龙门定位平台PID控制研究及应用

魏惠芳,李晨阳,付莎莎（.沈阳城市建设学院；2.沈阳工业大学）



龙门定位平台PID控制研究及应用

魏惠芳1,2,李晨阳1,付莎莎1
（1.沈阳城市建设学院；2.沈阳工业大学）

摘要：首先介绍龙门定位系统是以浮点数字信号处理器为基础的平台，推导出一个基于拉格朗日方程的龙门定位架3-DOF动态模型。采用PID算法探究龙门式精密定位平台在参数变化、摩擦力、外来干扰与多轴系统中交叉耦合干扰的影响下的控制性能。最后通过实验对印刷电路板的金属焊点缺陷进行检测,完成龙门定位平台智能控制的研究。

关键词：浮点数字信号；动态模型；PID算法；金属焊点缺陷

0　引言

随着科技的快速发展，人们对于控制这方面有了更高的要求。运动平台如何快速精准稳定定位成为了人们的热门话题，精密运动平台系统在现代尖端工业生产和科学研究领域有着重要的地位，它直接影响精密制造、检测的精度。在先进电子制造装备(如光刻机、球焊机、贴片机等)中，高性能运动平台是其工作的主要执行机构。在微型机电系统的制造和检测、精密测量等领域都离不开精密定位技术。在精密和超精密加工领域，高精密进给运动更是影响加工质量的关键环节。本文以龙门智能控制为理论基础，探究其在检测印刷电路板金属焊点时的应用。

1　模型建立

图1　龙门定位3-DOF动态模型结构

如图1所示的是典型龙门定位3-DOF动态模型结构，Y轴是由两个领养双线性线性电动机的永磁同步电动机通过单轴由并行系统的驱动，x轴它是由一个永磁线性同步电动机直接联接到电机双线性，因此定位平台可被视为具有三自由度的伺服系统联接机构，所以在三轴运动时双轴控制是其关键技术。分定位在电机的双线性y轴对应于两个输出和，当这两个位置是相同的，这意味着相同的电机双线性举动等于，然而，在实际应用中，而难以实现双线性电机，这是由于两个电机的相同的动态响应在装配的差异，外力的干扰或耦合效应影响下的差异。传统推导的龙门定位平台都是三组线性电机动态模型来推导的，只考虑其线性运动的方向，但在本文中三自由度龙门动态模型的推导不仅考虑到了各种线性运动轴，同时也考虑到因线性电机的不同造成抵消x轴电机运动的方向产生旋转运动。也就是说，当双线性电机不同时，和会有偏差值，因为联接机构使x轴具有θ偏移角，从而在X轴移动，会以C为中心产生惯性，可变惯量和负载的力矩变化，双线性电动机引线到y轴以产生移动。

2　PID控制器

2.1 PID结构框图

2.1　PID结构框图

PID控制器是通过对误差信号e(t)进行比例、积分和微分运算，将其结果加权，得到控制器的输出u(t)，去控制被控对象。PID控制器的数学描述为:

式中u (t)为控制量，e (t) =r (t) -c (t)为误差信号，r (t)为输入量，c (t)为输出量。经离散化后，变成计算机数字控制方式的数学描述为:

PID控制器又称PID校正装置或者PID调节器，是一种有源校正装置，它是最早发展起来的控制策略之一，在工业过程控制中有着最广泛的应用，它实现方式有电气式、气动式和液力式。与无源校正装置相比，它具有结构简单、参数易于整定、应用面广等特点，设计的控制对象可以是精确模型，也可以是黑箱或灰箱系统。总体而言，它主要有如下优点:

(1)原理简单，使用方便，参数整定灵活。

(2)适用性很强。可以广泛应用于电力、机械、化工、热工、冶金、轻工、建材、石油等行业。

(3)鲁棒性强。即其控制的质量对被控对象的变化不太敏感，这是它获得广泛应用的最重要的原因。所以，如果控制器鲁棒性强，则就无须经常改变控制器的参数或结构。

2.2 PID控制器参数整定

数字PID控制器参数的整定有多种方法，常用的包括试凑法、临界灵敏度法、Ziegler-Nichols设定法、ISTE最优设定法、基于增益优化参数整定法、基于总和时间常数法等等。由于这里先用MATLAB下的RTWT来实现对控制系统的半实物仿真，所以试凑法更为简单易行。

试凑时，对参数实行先比例、再积分、最后微分的整定步骤。

(1)首先将积分系数置零，只整定比例部分。将比例系数Kp由小变大，观察相应的系统响应，直到得到反应快、超调小的响应曲线。若系统没有稳态误差或稳态误差已小到允许范围内，且响应曲线己属满意，则只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。

(2)若仅用比例调节的系统稳态误差不能满足要求，那么便再加入积分环节。首先置K;为一较小值，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小(如缩为原值的0.8倍)，然后增大积分系数，使在保持系统良好动态性能的情况下静差得以消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复来改变比例系数KP与积分系数K;，以得到满意的控制过程。

(3)此时系统的反映时间和稳态误差都要满足要求，再加入微分环节可以明显降低系统的超调。在上述调节基础上改变Ka的值，以获得满意的超调量。

3　印刷电路板的金属焊点缺陷检测方法

3.1 印刷电路板图像的采集

采集部分的研究包括了摄像机参数的自动调整、照明系统的自动调整以及采集原始Bayer格式图像到计算机指定内存、图像的256色灰度位图的格式转换以及分块采集策略的制定等。这部分是本系统智能的体现之一。

3.2 印刷电路板图像的预处理算法

实际情况下，数字摄像机拍摄的印刷电路板图像信息存在各种噪声，影响了图像的质量。本文采用了灰度修正、图像平滑、中值滤波等优化图像质量的预处理算法，在不同的噪声影响下采用相应的预处理算法，使得印刷电路板图像的信噪比得到了明显的提高。

3.3 印刷电路板图像的快速模板匹配算法

检测的关键在于缺陷图像的提取与识别，模板匹配算法是这一要求实现的前提。设计过程中充分考虑检测速度和检测能力的需求，采用检测能力强的算法。为了正确而快速地识别缺陷，在识别准确的前提下运用了SSDA模板匹配算法，使得计算量在很大程度上减少，加快了处理的速度。

3.4 印刷电路板图像与模板图像比较后的图像分割算法

为了对印刷电路板缺陷图像实行最有效的分割，对比了几种高效的图像分割算法，综合考虑数据量、分析时间、算法复杂程度等指标后，采用峰谷法选取闽值门限并在此门限下分割图像提取缺陷。

4　结语

本文意在发展一套以浮点运算数位讯号处理器为基础的龙门式定位平台，并且设计与发展具有强特性的智能型同动控制器，来达到龙门式定位平台的精密定位需求。将PID控制算法作为动态不同步误差补偿算法，结合机床实际应用的特点，使用稳定边界法，完成了PID控制算法的参数整定，并且利龙门智能控制系统实现了检测印刷电路板上的金属焊点瑕疵。

参考文献

[1]林于盛，林法正，智能型同动控制之龙门式定位平台及应用.2012（6）.55-58

[2]韩继华，李长春，龙门式无碎轨道板起吊定位系统的设计及实现.2010（6）.26-29

Gantry Positioning Platform and Application of Intelligent Control

Wei Huifang1,2,Li Chenyang1,Fu Shasha1
（1.Shenyang Institute of urban construction;2.Shenyang University of Technology）

Abstract：First introduced gantry positioning system based on a floating-point digital signal processorbased platform,and then derive the gantry positioning frame 3-DOF dynamic model based on Lagrange equation.Then explore the use of PID control algorithm Performance Gantry precision stage cross-coupling interference in the parameter variation,friction,foreign interference and influence in multi-shaft system. Finally,the experimental metal solder joint defects of the printed circuit board for testing,completed the study of intelligent control gantry positioning platform.

Keywords：Floating point digital signal;Dynamic Model;PID algorithm;Metal solder joint defects