一种具有未知扰动大加减速传送带振动pd控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高速高精度电子制造装备领域，涉及一种具有未知扰动的大加减速传 送带振动控制的仿真系统，具体涉及一种具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统。
【背景技术】
[0002] 电子元器件的微型化和集成化对高速高精度电子制造装备的加工精度要求越要 越高，然而具有弹性形变的传送带产生的振动制约装备的加工精度。在传送带振动控制研 宄中，传送带模型具有强耦合、无穷维以及大加减速运动的特点，为建模高频模态可能导致 溢出效应，影响系统的稳定性。近年，有方法将一些控制方法相结合，但考虑都不太完整，而 且多数还是停留在理论分析层面，只能粗略的对比控制输入前后的振动数据。为了方便观 察传送带实时振动情况和验证控制器效果，本文搭建了一个半实物仿真系统，实现了模型 解析、实时动态显示和控制算法作用后效果显示，方便了对传送带振动情况的监视。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种具有未知扰动大加减速 传送带振动ro控制系统，该ro控制系统能够实时观测传送带振动数据，是一种可验证所设 计的控制算法的控制效果的仿真平台。
[0004] 本发明的目的通过下述技术方案实现：一种具有未知扰动大加减速传送带振动 ro控制系统，包括传送带模型解析显示模块、串口通信模块以及控制模块；串口通信模块 与其他两个模块之间实际是融为一体的，三个模块在程序设计上没有绝对独立。
[0005] 传送带模型解析显示模块主要功能是计算传送带模型的差分运算结果；其中包括 roEs方程解析、软件数值解析、离散数据处理、数据传送以及作图五个部分，且五个部分之 间是紧密相连的。
[0006] roEs方程为非线性的，包括传送带振动数学模型式以及初始条件、边界条件式两 个部分，其中，数学模型式为：
[0007]
【主权项】
1. 一种具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在于：包括传送带模型 解析显示模块、串口通信模块和控制模块；所述的模型解析显示模块和控制模块通过串口 通信模块相连接；所述的串口通信模块与模型解析显示模块和控制模块在程序设计上融为 一体。
2. 根据权利要求1所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在 于，所述的模型解析显示模块用于计算传送带模型的差分运算结果；所述的模型解析显示 模块包括紧密相连的TOEs方程解析、软件数值解析、离散数据处理、数据传送和作图。
3. 根据权利要求2所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在 于，所述的TOEs方程为非线性的，所述的TOEs方程包括传送带振动数学模型式以及初始条 件和边界条件式，其数学模型式为
式中，P为传送带单位长度质量，EA为度，Ttl为结构未扰动情况下的张力，a为运动加 速度，V为运动速度，c为粘性阻尼系数，f?为分布式扰动，w(x，t)表示t时刻在传送带位置
式中，Ttl为传送带未扰动情况下的张力，L为传送带长度，d和U分别是末端扰动和控 制器输入。
4. 根据权利要求2所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在 于，所述的软件数值解析包括离散网格选取、列出差分方程组和求解差分方程组，具体如 下： 离散网格选取：传送带轴向移动结构位置X处的偏移量由w(x，t)表示，包括时间t和 空间X两个方向，离散网格需要统一的对其做离散化处理； 列出差分方程组：根据传送带数学模型式（1)和由1)中确定的网格，列出相应的差分 方程组，由于存在2阶偏导，所以要特别注意时间点的顺序关系； 求解差分方程组：根据离散时间点的先后顺序，求解各个差分方程组，利用Matlab进 行数值计算。
5. 根据权利要求4所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在 于，根据时间的因果关系，所述的差分运算方法采用后向差分法；关于一阶后向差分法的计 算方法如下： 1)对一般函数f(X)，将X轴上区间[a,b]等间距分割为N等分，则步长h=Ax= (b_a)/N，则在XiUiG[a,b],i= 1，2,…，N)位置处的后向差值为f(xDKxi-Ii);而If(Xi) 的泰勒展开式为：
式中h为步长，f(Xi-Ii)，f(Xjh)和f(Xi)分别为在函数f(x)在位置Xi-Ii,Xjh和Xi* 的值，f' (Xi)，f" (Xi)，f"' (Xi)为函数f(x)在位置Xi处一阶、二阶和三阶导数值； 忽略h的平方和更高阶项可得到一阶后向差分方程：
式中"0〇即为函数€〇0在\处的一阶导数值，11为步长4〇^)4〇^-11)则分别为 函数f(X)在Xi,Xi-Il处的值； 2)根据1)中的方法，则传送带模型中相应的偏移量w(x，t)的一阶偏微分方程表示 为-
式中，Wx (X，t)为偏移量w(X，t)关于X的一阶偏导数，hx为总长度等分后的一步的步 长；
式中，Wt (x，t)为偏移量w(x，t)关于t的一阶偏导数，ht为总时间等分后一步的步长。
6. 根据权利要求2所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在 于，所述的离散数据处理主要包括初始化和匕离散迭代方法两部分；在离散处理上，选取时 间离散点每次只运算7个。
7. 根据权利要求6所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在 于，所述的初始化的目的是设定各个参数的大小和初始值，设置7维临时存储矩阵Dlw，同时 初始化另一个相同的7维临时运算数据矩阵，用于即将运算的w(x，t)。
8. 根据权利要求6所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在 于，所述的F7离散迭代方法包括以下步骤： 1) 将初始化的参数和初始振动数据临时存储矩阵Dlw带入到式（1)中，离散计算 W(X，t)，存储到Dlw中； 2) 利用1)中求出的Dlw计算紧接着的7个时间离散点的w(x，t)数据，存入到另一个 临时存储矩阵中； 3) 解析边界条件和控制信号，得到传送带自由条件或控制条件下的边界处振动数据； 4) 用后一个临时矩阵数据替换掉前一个临时矩阵数据，并给后一个临时运算矩阵清 零，作为接下来的需要用于存储计算数据的矩阵； 5) 时间终点判定。
9. 根据权利要求2所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在 于，所述的数据传送是指模型解析显示模块与串口通信模块之间的数据传输；所述的数据 传送包括两个部分，一个是将模型解析显示模块计算所得的离散数据发送出去，另一个是 接收来自串口通信模块传来的控制数据；所述的发送数据是将所得到的传送带振动相应偏 移量的实时数据进行传送，在对数据进行处理后，通过MATLAB中的fprintf(com,data)语 句来实现；所述的接收数据是指从串口获得相应的控制信号，对所选择得控制方法进行相 应的运算； 所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征在于，所述的作图是通 过MATLABGn中的plot函数根据所计算出的数据绘出传送带振动的实时图形并显示相应 数值。 1〇.根据权利要求1所述的具有未知扰动大加减速传送带振动ro控制系统，其特征 在于，所述的串口通信模块主要功能是建立传送带模型数据与ARM开发板控制器的数据通 信，包括PC机和ARM开发板两部分的通信程序设计； 所述的PC机通信程序设计包括COM口设置、数据打包、数据写入、数据读取和发送判 定；所述的数据打包是为了达到控制器数据与传送器显示同步，且给数据设置了相应的标 识符； 所述的ARM开发板通信程序设计包括初始设置、数据处理和控制方法；所述的初始设 置则由开启新线程、产生新的消息对象、建立数据载体和传递数据块；所述的控制方法发送 由Tiny210开发板提供的HardwareControler的驱动方便实现； 所述的控制模块主要功能为识别传送带的相关数据，振动数据分类和相应的计算处 理，数据显示以及振动数据和控制算法发送至通信模块； 所述的数据识别分类处理包括对数据进行Cut处理、进行相应的分类、对数据位判定 和计算传送带振动速率；所述的振动速度计算由式（6)根据离散时间点ht得到。
【专利摘要】本发明公开了一种具有未知扰动大加减速传送带振动PD控制系统，包括了传送带模型解析显示模块、串口通信模块以及控制模块。三个模块按照功能分类，但在程序设计上并没有绝对独立。模型解析显示模块主要利用差分离散方法，由MATLAB GUI编程实现，显示于PC机上；串口通信模块内嵌于模型解析显示模块和控制模块，通过串口通讯保证了模型解析显示部分和控制器之间的数据通信；控制模块位于ARM开发板上，利用Android系统对立管模型进行数据监视和控制作用。本发明不仅实现了传送带振动实时动态显示以及控制算法作用后的效果显示，而且成本较低、更方便。
【IPC分类】G05B17-02
【公开号】CN104714417
【申请号】CN201410843219
【发明人】刘屿, 赵志甲, 翁轩
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2014年12月30日