本發(fā)明屬于工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是一種基于調(diào)度與控制器參數(shù)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的大型電子束焊接裝置網(wǎng)絡(luò)化控制方法。

背景技術(shù)：

電子束焊接(EB)作為材料加工過程的重要工序之一,直接影響著材料的質(zhì)量,電子束技術(shù)發(fā)展與設(shè)備改進(jìn)是材料制造加工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵,關(guān)系著國家航天、能源、信息產(chǎn)業(yè)的興盛。焊接的好壞將直接影響產(chǎn)品外觀和質(zhì)量，對高端先進(jìn)行業(yè)而言，其直接決定著行業(yè)的興衰等；同時(shí)，基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制方法也是提高焊接過程精度質(zhì)量必不可少的要求。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，是指傳感器、控制器及執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)的集合，用通信網(wǎng)絡(luò)提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源共享和協(xié)調(diào)操作。目前，針對多變量通信受限的網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)方法普遍采用通信序列及混合邏輯動(dòng)態(tài)構(gòu)架的概念將原有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成集調(diào)度和控制于一體的離散周期性時(shí)變切換系統(tǒng)，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器。這類設(shè)計(jì)方法普遍存在控制器的個(gè)數(shù)要受原有通信序列周期數(shù)的約束并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；更進(jìn)一步，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的時(shí)候，往往需要多個(gè)控制器周期性頻繁切換才能確?？刂葡到y(tǒng)的性能；另一方面，這類方法所用到的相關(guān)專業(yè)理論知識(shí)較多，不便于被工程技術(shù)人員掌握和推廣使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服具有隨機(jī)短時(shí)延的多輸入/多輸出大型電子束焊接裝置網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中存在控制增益、通信序列無法動(dòng)態(tài)重構(gòu)的問題，本發(fā)明提供可根據(jù)系統(tǒng)IAE性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)地調(diào)整信息的傳輸方式，克服網(wǎng)絡(luò)傳輸調(diào)度受限于當(dāng)前傳輸網(wǎng)絡(luò)利用率的先驗(yàn)知識(shí)，無法自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化，無法保證整個(gè)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾性和魯棒性，在惡劣情況下甚至?xí)鹂刂破魇В瑥亩沟谜麄€(gè)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)先設(shè)計(jì)的控制性能問題。

同時(shí)，本發(fā)明可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行控制器參數(shù)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的單一控制器，克服原有控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜并受通信序列傳輸周期約束問題，避免多個(gè)控制器周期性切換，方便被工程技術(shù)人員掌握和推廣使用。本發(fā)明可有效改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提高網(wǎng)絡(luò)利用率及系統(tǒng)的整體性能。為了解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：

基于調(diào)度與控制器參數(shù)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的大型電子束焊接裝置網(wǎng)絡(luò)化控制方法，包括如下步驟：

Step 1、根據(jù)實(shí)際工況對大型電子束焊接裝置進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)如式(1)：

其中表示r維大型電子束焊接裝置的狀態(tài)向量；表示m維大型電子束焊接裝置的旋鈕開度輸入向量，τ_k表示每個(gè)采樣周期內(nèi)的隨機(jī)有界網(wǎng)絡(luò)短時(shí)延，且滿足0≤τ_k≤eh(0＜e＜1)h為控制系統(tǒng)的采樣周期，表示q維的部擾動(dòng)信號(hào)，表示大型電子束焊接裝置的被調(diào)輸出電流、位移信號(hào)向量，A_p,B_p,C_p是適當(dāng)維數(shù)的系統(tǒng)矩陣；

Step 2：設(shè)置控制系統(tǒng)的采樣周期h、調(diào)度周期步長N、調(diào)度周期T，并滿足：T＝Nh；設(shè)置大型電子束焊接裝置kT+αh時(shí)刻采樣序列的調(diào)度系數(shù)θ_i(kT+αh)閾值η_i和kT+βh時(shí)刻更新序列的調(diào)度系數(shù)δ_j(kT+βh)閾值并設(shè)置調(diào)度策略如式(2)所示：

其中i∈(1,…,r),α∈(1,…,N)j∈(1,…,m),β∈(0,…,N-1)，IAE表示信號(hào)的絕對誤差性能。

當(dāng)k＝1時(shí)，設(shè)置初始調(diào)度矩陣Λ_α＝I，Ξ_β＝I，否則根據(jù)調(diào)度策略生成當(dāng)前調(diào)度周期T內(nèi)的采樣調(diào)度矩陣和更新調(diào)度矩陣

其中為kT+αh時(shí)刻采樣序列調(diào)度系數(shù)組成的向量，為kT+βh時(shí)刻更新序列調(diào)度系數(shù)組成的向量；

Step 3:系統(tǒng)以調(diào)度周期T離散化，并根據(jù)step 2的調(diào)度策略建立如下映射關(guān)系：

其中為系統(tǒng)調(diào)度后控制器的輸入狀態(tài)向量，為經(jīng)系統(tǒng)調(diào)度后控制器的輸出向量；

構(gòu)建系統(tǒng)增廣向量矩陣包括：狀態(tài)向量矩陣X(kT)，控制器輸出U(kT)、控制器的有效輸入執(zhí)行器的有效輸入被調(diào)輸出Z(kT)、外部擾動(dòng)信號(hào)W(kT)、采樣調(diào)度矩陣更新調(diào)度矩陣和并建立新的映射關(guān)系如下：

其中：

Step 4:設(shè)置系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制器重新構(gòu)造新的狀態(tài)向量G、M、N、L如下：

L＝H₁′并建立集調(diào)度與控制為一體的閉環(huán)系統(tǒng)模型(5)：

其中：

K_k為控制器參數(shù),τ_kd----表示第k個(gè)調(diào)度周期內(nèi)第d個(gè)采樣周期的時(shí)延,A、B₀(τ_k)、B₁(τ_k1)、H₀、A_e、B′₀(τ_k)、B′₁(τ_k)、H′₀、D′₀(τ_k)、C′_e、D′₁(τ_k)、H′₁為中間計(jì)算變量；

Step 5：重新定義計(jì)算變量并在線求解以下的優(yōu)化問題:

利用上一步得到的可行解，可得狀態(tài)反饋控制器參數(shù)其中表示矩陣的偽逆；當(dāng)k＝k+1，重新回到Step 3求解控制器參數(shù)；電流控制信號(hào)由D/A轉(zhuǎn)換后輸出至電流調(diào)節(jié)器，位移控制信號(hào)由D/A轉(zhuǎn)換后輸出至直流電機(jī)PWM控制器，最后作用到大型電子束焊接裝置,使大型電子束焊接裝置的電流和位移運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：單一控制器、系統(tǒng)傳輸周期動(dòng)態(tài)重構(gòu)、控制器參數(shù)動(dòng)態(tài)重構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單。

附圖說明

圖1是本發(fā)明給出的大型電子束焊接裝置閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖2是本發(fā)明實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用的結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖2，一種基于調(diào)度與控制器參數(shù)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的大型電子束焊接裝置網(wǎng)絡(luò)化控制方法，本實(shí)施例大型電子束焊接裝置溫度、壓力網(wǎng)絡(luò)化控制過程：

第一步、在組態(tài)界面上設(shè)置模型辨識(shí)的相應(yīng)參數(shù)，確定大型電子束焊接裝置的辨識(shí)模型如下：

其中：x(t)是系統(tǒng)的狀態(tài)向量，u(t)＝[u₁ u₂]^T是控制輸入向量，u₁代表機(jī)器電流旋鈕開度，u₂代表機(jī)器電子槍位移旋鈕開度。z(t)＝[z₁ z₂]^T是被控輸出向量，z₁代表電子束電流大小，z₂代表電子槍位置點(diǎn)。w(t)是外部擾動(dòng)向量。由工控機(jī)將對象模型辨識(shí)參數(shù)等數(shù)據(jù)送到存儲(chǔ)單元RAM中；并在組態(tài)界面上設(shè)置系統(tǒng)為“離線”調(diào)節(jié)狀態(tài)。按照附圖2所示的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖組建一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

第二步：在組態(tài)界面上設(shè)置系統(tǒng)采樣周期h＝1s，調(diào)度周期的步長N＝2，IAE控制性能指標(biāo)的閾值分別為η₁＝0.01，η₂＝0.05，

第三步：在組態(tài)界面上點(diǎn)擊“運(yùn)行”鍵，在線計(jì)算調(diào)度的通信序列、控制器參數(shù)。

第四步：對u(k)進(jìn)行限幅，防止積分飽和，然后由D/A轉(zhuǎn)換后輸出至執(zhí)行器，由執(zhí)行器作用到被控對象,使被控對象運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)；此時(shí)組態(tài)界面上顯示的是在線情況下的系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)曲線，觀察曲線進(jìn)行在線微調(diào)。

第五步：在組態(tài)界面上設(shè)置系統(tǒng)為“在線”調(diào)節(jié)狀態(tài)，啟動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)，重新執(zhí)行“在線控制程序”得到當(dāng)前時(shí)刻的控制量。

以上闡述的是本發(fā)明給出的一個(gè)實(shí)施例表現(xiàn)出的優(yōu)良優(yōu)化效果，顯然本發(fā)明不只是限于上述實(shí)施例，在不偏離本發(fā)明基本精神及不超出本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容所涉及范圍的前提下對其可作種種變形加以實(shí)施。