速度反馈控制技术相结合，利用模糊控制器实时在线调整模态速度反馈控制系数，在充分发挥压电致动器控制能力的基础上，进一步提高系统的控制效果。
设计的模糊控制器为两输入两输出，输入量分别为柔性臂6的弯曲运动线速度绝对值V和柔性臂3的扭转运动角速度绝对值θ，输出分别为L型线速度反馈控制系数Kbp和A型模态角速度控制系数Ktp，为了简化模糊控制器的设计，模糊输入量V和模糊输入量θ采用同一个基本论域和隶属度函数如图2所示，只是量化因子不同；模糊输出量Kbp和模糊输入量Ktp同样采用同一个基本论域和隶属度函数见图3，但是二者的比例因子不同。
根据线速度反馈控制系数Kbp和角速度反馈控制系数Ktp对系统动态响应的影响，制定相应的模糊控制规则，如表1所示。
图2 输入变量V (θ)的隶属度函数曲线
图3 输出变量Kbp (Ktp)的隶属度函数曲线
表1 模糊控制器推理规则
2.3 基于Lyapunov稳定性的模糊自适应速度反馈控制策略研究
系统的总体控制框图如图4所示，整个控制系统分为三部分：首先以安装在伺服电机上的光电编码器输出的角度和角速度信号为反馈控制信号，采用PD控制算法实现伺服电机的输出驱动力矩控制，保证系统在大范围内的转动运动精度。其次以贴在柔性臂6上的应变片输出的弯曲振动速度信号为反馈信号，采用L型模糊自适应线速度反馈控制算法(FLVC) 实现压电剪切致动器的控制电压输出，抑制系统在运动过程的弯曲振动。再以粘贴在柔性臂3上的应变片输出的扭转振动速度信号为反馈信号，采用A型模糊自适应角速度反馈控制算法(FAVC) 实现压电扭转致动器的控制电压输出，抑制系统在运动过程中的扭转振动，最终实现了空间机械臂系统在运动过程中的振动主动控制。
图4 基于Lyapunov稳定性的模糊自适应速度反馈控制系统结构
3 系统仿真研究
针对图1所示的伺服驱动的空间柔性机械臂系统，采用图4所示的复合控制策略进行了数值仿真试验，在机械臂3的根部同位粘贴一个压电扭转致动器和一组应变片，实现扭转振动信号的传感检测及控制；在机械臂6的根部两侧同位粘贴一个压电剪切致动器和一组应变片，实现弯曲振动信号的检测及控制，系统各构件的物理参数如下：
机械臂3和6均为不锈钢材料，密度ρs=7 750 kg/m3，剪切模量Gs=76.9 GPa，弹性模量Eb=200 GPa。臂3为中空的不锈钢管，长度、内径外径为800 mm×18 mm×21 mm。机械臂6为矩形不锈钢梁，长、宽、高为900 mm×50 mm×3 mm。
压电扭转致动器与压电剪切致动器均采用PZT-5A材料，压电应变常数d15=700×10-12m2/N，d13=210×10-12m2/N。扭转致动器的长度、内径外径为60 mm×21 mm×24 mm，片数Ntp=6。剪切致动器长、宽、高为70 mm×50 mm×1 mm。
转动关节的转动惯量为0.01 kg·m2，关节电机的转动惯量0.04 kg·m2，末端操作对象mo=0.15 kg。
图5 伺服电机的转角位移
图6 一阶弯曲振动引起的末端操作对象的振动响应
图7 二阶弯曲振动引起的末端操作对象的振动响应
图8 一阶扭转振动引起的末端操作对象的振动响应
图9 末端操作对象的转角位移
不考虑压电材料的影响，利用假设模态法计算得到柔性臂3的前两阶扭转振动频率分别为6.72, 1 953.2 Hz，柔性臂6的前3阶弯曲振动频率分别为2.25, 15.20和44.74 Hz，由于高频的模态分量对系统的影响相对较小，因此只对机械臂3的一阶扭转振动和机械臂6的前两阶弯曲振动进行抑振控制研究，仿真运动过程是在伺服电机的驱动下，实现整个空间机械臂系统从θ=0运动到θ=π/4 rad。由于整个系统的强耦合性，为了实现较高的定位精度，必须对运动过程中的弯曲、扭转弹性振动进行抑制。在运动仿真的过程中，假定柔性臂6的模态阻尼系数为0.01，柔性臂3的扭转模态阻尼系数为0.02，图5～10显示了在两种不同的控制策略下的仿真实验结果：a)PD control，仅伺服电机的PD控制策略；b)PD+FAVC+FLVC，伺服电机PD控制、压电剪切致动器的模糊L型线速度反馈控制、压电扭转致动器的模糊A型角速度反馈控制复合控制策略。
如图5所示，虽然伺服电机的PD控制策略可以保证伺服电机输出精确的驱动转角位移，但是由于系统存在着刚柔耦合和弯扭耦合，空间柔性机械臂系统在大范围转动的过程中不可避免地产生了弯曲和扭转弹性振动，并且仿真结果表明由于弯曲振动和扭转振动带来的末端操作对象的位置误差是不能忽略的，如图5～8中PD曲线所示，因此对柔性臂6的弯曲振动和柔性臂3的扭转振动进行振动抑制是很有必要的。而利用本文提出的基于Lyapunov稳定性的模糊自适应速度反馈控制策略，通过压电剪切致动器和压电扭转致动器的控制，系统的弯曲振动和扭转振动都得到了很好的抑制，如图5～8中PD+FAVC+FLVC曲线所示，实现了整个空间柔性机械臂系统的振动控制，提高了系统的运动精度以及末端操作对象的定位精度，试验结果见图9。
图10 伺服电机的控制扭矩
图11 压电剪切致动器的控制电压
图12 压电扭转致动器的控制电压
图10给出了在PD和PD+FAVC+FLVC两种控制策略下的伺服电机的驱动扭矩，可以看到：在压电剪切致动器和压电扭转致动器的控制作用下，不仅可以抑制系统的柔性弹性振动，同时可以提高系统的刚性转动精度，从而大幅度地减小伺服电机的驱动电压，进一步提高系统的运动精度。
图11和12为压电剪切致动器和压电扭转致动器的驱动电压，由于受限于压电驱动器的驱动电源，设定压电致动器的驱动电压不大于200 V，在试验的过程中通过相应的饱和模块实现。
4 结 论
1)通过对伺服驱动的空间柔性机械臂系统的动力学分析表明，由于机械臂的结构形式和末端操作对象的影响，系统存在着强烈的刚柔耦合、弯扭耦合的非线性特性。为了提高机械臂系统末端的定位精度，必须要对系统在伺服驱动中产生的弹性振动进行抑制。
2)在通过伺服电机驱动保证空间机械臂系统大范围内刚性运动的同时，分别利用压电剪切致动器和压电扭转致动器抑制机械臂系统的弯曲及扭转弹性振动的控制方法是可行的。本文提出的模糊自适应模态速度反馈控制策略是有效的，抑制了系统在运动中产生的弹性弯曲、扭转振动，提高了末端操作对象定位精度。
参考文献：
[1] Sabatini M, Gasbarri P, Monti R, et al. Vibration control of a flexible space manipulator during on orbit operations[J]. Acta Astronautica, 2012,73: 109—121.
[2] Malekzadeh M, Naghash A, Talebi H A. A robust nonlinear control approach for tip position tracking of flexible spacecraft[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2011,47(4): 2 423—2 434.
[3] Mohamed Z， Tokhi M O. Command shaping techniques for vibration control of a flexible robot manipulator[J]. Mechatronics, 2004,14(1): 69—90.
[4] Payo I, Feliu V， Daniel Cortazar O. Force control of a very lightweight single-link flexible arm based on coupling torque feedback[J]. Mechatronics, 2009,19(3): 334—347.
[5] Forbes J R, Damaren C J. Design of optimal strictly positive real controllers using numerical optimization for the control of flexible robotic systems[J]. Journal of the Franklin Institute-Engineering and Applied Mathematics, 2011,348(8): 2 191—2 215.
[6] Sun Dong, Mills J K, Shan Jinjun,et al. A PZT actuator control of a single-link flexible manipulator based on linear velocity feedback and actuator placement[J]. Mechatronics, 2004,14(4): 381—401.
[7] 邱志成. 刚柔耦合系统的振动主动控制[J]. 机械工程学报, 2006,42(11): 26—33.Qiu Zhicheng. Active vibration control for coupling sys—tem of flexible structures and rigid body[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006,42(11)：26—33.
[8] Mirzaee E, M Eghtesad, S A Fazelzadeh. Maneuver control and active vibration suppression of a two-link flexible arm using a hybrid variable structure/Lyapunov control design[J]. Acta Astronautica, 2010,67(9-10): 1 218—1 232.
[9] 谢官模. 振动力学[M]． 北京: 国防工业出版社, 2007.
[10] 魏燕定, 吕永桂, 吕存养, 等. 机器人柔性臂的扭转振动主动控制研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2005,39(11): 1 761—1 764.Wei Yanding, Lv Yonggui, Lv Cunyang, et al. Active torsional vibration control of flexible manipulator [J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2005,39(11):1 761—1 764.
[11] 吕永桂. 基于压电致动器的柔性构件振动主动控制技术研究[D].杭州：浙江大学,2007.Lv Yonggui. Study on active vibration control techniques for flexible structure using piezoelectric actuators D]. Hangzhou: Zhejiang Uinversity,2007.
柔性控制 篇4
未来空间技术的发展,对空间机械臂的要求越来越高,关于空间机械臂柔性行为(包含柔性臂等)控制的基础科学问题研究日益广泛[1,2,3,4,5,6]。未来空间机械臂柔性行为控制不仅要探索如何认识空间机械臂柔性行为的运动规律,而且还要研究如何对柔性行为施加外部影响以保证空间机械臂执行在轨操作任务按期望要求得以实现[7]。由于空间机械臂往往具有轻质、臂长、高精度、高负载等特点(导致臂杆柔性大),因此空间机械臂的柔性是不可忽略的。目前国内有关柔性空间机械臂的控制研究主要集中在单个柔性臂系统,且系统的柔性振动会影响系统的控制精度[8,9]。在太空失重环境下,柔性空间机械臂是一个非常复杂的动力学系统,载体与臂杆的动力学耦合作用及刚性关节运动和柔性振动的相互作用,使得空间机器人系统的控制设计难于地面机器人系统[10,11]。因此,建立相应的系统动力学模型和设计高精度的控制器以有效地抑制柔性臂振动,是目前空间机械臂研究和应用必须面对和解决的重点[12,13,14]。
文献[15]提出了一种混合的系统,该系统结合了分数阶控制的鲁棒性和滑模控制的优势,但该控制方法未考虑外部扰动的影响。文献[16]提出了一种稳定的自适应模糊滑模控制器,用于非线性多变量系统的不可测状态,滑模变结构控制器对空间机械臂的外部扰动与未建模误差具有强鲁棒性,从而可以克服系统的不确定性。文献[17]提出了一种自适应算法,该算法具有简单性和通用性,并考虑了机械臂的参数未知等问题。但上述文献均未考虑柔性臂对空间机械臂控制的影响。文献[18]将虚拟刚性机械臂和假设运动反解相结合,设计了柔性空间机械臂模型的扩展PD控制,但该控制方法未能实现实时的振动抑制。
为了实现漂浮基柔性空间机械臂运动轨迹的渐近跟踪并抑制由柔性臂引起的系统柔性振动,利用积分流的思想建立奇异摄动模型,将系统动力学模型分解为慢变子系统和快变子系统。首先,针对慢变子系统,设计了自适应模糊H∞控制算法,通过设计模糊逻辑系统,用来逼近系统的不确定性,对不确定性进行补偿,对其参数进行自适应调节,整个闭环系统是Lyapunov意义下渐近稳定的。然后,设计鲁棒补偿项,借助H∞性能指标将逼近误差和外部干扰衰减到期望的程度。最后,针对快变子系统,采用线性二次最优控制方法主动抑制,保证系统的稳定性。
1 漂浮基柔性臂空间机械臂的动力学模型
考虑做平面运动的自由漂浮基柔性臂空间机械臂的几何模型如图1所示。其中,B0为系统的刚性载体基座,B1为系统的刚性连杆,B2为系统的柔性连杆(可视为Euler-Bernoulli悬臂梁且仅产生横向振动),Bi-1和Bi(i=1,2)间均使用刚性旋转铰进行连接。
建立平动的惯性坐标系Oxy,各分体Bi(i=0,1,2)的主轴连体坐标系Oixiyi,O1、O2分别为相应两个转动铰的中心;x0通过O0与O1的连线,x1和x2分别是B1和B2的对称轴,ei为沿xi(i=0,1,2)轴方向的基矢量;C为系统总质心。mi、ji分别为Bi(i=0,1)的质量与中心转动惯量,B2单位长度的均匀质量密度为ρ,均匀弯曲刚度为EI;并定义q0为航天器载体姿态角,q1和q2为关节O1、O2的相对转角。
由弹性理论可知,基于假设模态变形描述法[19],横向弹性变形v(x2,t)可描述为
其中,φi(x2)和δi(t)分别为柔性杆的第i阶模态函数及其坐标,n为截断阶数。考虑到低阶模态对杆件的弹性振动起主导效应,本文取前两个低阶模态进行研究,即
利用拉格朗日法和动量守恒关系,可导出载体位置不受控和姿态受控的柔性空间机械臂动力学方程如下:
其中,M(q,δ)为正定、对称惯性矩阵,M(q,δ)∈R5×5;为从包含离心·力、科氏力列向量中分离出来的矩阵,;q、δ分别为系统广义坐标列向量的刚性变量和柔性变量,q=(q0,q1,q2)T、δ=(δ1,δ2)T;Kδ为系统的抗弯刚度矩阵,Kδ=diag(kδ1,kδ2);u为系统的控制力矩列向量,u=(u0,u1,u2)T;抗弯刚度矩阵中的对应元素可表示为
2 控制器设计
2.1 系统动力学奇异摄动分解
根据式(3),姿态受控柔性空间机械臂的动力学模型可展开为
其中,Mrr∈R3×3,Mrf∈R3×2,Mfr∈R2×3,Mff∈R2×2,均为M∈R5×5的子矩阵;Hrr∈R3×3,Hrf∈R3×2,Hfr∈R2×3,Hff∈R2×2,均为H∈R5×5的子矩阵。
若约定
假设柔性臂刚度矩阵Kδ中的最小刚度为kδmin,并定义μ=1/kδmin,引入新的变量σ=δ/μ、Kμ=μKδ,式(4)可变换为
令μ=0并将其代入式(6),得慢变子系统:
其中,带“—”的变量表示当μ=0时相应的矩阵或者向量,us表示慢变子系统的控制器,仍满足斜对称性。
定义快变时标tf及边界层修正项,可得到快变子系统的动力学方程:
式中,uf为快变子系统的控制器。
通过奇异摄动法将慢变控制律us与快变子系统控制律uf结合,由于这两个子系统在时标上具有独立性,因此可分别对每个子系统进行相应控制器的设计,并最终组成系统的总控制器u,可同时使关节运动稳定追踪期望轨迹及柔性杆振动得到抑制,即设计的总控制器u可由两部分组成u=us+uf。
2.2 快变子系统的控制器设计
忽略不确定部分,则快变子系统为线性系统,且完全可控。为抑制弹性振动,本节拟采用最优控制策略来对快变子系统(式(8))进行控制。为此,定义系统性能指标函数为
其中,Rf∈R3×3和Qf∈R4×4分别为正定、半正定常值矩阵。
设Pf为如下Ricatti方程的唯一解:
则快变最优控制律可定义为
2.3 慢变子系统的控制器设计
假设式(3)有相对度向量,并且零动态具有指数吸引性质。
设是系统状态向量,对于给定的期望轨迹,其中,qd=(qd0,qd1,qd2)T,定义跟踪误差为e=xd-x。将慢变子系统(式7)改写成如下状态空间的形式,且考虑外部干扰,则有
设系统的位置和速度是完全可测的,设计一个鲁棒自适应模糊控制器和可调参数的自适应律,使得整个闭环系统趋于稳定,式(12)可表示为
控制目标是利用模糊逻辑系统设计自适应控制律,满足:①系统中所涉及的变量有界;②跟踪误差e取得H∞跟踪性能,即
其中,X∈[0,∞),w∈L2[0,X]是模糊逼近误差,L2为H∞跟踪性能下的一个指标;Q和P为两个正定矩阵;为参数的误差向量,;η、ρ为两个给定的参数,η>0,ρ>0。
慢变子系统的控制器为
其中,选取合适的uσ可使系统趋于稳定。为模糊逻辑系统,用它逼近不确定项,慢变子系统应用模糊逻辑系统构造自适应模糊控制器。uλ为H∞鲁棒项,用于克服误差和干扰,λ是一个设计参数,λ>0,且有
另外
其中,Kσ1、Kσ2的选取满足Hurwitz多项式。
设模糊逻辑系统为
式中,θ为可调参数;ξi(xi)为模糊基函数。
确定抑制水平β>0,且满足条件2β2≥λ,P是满足下面黎卡提方程解的一个正定矩阵:
其中,ai(i=1,2,…,6)的选取使得矩阵A的特征根都在左半开平面内。
2.4 模糊自适应算法
定义参数向量θ的最优参数为θ*,则
式中,Ω为适当的包含θ的有界集;Uc为紧集,Uc∈Rn。
为了便于分析,将控制量代入式(13)中,得到误差方程形式如下:
其中,是参数估计误差,,参数向量θ的自适应律为
为了保证实施控制过程中参数向量θ在指定的范围内,利用投影算子对参数θ向量的自适应律进行修正,定义如下的有界闭集Ω={θ‖θ‖2≤L},Ωε={θ‖θ‖2≤L+ε},根据实际问题,确定出设计参数L>0和ε>0。
取参数向量θ的调节律为
式中,Pr(·)为投影算子。
考虑式(3)的控制对象,取控制律us为式(14),则设计的控制方案保证如下的性能:
(1)q∈Ω,x、e、us∈L∞,L∞为H∞跟踪性能下的一个指标。
(2)对于给定的抑制水平β,跟踪误差达到H∞跟踪性能指标。
证明取Lyapunov函数为
求V对时间的导数得
由于,根据式(20)得
由式(15)可得
根据黎卡提方程(式(19))及参数向量θ的自适应律(式(21)),可得
对式(23)从0~X积分得
由于V(X)≥0,所以由式(24)得
即跟踪误差取得H∞控制性能指标。
3 仿真算例与分析
为验证上述控制算法的有效性,对图1所示的柔性空间机械臂进行动力学数值模拟仿真。利用快变子控制器uf和关节运动慢变子控制器us对系统进行仿真分析。选取系统惯性参数的真实值为m0=200kg,m1=2kg,m2=1kg,l0=1.5m,l1=l2=3 m,j0=70kg·m2,j1=1.5kg·m2。仿真过程中柔性杆B2单位长度的均匀质量密度取ρ=1.0kg/m,均匀弯曲刚度取EI=20 N·m2。同时,控制器相关参数选取为η=0.1,λ=0.005,β=0.05,Qf=10diag(1,1,1,1),Rδ=100diag(1,1,1)。
假定两柔性杆空间机械臂系统各连杆关节在关节空间的期望运动轨迹分别为
且系统初始运动位置为
确定外部干扰为
系统的柔性杆B2被视为Euler-Bernoulli悬臂梁,其模态函数φi(x2)取为
模糊规则定义为:如果q0是F1j、q1是F2j、q2是F3j,则yi是Bj(i=1,2,3)。选择如下形式的隶属度函数:
利用本文所设计的自适应模糊鲁棒H∞控制算法对漂浮基柔性空间机械臂进行计算机模拟仿真运算。仿真结果如图2~图5所示。图2是当Kσ1=diag(6,6,6)和Kσ2=diag(9.5,9.5,9.5)(条件1)时,空间机械臂载体姿态、关节角度跟踪误差图;图3是当Kσ1=diag(12,12,12)和Kσ2=diag(36,36,36)(条件2)时,空间机械臂载体姿态、关节角度跟踪误差图;图4为在开启(实线)和关闭(虚线)快变子系统情况下,柔性臂的一阶模态坐标对比图;图5为在开启(实线)和关闭(虚线)快变子系统情况下,柔性臂的二阶模态坐标对比图;仿真过程全部耗时t=30s。
从图2可以看出,条件1下,空间机械臂载体姿态、机械臂关节角度跟踪误差在t=25s时基本收敛到零;从图3可以看出,条件2下,空间机械臂载体姿态、机械臂关节角度跟踪误差在t=15s时基本收敛到零。在收敛过程中控制器的控制增益系数对系统跟踪误差收敛速度有决定性影响;即可以通过调节控制增益系数Kσ1和Kσ2的大小来调整系统跟踪误差收敛速度的快慢。如通过增大Kσ1和Kσ2值,可以使得所设计控制算法的收敛速度加快、收敛时间缩短;反之亦然。虽然增大控制增益系数可以加快系统跟踪误差的收敛速度,然而也加大了关节电机的输出功率或力矩,有时会造成电机输出功率饱和反而影响控制效果;因此实际应用中会根据需要适当选择控制增益系数Kσ1和Kσ2的大小。
仿真结果表明,本文所设计的控制算法能够稳定地跟踪期望运动轨迹,系统的柔性振动得到了有效的抑制。通过开启与关闭快变子系统抑振控制的对比图可以看出,开启快变子系统抑振控制使得跟踪误差及柔性振动较快收敛到零。
4 结语
柔性控制 篇5
研究带柔性附件航天器的姿态快速机动控制问题.根据带柔性附件的.航天器的动力学模型推导并建立其特征模型.基于所建立的特征模型设计一种自适应控制方法,该方法设计简单,控制器参数物理意义明确,便于调试,可同时实现航天器的姿态快速机动控制和弹性附件的振动快速抑制.理论分析和数学仿真表明,该方法对控制器参数及被控对象的不确定性有很强的鲁棒稳定性和鲁棒性能,能取得比工程中常用的比例-微分(PD)控制更快的机动速度和更好的控制性能.
作 者：张国琪 丁建钊 ZHANG Guoqi DING Jianzhao 作者单位：张国琪,ZHANG Guoqi(北京控制工程研究所,北京,100190;空间智能控制技术国家级重点实验室,北京,100190)
丁建钊,DING Jianzhao(北京控制工程研究所,北京,100190)
柔性语文，注重渗透 篇6
袁老师对语文教学的研究是执着的。尽管她从教已经三十年，尽管现在已经走上管理岗位，但她一直在读书，读文学、教育理论和信息技术等方面的书籍；她一直在参加各种各样的语文研讨活动和培训，从国家级骨干教师培训、省市级业务研讨到特级教师研修，许多活动中都可以看到她的身影；在基础教育和高校的语文教学研究中，她也是一个积极参与者。
语文应该姓“语”，这是毋庸置疑的，学生学习语文，主要是为了学会运用语言文字，而语文教师应该用正确的方法指导学生学会阅读，通过阅读大量的文本，品味文章的美，掌握语言文字的运用规律，从而达到能够规范地运用语言的目的。但我们也应该看到，关于语文学科人文性与工具性的争议，多年来一直没有停息。持工具性观点的人，在教学中为了能够让学生尽快掌握语言运用的规律，就过分强化语文训练，运用大量的题目，引导学生熟练掌握语言技巧，这种做法会导致学生产生一种错觉，即学习语文就是为了表达，至于欣赏作品、了解作者，则是可以一笔带过的。造成的结果是，学生语言流畅，但看问题肤浅，一下笔也只能是风花雪月，甚至无病呻吟。而持人文性观点者则在课堂上一味强调人文内容的教学，用大量的时间分析作者的观点，特别是思想人文方面的内容，甚至将文章的欣赏等方面置于教学之外。从表面上看，两种观点都有一定的道理，强调知识教学，能够适应现行的应试要求，而另一种观点则是重在培养学生健康向上的心理。袁老师在许多人还徘徊在语文教育到底是要强调知识性还是重视人文性时，就清醒地认识到语文学科渗透性强这一特点，在课堂教学中特别关注将人文知识与学科知识结合在一起，用自己独特的教学方式，指导学生在学习知识的同时，接受思想情感方面的熏陶，因此，她提出了“柔性语文”的教学主张。这个主张就是试图在知识教育与人文教育之间搭起一座桥梁，使二者更好地融合在一起，把教会学生做人作为语文教学的目标之一，使语文学科的学习目的从单一走向多元。
袁老师在实际教学中发现，语文教材里，以及教师、学生和教学过程中，人文因素无处不在。而在学习活动中，学生对人文的认识是一种体验中的领悟，这种认识的对象是具体生动的，认识的结果是一种不可言喻或不能用言辞充分准确表述的意味和价值。学生若是能从学习语言的过程中体会作者及其作品的内涵，他们就会积极投入、参与和吸收，可以说语文课中的人文教育不是灌输性的，它的意义在于“润物细无声”，以一种潜移默化的方式，将人文教育与知识教育融合在一起，使学生在美的体验中得到思想的升华。
曾经听过袁老师的《我与地坛》的公开教学。教学中，她设计了这样的问题：“在作者的生活中地坛是他生活的重要组成部分，文章中有哪些语句是能反映作者对地坛的依恋之情的？”不难看出，这是让学生从语言品味出发，去感受作者作为一个残疾人生活中的精神寄托之所在。在这个教学设计中，袁老师没有把情感强加给学生，而是从形象的语言中让学生品味、体会作品的思想内涵，这种情感是渗透进学生心底的。诸如此类的例子还有很多。
在多年的教育教学实践中，袁老师在语文的多个领域都有自己的探索，也逐步形成了自己的教学风格，她的课堂吸引了学生，她的教育理念影响着许多年青教师，“袁向萍名师工作室”的建立使得她所在的学校的年轻人迅速成长。我也期待着更多像袁老师一样的语文教师的出现。
柔性直流输电控制及保护系统 篇7
柔性直流输电是一种新型的直流输电技术,其特点是采用基于可控关断型器件的电压源型换流器(VSC)和脉宽调制(PWM)技术进行直流输电[1]。ABB公司首先实现了柔性直流输电技术的商业化运行,并成功将其应用于多个领域[1,2]。
基于可控关断电力电子器件以及PWM技术的柔性直流输电技术相对于传统直流输电技术具有以下优点:①可以实现有功和无功功率的独立控制;②能向无源网络系统供电;③能四象限运行;④无需站间通信,便于构成并联的多端直流输电系统;⑤开关频率较高,低次谐波少,不需要或者只需很少容量的高次滤波器;⑥可以实现静止同步补偿器(STATCOM)功能[3,4,5],对接入电网中的无功功率进行动态补偿。基于以上技术特点,柔性直流输电很适合应用于可再生能源并网、分布式电源并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域[1,6,7]。
柔性直流输电技术是当今世界电力电子技术应用领域的制高点,也是智能电网关键技术之一。国内首个柔性直流输电示范工程——上海南汇柔性直流输电工程已于2011年5月3日成功实现试运行。
本文结合上海南汇柔性直流输电示范工程,介绍了具有中国自主知识产权的柔性直流输电系统运行原理和控制及保护系统的组成与软件配置,并通过实时数字仿真器(RTDS)对控制及保护系统各项功能进行了验证。
1 运行原理
文献[2]对柔性直流输电一次系统的结构及运行原理进行了描述。当忽略换流电抗器损耗和谐波分量时,VSC与交流电网之间传输的有功功率P和无功功率Q分别为[2]:
式中:US为公共连接点(PCC)处交流母线电压基波分量;V为VSC输出电压基波分量;δ为V与US之间的相角差;Xeq为等效电抗[2]。
由式(1)和式(2)可以看出,VSC有功功率的传输主要取决于δ,无功功率的传输主要取决于V。因此,可以通过控制δ来控制VSC传输的有功功率,通过控制V来控制VSC发出或吸收的无功功率[2]。如图1相量图所示,只要改变参考电压V的幅值和相位,即可瞬时实现有功和无功功率的独立调节,实现四象限运行。
2 系统组成
柔性直流输电控制及保护系统主要由运行人员工作站(operator work station,OWS)、控制保护屏、现场终端屏和阀基控制屏组成。图2为控制及保护系统结构示意图。
现场终端屏是控制及保护系统的测控单元,完成对一次系统模拟量的采集和数字量的收发控制。现场终端屏采集的模拟量包括PCC处的交流电压、换流变压器阀侧电压、交流电流、直流电压、直流电流等。除了采集模拟量之外,现场终端屏还完成对交流场和直流场所有开关、刀闸的分合状态以及水冷却等系统状态的接收,同时完成对这些开关、刀闸的分合操作命令及水冷却等其他系统的操作命令。
现场终端屏采集的模拟量通过时分多路复用(TDM)总线发送至控制保护屏的模拟量接口。控制保护屏内的工控机对这些模拟量进行高速处理并产生VSC输出的理想参考电压基波波形。参考波形被调制成PWM脉冲序列后被送至阀基控制屏,实现对6个阀臂的开通及关断控制。
工控机通过控制器局域网络(CAN)总线接收现场终端屏上送的数字量信号,实现对交流场和直流场开关、刀闸状态以及水冷却等系统的监视,并根据这些状态量实现程序联锁及顺序控制功能,同时也能通过CAN总线实现对这些开关、刀闸以及水冷却等系统的控制。
OWS通过站局域网(LAN)与控制及保护系统主机相连,通过数据采集与监控(SCADA)系统显示交流和直流模拟量的实时值以及开关、刀闸的当前状态,从而实现实时监控功能;同时也能够实现运行人员对开关、刀闸等设备的操作以及顺序控制流程的控制。
另外,当系统有报警或其他需要运行人员注意的事件发生时,相应事件报文通过LAN上送至服务器的数据库中,并通过OWS的事件列表进行显示,方便运行人员对系统运行状况的监视。
整个控制及保护系统为完全冗余的双重化配置,双重化的控制及保护系统可以在故障状态下进行自动切换,从而提高系统的运行可靠性。同时,冗余配置的控制及保护系统通过状态量的实时跟随,确保故障时系统能够平稳切换且不产生大的扰动。
3 软件配置
柔性直流输电控制及保护系统的核心单元是工控机。每台工控机都安装了Windows XP实时操作系统,配置了酷睿双核CPU、3块高性能数字信号处理(DSP)板和1块通信管理板。因此,根据不同的硬件配置,控制及保护程序可以分为CPU主程序和板卡程序。
3.1 主程序设计
主程序运行于CPU中,包括控制功能模块、保护功能模块和监测功能模块,主要实现VSC外环控制器、保护系统的上层应用以及系统监测功能等。
主程序架构如图3所示。
3.2 板卡程序设计
DSP板的程序设计主要实现数据的高速运算处理,同时实现控制及保护功能的底层应用以及与CPU主程序的接口。
DSP板控制部分的程序设计主要实现锁相环(PLL)功能、VSC的内环控制器功能以及PWM功能。
PLL功能如图4所示。图中:kl为反馈比例系数;KP和KI分别为比例和积分系数。DSP板将采集到的三相交流同步电压实时值经Clark变换为uα和uβ,通过计算得到uq。uq经比例—积分(PI)调节环节得到角频率误差Δω,Δω与中心角频率ω0相加后得到角频率,最后再经过积分环节得到相位值[6]。
内环控制器功能如图5所示,虚线框内为CPU主程序中的外环控制器。图中:Pref和Qref分别为有功和无功功率参考值;idref_lim和iqref_lim为限制后的电流参考值;iv为三相交流电流。
内环控制器根据外环控制器产生的有功和无功功率参考值以及三相电流实时值,通过矢量控制得到电流参考值idref和iqref;电流参考值经过限制器限幅后,经过参考波生成环节得到电压参考值udref和uqref。
电流限制器的功能如图6所示。换流器的输出电流应限制到额定值的1.1倍以内,当参考电流矢量超出该范围时,应对其进行限幅。如果外环控制策略为直流电压控制,则尽量确保有功电流的输出,因此选择A;如果外环控制策略为有功功率控制,则dq轴电流按比例进行限幅,因此选择B。
参考电压udref和uqref经过变换得到三相基波参考电压,利用三角载波对其进行调制,即可产生PWM波形。
DSP板保护部分的程序设计可以实现对保护系统需要的模拟量进行高速采集和实时运算,并将计算结果发送至主程序中的保护功能模块。DSP板保护部分的程序设计是冗余配置的,可以实现保护系统的启动功能。
通信管理板的程序设计可以实现冗余配置的工控机之间的实时通信功能。当前备用的工控机实时跟随值班工控机的运行状态和控制参数。当值班系统出现故障时,备用工控机可以快速切换为值班状态。
3.3 运行方式
程序设计可以实现柔性直流输电系统的3种运行方式。
1)运行方式1
只有直流线路的运行方式。送端换流站有功类控制器选择频率控制,无功类控制器选择交流电压控制;受端换流站有功类控制器选择直流电压控制,无功类控制器选择交流电压控制或无功功率控制,并且交流电压控制和无功功率控制可以手动切换。
2)运行方式2
交直流并联的运行方式。送端换流站有功类控制器选择有功功率控制,无功类控制器选择交流电压控制或无功功率控制;受端换流站有功类控制器选择直流电压控制,无功类控制器选择交流电压控制或无功功率控制。2个站的交流电压控制和无功功率控制均可手动切换。
3)运行方式3
STATCOM运行方式。2个换流站的直流连接断开,可以分别作为2个独立的STATCOM运行。有功类控制器选择直流电压控制,无功类控制器选择交流电压控制或无功功率控制。交流电压控制和无功功率控制可以手动切换。
4 仿真验证
柔性直流输电控制及保护系统开发完成后,在RTDS模型上进行了各项测试,以检验其控制及保护功能。RTDS模型以上海南汇柔性直流输电示范工程为依据,具体参数见附录A表A1。
运行方式为方式1时,RTDS模拟风机风速由12m/s降低到6m/s时的系统响应波形见附录A图A1。当风速降低后,系统频率降至49.7 Hz。控制器通过减少风电场输出的有功功率,以调节交流系统频率重新回到50Hz。
运行方式为方式2时,系统满功率运行的波形图见附录A图A2。控制器的参考电压输出稳定,交流侧电流平衡性良好,直流电压保持60kV,直流电流由于VSC的损耗,略低于300A。
运行方式为方式3且无功类控制器选择交流电压控制(指令值为35kV)时,在PCC处手动投入8.67 Mvar感性负载,模拟交流侧电压扰动时的系统响应波形见附录A图A3。负载投入瞬间,PCC处交流电压快速跌落,引起直流侧电压扰动。控制器快速调节注入VSC有功功率以维持直流电压的恒定,同时增大无功功率输出,以调节PCC处交流电压重新回到指令值。
5 结语
本文介绍了柔性直流输电控制及保护系统的组成、软件配置和运行方式的实现。依据上海南汇柔性直流输电示范工程进行了RTDS建模,仿真试验结果表明,该系统能实现柔性直流输电的各项控制功能,控制器在稳态和暂态过程中都具有优良的调节特性,适合实际工程的应用。
参考文献
[1]徐政,陈海荣.电压源换流器型直流输电技术综述[J].高电压技术,2007,33(1):1-9.XU Zheng,CHEN Hairong.Review and application of VSCHVDC[J].High Voltage Engineering,2007,33(1):1-9.
[2]李庚银,吕鹏飞,李广凯,等.轻型高压直流输电技术的发展与展望[J].电力系统自动化,2003,27(4):77-81.LI Gengyin,LPengfei,LI Guangkai,et al.Development andprospects for HVDC light[J].Automation of Electric PowerSystems,2003,27(4):77-81.
[3]陈海荣,徐政.适用于VSC-MTDC系统的直流电压控制策略[J].电力系统自动化,2006,30(19):28-33.CHEN Hairong,XU Zheng.A novel DC voltage controlstrategy for VSC based multi-terminal HVDC system[J].Automation of Electric Power Systems,2006,30(19):28-33.
[4]OOI B T,WANG Xiao.Voltage angle lock loop control of theboost type PWM converter for HVDC application[J].IEEETrans on Power Delivery,1990,5(2):229-235.
[5]潘武略,徐政,张静.基于电压源换流器的高压直流输电系统混合调制方式[J].电力系统自动化,2008,32(5):54-58.PAN Wulue,XU Zheng,ZHANG Jing.A hybrid modulationmethod for VSC type high voltage direct current system[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(5):54-58.
[6]陈海荣,徐政.向无源网络供电的VSC-HVDC系统的控制器设计[J].中国电机工程学报,2006,26(23):42-48.CHEN Hairong,XU Zheng.Control design for VSC-HVDCsupplying passive network[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(23):42-48.
飞机柔性装配集成控制技术研究 篇8
飞机装配是飞机制造过程的主要环节。飞机装配过程就是将大量的飞机零件按图纸、技术要求等进行组合、连接的过程,分为部装和总装。飞机的设计制造难度大、周期长,不仅表现在它的零件加工量大而且表现在它的装配复杂性和难度。飞机的装配工作量约占整个飞机制造劳动量的40%～50%。柔性装配技术是目前飞机装配技术发展的新方向,以波音和空客为代表的国外先进航空企业已经广泛地应用到生产现场,形成了许多典型的柔性装配单元,大大提高了装配效率及质量。国内柔性装配技术的研究[1,2]才刚刚起步,因此,在先进的柔性装配技术研究上加大力度,十分必要。飞机部件柔性装配单元的控制是一种典型的以位置控制为目的的数字化网络控制系统,涉及到多个系统的软硬件集成。在控制方式上,随着现场总线、分布式控制等网络技术的飞速发展,其在工业自动化控制领域的应用也日臻完善,现场总线成为越来越多的分布式控制系统选择的体系结构。与传统的集中式控制方式相比,现场总线是应用在现场的、在分散化的测量控制设备及控制室之间实现智能、双向、串行、多点控制的数字通信系统。它具有数字化、网络化、系统开放性、设备智能化等特点;又具有接线少、可靠性高、抗干扰能力强、通信速率快和安装简单造价低等优点。它解决了一个企业购买了不同厂家生产的设备之间互联的问题,是控制技术、仪表技术、计算机技术、数字通信技术、网络技术等多种技术发展至今走向结合的产物。在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通电力等领域都有广泛的应用前景,被誉为21世纪最有希望的自动化技术[3,8]。
本文结合国防基础科研项目,对飞机部件柔性装配技术系统中的集成控制技术进行研究,并基于以太网和CAN现场总线技术开发了集成控制系统。
2 飞机部件柔性装配单元组成和原理
柔性装配单元主要由柔性装配工装、自动制孔连接系统、数字化测量系统、集成控制系统四部分组成。以激光跟踪仪为主的数字化测量系统测量装夹后的装配部件的基准点,获得的测量数据经过处理单元处理后,直接反馈到装配系统的集成控制系统。控制系统对实际装配位置与精确数学模型的装配位置进行比较后,获得部件装配位置的修正值,自主地对柔性装配工装的空间位置进行快速调整,实现数字化定位的闭环控制,从而完成快速准确定位、安装与调整。在定位准确可靠的基础上,测量系统测量装配部件待铆接点位置,经处理单元处理反馈到控制系统。控制系统协调控制机器人的各个机械臂,使得钻孔轴线与待铆接点法线重合,完成精确制孔连接。工作原理如图1所示[4]。
3 集成控制系统体系结构
柔性装配系统包括柔性装配工装系统、测量系统、柔性制孔系统等多个分散的系统。对各个系统集成控制是实现柔性装配的关键,目的是实现对不同控制原理、离散的多个控制系统之间的协调管理。CAN总线是现场总线的一种,是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网络。由于其高性能、高可靠性、实时性好及其独特的设计,已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信;已在工控领域兴起应用热潮,通过与以太网相连即可构成典型的分布式网络化控制系统。基于CAN总线和以太网的飞机部件柔性控制单元集成控制系统体系结构如图2所示。
控制系统分为三个层面:现场总线层、中间控制层和系统管理与监控层。现场总线层由伺服驱动器、伺服电机、机械臂及其配套电路以及传感器等组成。每台设备均以CAN总线节点的形式接入CAN总线,每个节点都被分配唯一的节点地址。现场总线层主要完成现场数据的采集、传输和完成对伺服驱动器和机械臂的控制等。中间控制层主要由多轴控制器组成,它既是上层以太网络的从站,又是下层CAN总线网络的主站,主要完成两层网络之间的通信。系统管理与监控层负责对整个系统的运行和工作状态进行监督和管理,主要是完成任务规划和数据处理,通过激光跟踪测量系统和多轴控制器获得现场装配过程的数据并对其进行处理。通过多轴控制器将控制指令传递到各个CAN总线节点,实现对现场的监控和决策。同时显示实时数据、报警画面、生成数据库、生成各种表格并打印输出等任务,为管理人员了解总体生产状况,调整生产计划提供帮助。
4 系统的硬件设计
系统的硬件主要由工控机、多轴控制器、带有CAN总线接口的交流伺服驱动器和伺服电机等组成。其核心是多轴控制器和带有CAN总线接口的交流伺服驱动器。集成控制系统通过多轴控制器分别实现以太网和CAN总线控制。多轴控制器通过以太网接口模块实现与上位工控机的通讯,同时它也可以作为网关通过TCP/IP与网络上的电脑相互访问,实现远程网络控制。另外,多轴控制器通过CAN总线与现场总线层构成主从式结构,完成现场总线层各轴、传感器、其他I/O接口的通信与控制。
4.1 多轴控制器设计
本设计采用ELMO Maestro独立型运动控制器构建了基于以太网和CAN总线的集成控制系统。运动控制器通过以太网与上位工控机通讯,通过CAN总线与柔性工装系统、柔性制孔系统各轴伺服驱动器以及传感器等相连。
Maestro[5]是一种基于网络的嵌入式多轴运动控制器,采用分布式运动控制系统中最常用的CANopen协议,具有同步运动控制、顺序运动控制多轴控制管理功能;作为CANopen主站,可以很好地进行网络管理和时间同步;同时可以作为以太网与CAN总线网络转换的透明式网关,具有两个CANopen接口;Maestro通过直接访问来完成各轴的调整,监控和通常的分析,具有多轴运动分析及开发、多轴运动记录和分析工具。其体系结构图如图3所示。
Maestro分为网络通信模块和运动控制模块两个主要部分。其中,网络通信模块直接与现场网络通信接口连接,并按照预先确定的通信协议从工控机取得控制命令,然后将命令交给运动控制模块;运动控制模块直接与电机驱动器相连,在对命令进行分析和判断之后,产生相应的电机控制信号传送给电机,命令执行的结构也会反馈给网络通信模块,由它再通过网络返回给控制台。
4.2 下层CAN总线节点设计
下层CAN总线节点设计主要分为两类:柔性工装系统CAN节点设计和柔性制孔系统CAN节点设计。
柔性工装系统CAN节点设计较为简单,选用带有CAN总线接口的伺服驱动器,就可以方便地将各个驱动轴连接到CAN总线上。系统采用菊花链型拓扑结构,用CAN总线电缆将驱动器依次连接,直到最后一个为止,如图4所示。
柔性制孔系统机械臂共有六个自由度,通过协调控制完成复杂的制孔连接动作。对柔性制孔系统的集成控制的实现是将其作为一个CAN节点连接到总线上,通过CAN收发器和CAN控制器将机械臂控制器连接到CAN总线上。其控制流程是:轴系传感器对机械臂各轴的位置信息进行采样,经过光电隔离后将其位置信息通过脉冲形式送入脉冲计数器件,脉冲计数器对输入脉冲进行计数并把计数结果转换成轴系的位置信号后送给机械臂控制器;机械臂控制器对收到的信息进行处理,并通过CAN总线接受上位计算机传来的命令信号,通过特定的控制算法计算出机械臂各轴运动信息的脉冲信号,经过光电隔离和功率放大器后传送到机械臂各轴控制其运行;同时,机械臂控制器也可以将机械臂各轴的实时信息通过CAN总线传递到上层计算机,配合激光跟踪仪实现更高一层的闭环控制。图5为机械臂闭环控制原理图。
该CAN节点硬件主要由机械臂控制器、CAN总线控制器和CAN总线驱动器组成。其中CAN总线控制器和总线驱动器选用最常见的SJA1000和PCA82C250。SJA1000[7]是一种独立的、并行总线接口的CAN总线控制器,支持CAN2.0A和CAN2.0B协议,可与多种处理器接口,最高通信速率可达1Mbps,适合作为移动机器人的通信总线。82C250作为CAN控制器和物理总线间的接口,可提供对总线的差动发送能力和对控制器的差动接收能力,它与IS011898标准完全兼容,具有高速、抗瞬间干扰和保护总线能力,并可通过管脚的接地电阻控制脉冲斜率,降低射频干扰。
5 系统软件设计
集成控制系统的软件设计主要分为:网络通信模块、运动控制模块、人机界面设计等部分,这里主要介绍网络通信模块。网络通信模块主要包括初始化模块、网络协议转换模块、CAN现场节点模块和中断处理模块。初始化模块主要是初始化各个硬件的寄存器,设置中断向量、通信波特率和滤波接收码以及中断屏蔽字等必要的参数,为正常通信做准备;网络协议转换模块主要是实现以太网和CAN总线两种网络的数据协议转换;CAN现场节点模块主要是实现现场设备与上位机的双向数据传送;中断处理模块主要是对系统通讯过程中出现的错误发出警告并做出相应的处理。
5.1 网络协议转换模块
网络协议转换模块的工作原理是:当以太网应用层有数据要发送到CAN节点时,数据发送到多轴控制器Maestro上的Ethernet模块,通过协议转换模块Gateway从传输层数据报文中解析出完整的CAN数据包,存放在数据缓冲区,并通知CAN网络模块,由它将CAN协议数据包发送到CAN总线上。反之,当CAN设备有数据要发送到以太网时,数据首先发送到Maestro上的CAN网络模块,由Gateway模块将完整的CAN协议数据包解析出来,存放在数据缓冲区,然后通过调用Ethernet模块将完整的协议数据包作为应用层数据封装起来,发送到以太网上。其原理如图6所示。
5.2 CAN现场节点模块
CAN现场节点模块主要实现现场设备与上位机的双向数据传送,具体包括:接收上位机控制命令、向现场节点传送上位机控制命令以及接收现场节点的反馈输入并进行处理。报文的发送和接收都是由CAN控制器根据CAN协议规范在中断服务程序中自动完成的[7]。
在CAN总线报文发送阶段,系统首先检查CAN控制器的发送缓冲区是否被锁定。如果发送缓冲区被锁定,CPU将报文临时保存到数据存储器中,并置位软件标志“还有报文”用于指示有新的报文等待发送。下一个发送报文的起始将在中断服务程序中处理。CPU在接收来自CAN控制器的中断时,对中断类型进行检查,当发送中断和“还有报文”标志置1时,等待发送的报文必须从数据存储器复制到发送缓冲区并将“还有报文”标志清零。命令寄存器的发送请求置1,这将是CAN控制器启动报文的发送。
在CAN总线报文接收阶段,收到的报文在接收缓冲器内,同时将状态寄存器的接收缓冲器状态标志和接收中断标志置位。如果报文接收被使能,可以将接收缓冲器内的新报文读出,并存储到自身的报文存储器中,然后释放接收缓冲器,用于接收下一报文。
6 结语
柔性装配技术是现代飞机制造装配技术发展的方向,深入研究柔性装配技术系统及其关键技术,对突破我国飞机制造过程中的薄弱环节,彻底改变以模拟量传递为主的传统落后的飞机制造协调方法有重要意义。
本文对柔性装配体系中的集成控制技术进行了研究,提出了基于以太网和CAN总线相结合的飞机柔性装配集成控制系统的设计方案。较为详细地介绍了集成控制系统的工作原理及软硬件设计,为飞机柔性装配集成控制技术的研究和应用做了一次有益的尝试。
飞机柔性装配集成控制技术的研究和应用可以提高飞机装配效率和装配质量,降低出错率,缩短研制周期,将推动飞机装配向自动化、集成化、智能化的方向发展。
参考文献
[1]范玉青.现代飞机制造技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001.
[2]邹方,薛汉杰,周万勇,等.飞机数字化柔性装配关键技术及其发展[J].航空制造技术,2006,(9):30-35.
[3]网络控制技术在冲压生产线上的应用[J].锻压装备与制造技术, 2003,38(3):77-78.
[4]梅中义,范玉青.基于激光跟踪定位的部件对接柔性装配技术[J].北京航空航天大学学报,2009(1):65-69.
[5]舒志兵,等.现场总线运动控制系统[M].北京:电子工业出版社, 2006:112-115.
[6]Maestro Software Manual[S].Elmo Company.
[7]饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003:122-129.
切割机的柔性控制方法 篇9
在产品多样化、规模化发展对加工设备可控化、柔性化等需求下,随着电力电子技术、控制技术等发展,切割设备得到了突飞猛进的发展。其控制方式也有了更进一步的提高,柔性控制系统作为生产过程中自动化的发展方向,也开始受到了流程式或过程工业的密切关注[1]。彭丽文,姚斌等人针对厚度为0.1~3.5mm的印制电路板在研磨过程中刚度差的问题采用基于电流控制的柔性研磨方式控制磨削力并保持其可以得到恒定值[2]。郑晓斌,薛毓强等人介绍了新型柔性抛光机控制系统的组成,确定了以三菱公司的Q系列可编程控制器PLC为核心,通过串行通讯控制三菱FR-A740系列变频器实现电机的无级调速和半闭环恒抛光力控制[3]。针对本文自动切割机需要保证所截取的试样的金相组织与原部件组织一致的特点,要求在截取过程中试样受热、受外力作用要均匀且尽量的小[10]。为了使控制系统具有现场可塑性和不同环境下的高适应性,控制系统采用了柔性控制模式,在切割过程中可以自动调节压力或保持压力恒定,减少切割振动;还可以进行低速切割硬工件,高速切割软工件的速度调节。
1 欧姆龙PLC与西门子变频器之间通讯
1.1 系统硬件配置
本切割机控制系统采用ORMON的CP1H-X40DT-D型PLC和西门子MM420变频器对三相交流异步电动机进行转速控制。该西门子变频器提供了多种兼容的通信接口,选用了RS-485进行数字通信改变电机的运行状态,省略了A/D转换过程。它传送的是数字量,仅用光电耦合器就能满足隔离要求,有效地提高系统的抗干扰能力和EMC,而且节约了成本。选用的EVIEW的触摸屏作为人机操作界面可以进行数据监测、数据输入和开关控制等。
1.2 系统的硬件连接
欧姆龙的CP1H型PLC有两个选件板进行串行通讯,一个为RS232口,用来作为与人机界面触摸屏的连接串口,另一个选件板,根据控制系统要求,所配备的选件板为RS422/485选件板(CP1W-CIF11)用来与西门子变频器进行通讯—采用的是RS-485。硬件连接如图1所示。
1.3 PLC与变频器之间的设置
PLC选件板的设置:欧姆龙RS-422A/485选件板可安装到CP1H CPU单元的选件板槽位2,在选件板的背面有动作设定拨动开关,将4设定为OFF,其他的均为ON。
PLC的软件设置:采用的是定制的通讯设置:波特率为9600,数据长度为8位,偶校验,停止位为1位,模式为RS232C,是无协议通讯所要求的通讯格式之一。
为了实现与PLC的通讯,西门子变频器需进行参数设置:P0003设定为2,表明是专家级访问;P2010设定为6,USS的波特率为9600;P2011设定为0,表明USS节点地址为0;P0700和P1000均设定为5,允许通过USS对变频器进行控制,发送主设定值。
2 闭环调速的柔性控制方法分析
2.1 切割力与电流关系分析
砂轮片切削工件类似于平面磨削过程,其切削力可根据磨削力的计算公式推导而来。在切削过程中同样存在着三向力,即砂轮片径向切削力Fn,砂轮片切削切向力Ft以及沿纵向(轴向)的分力Fa。由于Fa对切削过程影响很小,通常不计[4],因而受力分析图如图2所示。切削过程中,并不是砂轮片圆弧上每一点都和工件接触,计算切削力同磨削类似以单个磨粒为对象并将磨粒简化为圆锥体进行受力分析。然后再对其接触面积上的磨粒进行积分求取切削力。
由文献[5]可以得到切削深度与电流和砂轮片转速之间的关系式如下:
其中,ηe为电动机效率,D为砂轮片外径,N为砂轮片转速,U为电动机的工作电压,I为电动机的工作电流,cosφ为电动机的功率因数,α为假想圆锥磨粒的半角,ρ为磨削力比(1.5~3)。根据上面的理论公式表明,切削力与带动砂轮工作的主电动机的功率成一定的比例关系,即在电压一定,转速一定时的情况下切削力与主电机的电流成正比关系。
2.2 闭环调速柔性控制的原理
当加工方式和加工材料一定时,切削力会随着轴向进给量和切削深度ap的增大而增大,随着砂轮速度的升高而降低。要控制磨削力,就要从降低切削力三个要素入手。工件的切割尺寸决定了切割深度,为不可变因素;而进给速度又相对影响较小;对自动切割机来讲,可以选择调整砂轮转速来控制切削力。切削力与电流成正比关系,随着切削深度的增加,切削力增大,电流值就会有一定比例的增大。欧姆龙PLC通过采样西门子变频器中主电机的电流大小与预期电流进行比较,根据比较后的结果利用PLC本身存在的PID控制算法进行控制输出频率值从而调整主电机的工作频率,从而调节砂轮转速,最终控制切割力使其基本保持恒定。闭环控制系统组成框图如图3所示。
采用CP1H型PLC中存在目标值滤波型二自由度PID控制算法进行速度调节。二自由度控制算法的核心是其对给定值的响应和对扰动的响应采用了不同的控制算法,这样既可以有效抑制超调又可以有效改善系统动态响应[7]。通过PID控制频率输出从而保证切割电流小于阈值切割力对应的电流或保持电流值为恒力,从而满足切割工艺的要求。
3 软件设计流程
PLC对变频器的通讯可分为五个阶段:1)PLC通讯请求利用TXD指令发送到变频器;2)变频器数据处理;3)从变频器返回数据给PLC,PLC利用RXD指令接收数据信息;4)PLC处理返回数据;5)PLC再次返回应答[6]。PLC利用定时中断程序采样在一定时间内电流值,再通过PID调节,保持切割力恒定,从而微调速度值实现柔性切割。在电机启动后一段时间空转,监测空载电流,如果正常说明电机运行良好,继续运行;整个进程中检测电流的电流值,电流快速升到堵住电流值附近说明发生故障,立即停止电机转速。闭环控制系统的程序流程图如图4所示。
4 结论
本控制系统采用了RS-485现场总线技术,利用电动机的实际电流值作为反馈信号保持切割过程中的恒切割力控制。由PLC、变频器实现三相交流异步电动机变频闭环调速控制系统,防止由于砂轮堵转造成的不良后果,提高了系统运行的稳定性。将砂轮堵转现象由原来的堵转率为15%,降低到了堵转率为5%左右。通过检测变频器中电动机实际电流的大小来实现切割过程中对切割力控制的柔性控制功能,还可以响应切割变化的需求,对于切割质量有一定程度的提高,同时提高了切割效率。
摘要：通过深入分析自动切割机的控制要求,本文研究设计了以ORMON的CP1H-X40DT-D型PLC为核心,基于电流控制的柔性切割控制系统。在自动切割过程中,对西门子MM420变频器中主电机的瞬时实际电流进行监测,将监测到的数值与预期设定电流进行比较,根据比较后的结果通过PID算法运算后调整电机的工作频率,从而保证恒定切割力的柔性切割过程。并介绍了控制系统的组成、硬件结构配置和软件程序设计等。
关键词：变频器,PLC,切削力,柔性控制
参考文献
[1]杨庆柏,柔性控制[OL],辽宁电机工程科普,2003.04.http://wenku.baidu.com/view/5b37ee0f52ea551810a6872e.html.
[2]彭丽文,姚斌,等.基于电流控制的柔性研磨技术[J],厦门大学学报(自然科学版).2011,11(50)6:998-1001.
[3]郑晓斌,薛毓强.新型柔性抛光机控制系统的设计与实现[J].电工电气.2010,1:55-57.
[4]马建永,孙维连,王会强,等.农机具金相切割机的研究与设计[J],农机化研究,2010.7(7):77-80.
[5]李伯民,赵波.现代磨削技术[M],北京:机械工业出版社2003:254-261.
[6]周宇.PLC与变频器的RS-485串行控制应用[J],国内外机电一体化技术.2010.01:109-111.
[7]OMRON CP1H Chinese Program Manual[M].2005.
[8]SIEMENS MicroMaster420 universal manual[M].Automation and Drives Group of Simens(China)Co.Ltd.4.6-4.20.
[9]OMRON CP1H Chinese Operation Manual[M].2005.
柔性控制 篇10
随着全控型电力电子器件的发展,基于电压源换流器和脉宽调制控制技术的电压源型高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)技术得以实现,在中国则通称该技术为“柔性直流输电(HVDC Flexible)”[1,2]。
柔性直流输电作为新一代直流输电技术,其工程化应用在世界范围内呈现了快速发展趋势[3],仅在“十二五”期间中国便成功投运了5个柔性直流工程,最新投运的为厦门±320 k V柔性直流输电科技示范工程,该工程是世界上第1个采用真双极接线方案、输送电压和容量最大的柔性直流输电工程,工程直流输送容量1 000 MW,直流电流1 600 A,新建浦园、鹭岛两个换流站及一回总长度约为10.7 km的直流输电线路[4]。
柔性直流输电技术解决了常规直流输电技术的诸多固有瓶颈:它可以实现有功功率、无功功率的独立控制,不存在无功补偿和换相失败问题,可以在潮流反转时保持电压极性不变等。该技术适用于孤岛供电、异步联网、风力发电并网、分布式发电并网,构筑城市直流配电网等领域[2,3,5,6,7]。
相较于常规直流输电控制保护系统,柔性直流输电控制保护系统在性能和快速性上提出了更高要求,前者要求为毫秒级,而后者要求为微秒级[8]。近年来,柔性直流控制保护策略已成为国内外学者研究的热点,现有文献在控制保护系统上开展了电容电压的优化平衡控制、桥臂环流抑制、控制器优化设计和调制策略等方面的研究[9,10,11,12,13],取得了丰硕成果。相关文献主要从控制系统的配置原则、分层结构、系统接线方式、系统运行方式、控制模式等宏观方面对直流控制保护系统进行描述[1,2,8],少有文献能够结合实际工程对柔性直流控制保护技术进行系统的、详尽的分析与描述。
本文结合厦门柔性直流输电示范工程,详细论述了柔性直流输电控制保护系统的分层结构、基本控制策略、控制系统结构、控制系统间的接口特性以及直流保护系统的配置情况,为了验证控制系统间协同工作的正确性以确保换流阀的安全,本文提出了无源逆变试验方案。
1 厦门柔性直流真双极拓扑结构
图1为厦门柔性直流带金属回线的真双极接线的拓扑结构图。
图1接地点在鹭岛站侧,浦园站通过直流转换开关也可转为接地侧。图中:MMC表示模块化多电平换流器。
与伪双极接线相比,其运行方式更灵活、可靠性更高,存在以下几种运行方式。
1)双极带金属回线单端接地运行
金属回线在一端换流站单点接地,接地点仅起钳制电位的作用,不提供直流电流回路,两极不平衡电流通过金属回线返回。
2)单极(极1/极2)带金属回线单端接地运行
接地点作用同运行方式1,接地点无直流电流通过,极电流通过金属回线返回。
3)双极不带金属回线双端接地运行(临时运行方式)
双端接地,不平衡电流通过大地回路返回,这种运行方式必须保证直流系统处于双极对称运行状态。
4)两站独立双极STATCOM或者单极STATCOM运行
必要时,不论是送端换流站还是受端换流站均可独立以双极静止同步补偿器(STATCOM)或者单极STATCOM方式运行。
真双极接线下两个极是独立调节和工作的,当一极发生故障时,只需停运故障极,另一极通过金属回线仍可输送至少50%的额定功率,显著提高了电网供电可靠性和稳定运行水平。
2 控制保护系统的分层结构
柔性直流输电控制保护系统整体上大致可以分为运行人员控制层、控制保护层、现场输入/输出(I/O)层。
1)运行人员控制层
运行人员控制层是运行人员完成系统监视和控制的数据采集与监控(SCADA)系统,是运行人员人机界面的重要组成部分,可以接收远方调度中心或者站内运行人员下发的监视和操作命令,完成换流站故障及异常工况的监视和处理、直流控制系统参数的调整以及异常情况下的系统紧急停运等功能。
2)控制保护层
控制保护层包括极控制系统、阀控制系统、直流保护系统等,主要实现对阀厅、阀冷系统、直流场和交流场设备的监视、控制与保护功能。其中极控制系统和阀控制系统在配置上采用双重化配置,可以手动或者自动进行系统的切换,避免了一套系统故障而导致整个换流站退出运行。直流保护系统由三台独立保护主机与两台冗余的“三取二”逻辑主机构成,通过“三取二”逻辑确保保护动作的可靠性。
3)现场I/O层
现场I/O层由分布式I/O装置及测控装置组成,是控制保护层与一次设备、阀冷系统、站用电系统以及其他辅助设备的接口,完成上层控制命令的下发以及一次设备等相关系统状态信息的采集、处理、上送。
厦门柔性直流工程控制保护系统的三层结构(见附录A图A1)功能划分清晰,其中系统级、换流站级和换流器级的控制保护按照统一平台进行整体设计,在同一主机内即可实现双极协调控制和单极控制,数据交互十分便利。
3 柔性直流输电控制保护系统
3.1 控制系统基本控制策略
为了满足柔性直流输电系统高实时性的要求,其控制保护系统在性能上和快速性上需要满足纳秒级要求,因此,控制保护系统广泛采用具有快速动态响应的直接电流控制方式,该控制方式由外环功率/电压控制和内环电流控制组成。
图2为直接电流控制的结构框图,主要由内环电流控制器、外环功率/电压控制器、锁相同步环节(图中未画出)和触发脉冲生成环节几个部分组成。其中内外环控制器在整个控制系统中扮演的角色如下:①外环控制器根据系统级控制器给定的有功功率、无功功率、直流电压、交流电压等参考值指令,与实时采集量进行比较,差值经过比例—积分(PI)控制及限幅环节,处理得到内环电流参考值;②内环控制器通过引入电压耦合补偿环节以及交流电网电压前馈环节,实现dq轴电流控制的完全解耦及对参考电流的快速跟踪,为阀控系统提供参考电压。
每个换流器都可以实现对一个有功类目标和一个无功类目标的控制。有功类目标包括有功功率、直流电压、交流系统频率,无功类目标包括无功功率、交流电压。为了两端功率的平衡及系统电压的稳定性,在两端柔性直流系统中要求其中一个换流站并且只能有一个换流站采用定直流电压控制,以确保直流电缆、换流阀及直流场相关设备的安全,另一端采用定有功功率控制,两端无功类控制可以自由选择。
综上考虑,厦门柔性直流工程的系统级控制策略有以下4种:①定直流电压、定无功功率控制;②定直流电压、定交流电压控制;③定有功功率、定无功功率控制;④定有功功率、定交流电压控制。将以上几种控制方式在2个换流站进行组合,可以得到8种组合方式。
正常运行过程中,直流电压控制权不应在2个换流站间转换,这种约束方式可以快速地调节功率,甚至是功率反转。
3.2 极控制系统
直流极控制保护系统(pole control and protection,PCP)是换流站控制系统的核心,接收上层控制系统下发的控制指令,经过内部处理生成用于阀控制系统的电压参考信号,完成直流极控制系统的各项控制功能,包括系统正常启动、停运、换流器触发控制,换流变压器分接头控制,极有功功率类控制,无功功率类控制,顺控联锁等。设计合理的控制方式,能够显著提高系统的各种响应特性,抑制系统过电压和过电流,提高系统故障情况下的不间断运行能力。
南京南瑞继保电气有限公司为厦门柔性直流输电工程提供了换流站级控制系统,直流极控制系统包括主控单元和I/O设备,采用完全冗余的双重化配置,可以在故障状态下进行系统的自动切换或由运行人员进行手动切换,在任何时候,起作用的系统均是双重化系统中较为完好的那套系统。
极控制系统(见附录A图A2)通过极层控制局域网(LAN)间接地完成与交流站控(AC yard control,ACC)、直流极保护(pole protection,PPR)、换流变压器电量保护(converter transformer protection,CTP)、非电量保护(non-electric protection,NEP)相连,通过站控LAN完成与运行人员工作站的通信,以光纤直连方式完成与阀控制系统(valve basic controller,VBC)的接口。
3.3 阀控制系统
阀控制系统是整个柔性直流输电控制系统的执行单元和最终落脚点,在功能上是联系上层控制系统PCP与底层开关器件控制的中间枢纽。
厦门工程中阀控制系统由中电普瑞电力工程有限公司提供,其结构见附录A图A3,该系统由电流控制单元、桥臂汇总控制单元、桥臂分段控制单元和事件管理单元(valve monitor,VM)四部分组成。其中电流控制单元、桥臂汇总控制单元、桥臂分段控制单元根据PCP下发的指令和采集到的子模块电容电压、子模块状态及桥臂电流测量值完成子模块投切控制、桥臂环流抑制、子模块电容电压平衡控制及阀设备保护等功能,VM则用于实时监视换流阀及阀控制设备的运行状态。
桥臂电流控制机箱为完全独立的双冗余系统,分别定义成桥臂电流控制机箱A和桥臂电流控制机箱B,对上分别与极控系统PCPA、极控系统PCPB,对下分别与桥臂汇总控制机箱A、桥臂汇总控制机箱B共同构成完全独立的双冗余系统。正常运行时,其中一套为主系统,另外一套为从系统,两套系统都在工作,若某一套系统出现故障时可完成切换。桥臂分段控制单元作为桥臂汇总控制单元和阀子模块之间的通信接口单元,实现信息相互传送。
基于模块化多电平的高压大容量柔性直流输电系统中,由于桥臂往往由数百个子模块组成,阀控制系统对子模块的处理速度要求极高,需要在微秒级时间内完成子模块均压排序和环流抑制,生成子模块的快速投切控制策略,因此阀控制系统承担了计算量最大的快速功能[1]。
3.4 极控制系统与阀控制系统间的接口
阀控制系统和PCP均采用冗余系统设计,分为系统A、系统B,以光纤方式直连,保证信号高速、可靠传输。阀控制系统与PCP之间的控制接口交互信息较少,主要包括:接收从PCP下发的调制波参考电压、控制命令以及主从鉴频信号,以及上报阀控制系统运行状态、系统运行状态、切换请求以及跳闸请求等,这些功能直接决定了柔性直流输电系统的动态性能,对接口的设计要求非常高,需要高速可靠的交换数据。
厦门柔性直流工程中PCP与阀控制系统之间交互的接口信号如图3所示,具体信号内容如表1所示。
4 直流保护系统
4.1 直流保护配置
根据柔性直流输电系统的主接线及可能出现的故障,厦门柔直工程直流保护分为7个保护区域:①交流保护区;②换流变压器保护区;③交流连接线保护区;④换流器保护区,包括阀和子模块保护;⑤直流极保护区;⑥直流线路区;⑦双极保护区。保护分区及测点如图4所示。
以上保护区域的划分确保了对所有相关的直流设备进行保护,相邻保护区域之间重叠,不存在死区问题。
交流保护区主要是对交流侧的设备进行保护,换流变压器保护区主要对换流变压器进行保护。站内交流连接母线区主要对换流变压器与换流器之间的交流母线进行保护。换流器区主要对换流器、换流器与交流母线的部分连接线路以及桥臂电抗器进行保护。直流极保护区包括极高压母线区和中性母线区,主要是对极母线上的设备进行保护。双极保护区主要是对双极中性母线、站接地极线、站接地开关(NBGS)、大地回线转换开关(GRTS)以及金属回线进行保护。直流线路保护区主要对直流输电线路进行保护。
针对不同的故障类型,保护采取的故障清除策略主要有以下5种:①策略1———闭锁换流阀,跳交流断路器,启动失灵,中性母线隔离;②策略2———触发晶闸管,闭锁换流阀,跳交流断路器,启动失灵,中性母线隔离;③策略3———请求系统切换,闭锁换流阀,跳交流断路器,启动失灵,中性母线隔离;④策略4———触发极平衡,闭锁换流阀,跳交流断路器,启动失灵;⑤策略5———重合转换开关。
策略2为防止绝缘栅双极型晶体管(IGBT)上并联二极管损坏,采取触发晶闸管分流,采取该策略清除故障的有区域④的阀差动保护、换流器差动保护,区域⑤的直流欠压过流保护。
策略3是针对控制系统造成的一些故障,切换后故障消失,则保持继续输送功率,否则闭锁跳闸,采取该策略清除故障的有区域①的交流过电压保护,区域③和④的相关过流Ⅱ段、Ⅲ段保护,区域⑤的直流过电压Ⅱ段、低电压Ⅱ段保护,区域⑥的直流线路保护,区域⑦的金属回线保护。
策略4是双极运行时接地极线电流过大,通过触发极平衡以减小接地极线电流,若是电流不能减小则闭锁跳闸,区域⑦的双极中性母线差动保护、站接地过流保护采取该策略清除故障。
策略5是当各转换开关不能断弧时对转换开关的保护,区域⑤的中性母线开关保护和区域⑦的站接地开关保护、大地回线转换开关保护则采取该策略清除故障。
各区域的其他保护则采取策略1清除故障。
4.2 直流保护“三取二”配置
为了确保直流保护动作的高可靠性,厦门柔直工程直流保护系统采用三重化配置,出口采用“三取二”逻辑判别,该“三取二”逻辑同时实现于独立的“三取二主机”和“控制主机”中。保护“三取二”功能配置见附录A图A4。
“三取二”主机接收各套保护分类动作信息,控制主机也同样接收各套保护分类动作信息,通过“三取二”逻辑判定三套保护主机中有两套相同类型保护动作时判定该动作的正确性,才允许出口闭锁和跳闸,保证动作的可靠性,此外当三套保护系统中有一套保护因故退出运行后,采取“二取一”保护逻辑;当三套保护系统中有两套保护因故退出运行后,采取“一取一”保护逻辑;当三套保护系统全部因故退出运行后,极闭锁。
5 无源逆变试验方案
换流阀是柔性直流输电工程的核心设备,为防止在有源状态下首次解锁出现大电流损坏换流阀,需要通过无源逆变试验确认极控制系统、阀控制系统和换流阀之间是否正确工作,检验控制系统补偿换流变压器的相角差是否正确,对控制系统执行延时进行测试以做到在控制系统进行完全补偿。
厦门真双极拓扑结构的柔性直流系统仅在换流变压器高压侧配置断路器且电压互感器配置在该断路器的后端,该断路器断开后,控制系统失去参考电压,无法进行无源逆变试验。为此制定了一套有效可行的方案来实现换流阀无源逆变试验以确保阀组触发相序的正确性,该方案已在现场成功应用,试验主接线如图5所示。
真双极拓扑结构柔性直流换流阀无源逆变试验步骤如下。
1)在试验极旁路断路器QF2处于分闸位置,交流侧断路器QF1处于热备用的情况下,合上试验极QF1断路器对换流阀进行不控充电。当极控制系统检测到充电电压大于0.6(标幺值)后,延时10 s发出启动换流阀子模块工作指令Databack_en。
2)充电20 s后,控制系统自动合上旁路断路器QF2,等待直流电压稳定后,确认直流电压为当前阀侧线电压Uv的峰值。
3)未试验极在确保极隔离的状态下(DS4处于分闸状态),合上交流侧断路器QF1,使该极电压互感器Us带电。
4)对试验极和未试验极的交流电压Us在同源状态下进行二次电压核相,确保2个极交流侧二次电压一致。
5)核相正确后,将未试验极的二次交流电压接入试验极极控制系统,作为无源逆变试验的参考电压。
6)断开试验极交流侧断路器QF1,控制系统在检测到该断路器断开后即自动启动控制系统录波功能,延时20 ms发出解锁命令Deblock,进行无源逆变试验。
7)为了防止阀子模块因电压降低造成旁路数过多,解锁200 ms后即收回解锁命令,闭锁换流阀。
8)试验极交流侧断路器断开1 s之后,收回Databack_en指令,子模块停止工作。
9)分析录波文件中阀逆变电压Uv与网侧电压Us的相位关系是否正确,并测算控制系统执行延时。
6 控制保护系统性能测试
6.1 无源逆变试验
按照无源逆变试验方案,在鹭岛换流站极1“STATCOM”运行方式下开展了无源逆变试验,试验结果(见附录A图A5和表A1)说明阀侧电压Uv相序为正序,与网侧电压Us相位关系满足换流变压器接线组别为YD7时高低压侧电压相角关系,证明了极控制系统、阀控制系统和换流阀之间工作的正确性,确保了换流阀的安全,也证明了该方案的有效性和可行性。
附录A表A2为不控充电零功率情况下阀侧电压Uv和网侧电压Us的相位关系。比较表A1和表A2的数据可以发现,换流阀解锁产生的相位与系统实际相位之间存在一定的偏差,这主要是由于控制系统从电压采集、锁相控制、数据处理以及波形输出等环节产生的延时未得到完全补偿造成的,为了避免有源状态下首次解锁出现大电流而损坏换流阀的情况,本文提出了控制系统延时的计算方法及补偿方法,具体内容如下。
1)不控充电零功率情况下,根据阀侧电压Uv和网侧电压Us的波形确定对应相角差下的时间差,计为Δt1。
2)根据无源逆变试验得到的阀侧电压Uv和网侧电压Us的波形确定对应相角差下的时间差,计为Δt2。
3)Δt=Δt1-Δt2,即为整个控制系统产生的执行延时,根据该延时下的相角差,可在控制程序中通过增大或减小输出参考波的相位大小来进行延时的补偿,使得Δt=0,达到延时补偿的目的。
6.2 功率阶跃试验
为了验证极控制系统、阀控制系统的动态响应特性以及它们之间接口的特性,开展了无功功率和有功功率阶跃试验。
试验前,换流站极1运行于高压直流输电(HVDC)模式,浦园极1向鹭岛极1输送有功功率为100 MW,浦园极1向系统发送无功功率50 Mvar。
1)无功功率阶跃试验
在浦园极1进行无功功率参考值由50 Mvar到20 Mvar的功率阶跃,持续1 s后,又进行从20 Mvar到50 Mvar的功率阶跃,试验结果见附录A图A6,无功功率实际值能够按照无功指令值快速响应,经实测无功功率下阶跃和上阶跃响应时间分别为5.53 ms和5.49 ms,超调量分别为12.8%和12.3%,可见柔性直流输电控制系统的响应速度和稳定性能满足设计规范要求。
2)有功功率阶跃试验
在浦园极1进行有功功率参考值由100 MW到70 MW的功率阶跃,持续1 s后,又进行从70 MW到100 MW的功率阶跃,试验结果见附录A图A7,有功功率实际值能够按照有功指令值快速响应,经实测有功功率下阶跃和上阶跃响应时间分别为5.72 ms和5.66 ms,超调量分别为10.7%和10.1%,可见柔性直流输电控制系统的响应速度和稳定性能满足设计规范要求。
试验波形(见附录A图A6(c)和图A7(c))表明,柔性直流控制系统实现了有功功率和无功功率的快速解耦控制,以及系统有功功率和无功功率的灵活独立控制。
6.3 直流保护跳闸试验
为了检验柔性直流保护系统处理故障的性能,在系统带电试验中开展了保护跳闸试验,过程如下:①两站极1系统稳定运行后,将浦园极1直流保护A套、B套交流过压保护定值由1.2(标幺值)改为0.9(标幺值);②核实动作过程,本站延时1 600 ms后请求系统切换,延时2 000 ms后闭锁、跳开交流进线开关;③恢复直流保护定值。
保护跳闸试验波形(见附录A图A8)表明,浦园站直流保护系统逻辑功能正确,“三取二”装置及控制系统“三取二”逻辑正确,1.6 s控制系统发生切换,2 s换流阀闭锁、交流进线开关跳闸,并通过联跳方式完成对站保护跳闸、换流阀闭锁。
6.4 试验总结
现对以上3个试验开展过程中需注意的事项进行提炼总结分析,以期为其他工程提供有益的借鉴。
1)无源逆变试验
需要将交流低电压保护、直流低电压保护以及交流频率保护闭锁,以防试验过程中保护先动作而导致试验失败。
为了防止阀子模块因电容电压过低出现大量旁路,需要结合逆变解锁时间来决定控制系统的撤Databack_en指令时间。
试验中必须先进行二次电压的同源核相,确保为控制系统提供正确的控制电压。
2)功率阶跃试验
开展无功功率阶跃试验时,需要结合系统电压的大小决定功率阶跃的方向,确保试验过程中系统电压在安全范围内。
若阶跃响应时间不满足规范的要求,需要首先检查程序中功率阶跃速率是否完全放开,若非该问题再开展其他方面的问题排查。
3)直流保护跳闸试验
该实验的开展需要在不带电保护跳闸试验已完成并确保了跳闸回路的正确性后才能开展。
7 结语
本文结合厦门柔性直流输电示范工程,对柔性直流控制保护系统方案及其工程应用进行了研究,并针对真双极特殊结构的柔性直流主接线提出了无源逆变试验方案。
1)无源逆变试验方案已在厦门工程中成功应用,该方案的实施确保了阀组触发相序的正确性,完成了对控制系统延时的补偿,避免了有源解锁出现大电流损坏换流阀。
2)功率阶跃试验结果表明,柔性直流控制系统具有跟随指令系统快速响应功能,阶跃响应时间及超调量满足设计规范要求,实现了有功功率和无功功率的快速解耦控制及功率灵活控制功能。
3)直流保护跳闸试验结果表明,直流保护系统逻辑功能的正确性。
4)本文只研究了真双极拓扑结构下不带直流断路器的柔性直流控制保护系统方案及其工程应用,没有考虑配置直流断路器和其他拓扑结构下控制保护系统的方案及其应用,这是需要进一步研究的问题。
柔性应对职场压力 篇11
职场人士对于缓解和释放压力，实施积极的职场压力管理，有必要掌握一些柔性的心理策略和科学方法：
首先，明确自我价值观和人生定位，即是指你准备成为一个什么样的人，你的人生准备达成哪些目标等。这些看似与具体压力无关的东西其实对我们的影响十分巨大，对很多压力的反思最后往往都要归结到这个方面。正如卡耐基所说：“我非常相信，这是获得心理平静的最大秘密之一--要有正确的价值观念。而我也相信，只要我们能定出一种个人的标准来--就是和我们的生活比起来，什么样的事情才值得的标准，我们的忧虑有50％可以立刻消除。”
其次，积极地调整心态，尝试以乐观的态度拥抱压力。雨果曾说：“思想可以使天堂变成地狱，也可以使地狱变成天堂。”保持平和的心态，学会克制自己，有助于在舒缓紧张压力的同时，更有把握地、理智地处理各种复杂问题。烦躁不安时，可以尝试进行适当的心理暗示：既然昨天和以前的日子都过得去，那么今后的日子也一定会安然度过。要积极的看待自己所取得的成就，学会自我赞美，保持良好的自我感觉；不要过分拘泥于以往的成功，患得患失，要知道“有意义、有经验的失败”比“简单的成功”获益更大；要从全局着眼，不拘泥于琐碎的小事；要勇于决断，错误的决断要比不决断、犹豫不决更好些，决断错误可以修正，不决断、犹豫不决，反而导致压力增大，有损身体健康。
同时，转变观念也十分重要。要认识到危机即是转机，遇到困难、产生压力，一方面可能是自己的能力不足，因此整个问题的处理过程，就成为增强自己能力、发展成长的重要机会；另外也可能是外界因素造成，则可通过理性沟通解决。研究表明，一个常保持正向乐观心态的人，处理问题时会比一般人多20％的机会得到满意的结果，正向乐观的态度不仅会平息由压力而带来的紊乱情绪，也能使问题导向正面的结果。
第三步，学会有目的、高效的管理时间。职场压力的产生往往与时间的紧张感相伴，总是觉得很多事情十分紧迫，时间不够用。解决这种紧迫感的有效方法就是时间管理，在进行时间安排时，应权衡各种事情的优先顺序，永远按照紧急重要→紧急不重要→重要不紧急→不重要不紧急的顺序处理问题，这会使我们的工作远离被动的局面。
第四步，务必为自己留出休整的空间，不要把工作压力带回家。交谈、阅读、冥想、听音乐、参与体力劳动等都是缓解压力、获得内心安宁的好方式。另外，学会控制一些生理变化也可获得放松，如：肌肉放松、深呼吸、加强锻炼、充足完整的睡眠、保持健康和营养等，通过保持健康，可以增加精力和耐力，有助于与压力引起的疲劳斗争。
第五步，加强沟通。不要将责任都揽到自己身上，要设法学会同他人合作、分担责任；积极改善人际关系，特别是加强与同事之间的沟通，压力过大时主动寻求主管的协助，不要试图一个人承担所有压力。同时还可采取主动寻求心理援助的方法来积极应对，如与家人朋友倾诉交流，必要时向心理医生咨询协商等。
第六步，学会适当让步。对他人不要挑剔和期望过高，应看到别人的优点；对自己也应适当留有余地，不要企图事事追求完美。明白哪些事可以稳操胜券，集中精力处理这些事才是比较明智的选择。做些让步并不会降低身份，俗话说退一步海阔天空，何况一些事也许冷处理会有更多余地。 遇事沉着冷静也是一个人成熟的标志之一。
最后，提升能力。压力的来源往往是对事物不熟悉、不确定，或是对目标的达成感到力不从心。那么，疏解压力最根本的方法便是去了解掌握状况、设法提升自身的能力。通过自学、培训等途径，一旦“会了”、“熟了”，压力自然就会减低乃至消除。要认识到逃避并不能疏解压力，本身的能力没有提升，压力就会依旧存在，强度也无法减弱。
压力本质上是一个信号灯，说明我们需要面对和调整一些东西。应对职场压力的重点，就是以最有效的方式处理外界的要求与施加在你身上的压力。不能很好的管理压力，将会导致生理或感情紊乱；适度的压力则能够帮助自我成长，只要科学有效地管理压力，积极面对而非逃避压力，这些生理变化就可以引导精神和身体状态的積极转变，从而实现变压力为动力，促进我们自身的发展。
柔性控制 篇12
飞机产品在制造过程中零部件质量特性的波动是引起生产成本居高不下的根本原因。所谓波动, 即零部件的特性值与目标值的偏离程度。由于飞机产品生产过程中零部件数量众多, 要选择对飞机质量影响最大的关键特性进行控制。关键特性 (Key characteristic, KC) 是指材料、零件、装配体、装备或者系统的某些属性或特征 (尺寸、规范) , 它们的波动会显著影响产品的安装、性能、使用寿命和可制造性[1]。
全面采用基于关键特性的飞机设计制造方法能有效的减少飞机总体研制和制造时间, 保证零部件装配中的互换协调, 同时减少返工, 提高飞机质量。如文献[2]提出了基于并行工程的关键特性定义与管理过程的计划-执行-检查-处理循环, 达到了在制造阶段控制关键特性并使之稳定的目的。文献[3]采用关键特性的方法表示粗粒度、非完备的产品信息, 以支持在概要工艺规划过程进行产品的可生产性分析和关键工艺方案的制定。文献[4]提出了关键装配特性的概念, 并根据基准传递链分析装配过程中的误差积累路线, 针对误差积累最多的环节从定性与定量的角度对其进行了判定。考虑到飞机装配过程中零部件的互换协调或者被装配产品样本较少的情况, 应用装配型架的关键特性能有效的保证装配产品的质量和零部件的互换协调。针对此类关键特性, 本文提出装配型架关键特性的概念, 对装配型架关键特性的一些特点、识别和控制方法进行了详细的描述。
1 装配型架关键特性的定义及特点
装配型架关键特性是保证飞机装配零部件间互换协调的重要特性, 同时装配型架关键特性也是关键特性的一种。尤其是在装配产品样本很少的情况下, 识别和控制装配型架的关键特性就显得格外重要。根据文献[1~4]所描述的KC的概念, 作者认为装配型架关键特性是指在飞机产品装配过程中, 装配型架的某些结构、外形、定位特性对被装配产品的质量影响最严重的几何特性;在飞机柔性装配型架中还包括自动测控系统控制机械随动定位机构精确定位。当装配型架关键特性处于临界值或超出临界值时必须对其进行控制, 否则会严重影响产品装配质量和零部件的互换协调, 甚至产品的报废。
飞机装配型架关键特性具有一般关键特性的特点, 同时结合飞机柔性装配型架与数字化测控制系统在飞机装配中的应用, 飞机装配型架关键特性还具有一些独特的特点:
1) 在装配型架设计阶段, 根据用户需求与被装配产品特点, 结合当前企业拥有的加工、制造等能力, 设计产品装配型架。在设计过程中主要涉及为保证飞机产品主要尺寸和位置的定位器设计、保证产品外形准确度的定位面的设计等, 初步把这些主要尺寸作为关键特性进行控制。装配型架关键特性与一般关键特性一样根据关键特性的可测量性和可控制性沿制造树逐级向下传递, 形成关键特性树, 同时上级关键特性由下级关键特性保证, 如图1所示为某机型壁板预装配柔性工装系统型架关键特性树。
2) 在装配型架安装阶段, 把设计阶段定义的保证产品主要尺寸和外形准确度等定位特征作为关键特性, 在主要定位结构上设置靶标点 (Optical Tooling Points, OTP) , 把测量靶标点的坐标与理论坐标相比较, 进行实时反馈和补偿, 精确安装各种定位器。
3) 在产品装配阶段, 控制系统控制随动定位器运动到理论位置以精确定位产品, 把这类通过控制系统控制的随动定位器或定位机构的精确定位也作为关键特性进行控制。
2 装配型架关键特性的识别与控制
为保证飞机装配零部件间的互换协调问题, 对装配型架中影响被装配产品质量最大的尺寸、形状、定位特征等关键特性采用合理的方式加以控制。
2.1 装配型架关键特性的识别与管理
关键特性经过多年的研究应用已经有了比较完善的识别方法:1) 利用相似产品的历史数据和知识;2) 专家调成法——德尔菲法 (Delph Method, DM) , 从该领域装夹或有经验人员那里搜集有用的信息;3) 风险分析法:即确定每个特性的风险优先数 (Risk Priority Number, RPN) 通过确定RPN的值来确定关键特性, RPN值越大, 特性值越重要。
本文采用由日本质量管理专家田口玄一提出的损失函数[5]的波动引起经济损失的方法来确定装配型架的关键特性, 该方法定量的描述了特性偏离目标值时造成的损失。当某个关键特性y偏离目标值m时, 即y≠m时, 产生质量损失, 且y-m越大, 质量损失越严重[6], 其质量损失为:
式中:k为关键特性y的质量损失常数, A为关键特性y失效时造成的损失, TU, TL分别为公差上限和下限;σ2为y的方差;δ2为均值偏差, 为y的测量值, τ为y的目标值。参考文献[7]中对质量损失常数进行了标准化, 即当质量特性超出公差要求时, 其质量损失假定为单位损失, 则带入式 (1) , 可得到标准化后的影响度的计算公式:
在型架设计阶段把初步确定的关键特性利用式 (3) 计算其质量损失L的大小以判断是否作为关键特性进行控制。同时装配型架关键特性的识别应与飞机产品的特点结合起来, 分析被装配产品的结构特点来设计装配型架, 结合制造单位的设计制造条件、测控水平等来识别、控制柔性装配型架的关键特性, 整个装配型架关键特性的识别与管理如下:
1) 用户需求:结合用户需求初步确定保证飞机装配零部件质量的型架关键特性有哪些;
2) 设计分析:为保证飞机零部件间的互换协调, 把装配型架上对应于飞机产品的重要尺寸作为关键特性进行控制;
3) 制造和安装:根据设计数模进行型架的制造和安装, 尺寸关键特性通过尺寸链来保证, 同时把机械随动定位装置 (定位器) 的控制定位精度作为关键特性进行控制;
4) 生产和检测:根据设计数模调整装配型架安装到位、结合机械随动定位器定位产品, 完成产品装配后检测产品主要尺寸与外形准确度;
5) 管理与维护:装配型架要定期进行维护, 防止型架变形和控制失准等问题。
2.2 装配型架关键特性的控制
文献[8]指出一般关键特性主要由统计过程控制法 (Statistical Process Control, SPC) 进行控制, 通过选择合理的控制图, 确定测量方案对关键特性进行实时监控, 当关键特性超出控制范围时, 立刻寻找波动源并确定解决方案。装配型架关键特性的控制方法与一般关键特性的控制方法思路相似, 通过实时监控测量点位置坐标, 当实测值超过误差允许范围时, 找出波动源立刻进行控制。
为保证飞机产品的重要尺寸, 采用装配尺寸链把型架上对应的定位器之间的尺寸作为关键特性进行控制, 对设计靶标点采用激光跟踪仪实时测量, 当被测点测量坐标值与理论值的偏差在公差范围外时, 综合考虑型架尺寸关键特性的可测量性和可控制性是否沿制造树向下分解的特点, 找到波动源, 进行控制。图3是某机型壁板预装配柔性工装系统中两个三脚架安装误差控制图。
其中零线表示装配三脚架距离坐标原点的理论值, 当测量点落在在±△间表示在公差范围内, 不需要进行控制;当测量点落在±2△范围或大于±2△时, 需要对三脚架距坐标原点的位置进行控制。
对于柔性装配型架的关键特性, 如控制机械随动定位器的精度定位, 利用激光跟踪仪实时跟踪测量, 把测量靶标点的坐标值与测量点的理论坐标值进行比较, 得出坐标差值, 把这个差值传递给控制系统, 控制系统控制随动定位器进行调整, 最后达到公差要求范围。把这一类通过测控系统控制的随动定位器的定位精度也作为关键特性进行控制, 通过实时监测, 调控随动定位器精确定位。
3 实例分析
以某机型壁板预装配柔性工装系统为例, 采用上述方法对装配型架关键特性进行识别并加以控制。为保证预装配壁板组件的装配质量, 设计的某机型壁板预装配柔性工装系统包括基座、两个三脚架、小围框、两个移动立柱等, 每个移动立柱包含八个Z型长桁夹持器, 移动立柱由电机带动可沿X向移动、长桁夹持器由电机带动可沿Y、Z移动, 长桁夹持头通过气缸控制实现长桁夹持, 结合激光跟踪仪实现精确定位。以三脚架安装为例, 并把三脚架间距L0作为关键特性进行管理与控制, 如图4所示, B点为设计坐标系零点, A、C分别代表两个三脚架, 定位精度为±0.05mm。安装三脚架时, 在保证L1、L2都能满足公差要求的同时L0也可能超差, 从而导致关键特性L0难以保证。实际安装中测得AB、BC在X方向距零点的距离误差如表1所示, 带入损失函数公式 (3) 得到则所选关键特性的质量损失其质量损失L超出了公差上限的111%, 根据田口损失函数法则在三脚架安装过程中把AC距离作为关键进行控制。
单位:mm
在某机型壁板预装配柔性工装系统工作过程中, 为满足壁板装配的质量, 把Z型长桁夹持器精确移动定位作为关键特性进行控制。型架定位精度为±0.05mm, 重复定位精度为±0.02mm, 为保证高精度定位设定各轴最大运行速度为0.05m/s, 最大加速度为0.05m/s2, 工作时结合激光跟踪仪实时测量, 以实现长桁夹持器的精确定位, 控制软件如图5所示。
图5中控制软件控制长桁夹持器精确定位时, 把激光跟踪仪经数据处理系统处理后的坐标差值传递给控制系统, 控制系统控制相应的电机带动长桁夹持器移动, 达到Z向定位;控制软件继续控制夹持头向前移动, 当力传感器值不为零时, 停止运动, 完成定位。开发的壁板柔性预装配控制系统, 通过信息数据集成处理, 实现各种系统平稳运行, 同时留有与其它系统的数据接口, 实现数据信息采集和控制, 保证产品的质装配量。
4 结束语
本文针对飞机装配过程中保证飞机产品互换协调的实际需要, 提出了装配型架关键特性的概念, 装配型架关键特性是保证被装配产品质量和产品互换协调最重要的特征, 并且进一步就装配型架关键特性的识别与控制进行了分析。结合某机型壁板预装配柔性工装系统, 分别在装配型架安装和工作两个阶段对关键特性进行识别, 并提出了相应的控制方法, 验证了此装配型架关键特性识别与控制方法的有效性。
参考文献
[1]范玉青.大型飞机数字化制造技术[M].北京:航空工业出版社, 2011.
[2]刘志存, 邹冀华, 范玉青.飞机制造中关键特性的定义与管理[J].计算机集成制造系统, 2007, 13 (10) :2013-2018.
[3]魏丽, 郑联语.概要工艺规划中关键特性的识别过程及方法[J].计算机集成制造系统, 2007, 13 (1) :147-152.
[4]冯子明, 邹成, 刘继红.飞机关键装配特性的识别与控制[J].计算机集成制造系统, 2010, 16 (12) :2553-2556.
[5]MAGHSOODLOO S, OZDEMIR G, JORDAN V.Strengths and limitations of Taguchi’s contributionsto quality, manufacturing, and process engineering[J].Journal of manufacturing Systems, 2004, 23 (2) :73-126.
[6]唐文斌, 余剑峰, 李原, 唐水龙, 产品关键特性量化鉴别与分解方法应用研究[J].计算机集成制造系统, 2011, 17 (11) :2384-2388.
[7]马义中, 程少华, 李言俊.改进的多变量质量损失函数及其实证分析[J].系统工程, 2002, 20 (4) :54-58.