基于开放平台的嵌入式数控系统开发

1 前言

　　近些年我国的工业生产水平有着非常大的进步，特别是印刷包装以及电子技术行业，相较于世界发达国家，在很多方面已经大大缩短差距。模切板（又称刀模）是数控系统中的重要组成部分，全自动电脑数控折弯机床的出现促使刀模生产效率和加工精度有了长足进步。随着工业生产水平及质量要求的不断提高，国内对高端电子设备的需求将不断扩大，而且朝着高速、高精度的方向发展，迫切需要数控技术精准化高速化。虽然当前国内已经有很多厂家和研究机构开展折弯机床设备的研发与制造，但其中核心关键技术一直被欧美一些企业所垄断，国内想要在这些方面形成突破十分存在着较大困难。

2 模糊控制算法

　　数控折弯机床系统的加工涉及内容很多，所以其加工过程非常复杂繁琐，加之薄壁件自身特性以及机床系统传送机构加速度、环境温度、伺服器的响应速度等因素影响，使得很多控制理论在数控折弯机床加工控制中难以得到充分利用。针对时变、非线性、多参量耦合等因素而研究处的模糊控制理论是当前在该系统加工领域应用最为广泛，反应效果最好的。模糊控制理论的鲁棒性能较好，而且具有较广泛的适用性、实时性，在实际使用时不需要构建精确数学模型，这对于数控折弯机床系统而言非常有利。模糊控制系统中所涉及参数主要有 X 和 Y 轴步进量、X 和 Y 轴步进量变化率、薄壁件进给加速度、薄壁件弹性系数等。

　　（1）数控折弯机床控制原理。其运动系统是由工作台台板、控制 Y 轴刀头、机架、控制 X 轴刀头等几部分组成。在实际控制过程中，①要将刀头归置坐标原点处，也就是说刀头中心位置是按照 X 轴来运动的。对于薄壁件加工，我们可以通过系统软件设定不同的送料速度和加速度，以满足不同工业加工要求。②刀头在坐标系中的运动轨迹和步进量是由数控系统控制的，系统会将数据以脉冲的形式通过处理器发送出来，正向脉冲输送至 X 轴插补信号中，正负脉冲输送至 Y 轴。③正向脉冲主要是用来控制薄壁件左向折弯，负向脉冲主要是用来控制薄壁件右向折弯。

　　（2）模糊控制理论。模糊控制理论主要是用于时变、非线性、多参数耦合等参数系统控制中，而且在当前工业生产控制中应用非常广泛。该理论之所以适用性较强，是因为：①模糊控制理论鲁棒性强。在实际工业生产控制中，该理论可以尽可能将参数变化和干扰对控制系统的影响降至最低，把传统系统中可能遇见的时变、非线性等问题有效解决；②模糊控制理论是基于规则而研究出的控制理论，通过模糊集合算法将实际工业生产控制人员长期工作经验和专家知识进行总结，形成可以用于计算机识别的语言型控制规则。这种设计理念不需要进行被控对象数学模型的精确构建，从而大大简化了控制策略和控制机理的设计过程，使得该理论的应用范围大大增加；③模糊控制理论所使用的控制算法是基于实际工业生产控制人员长期工作经验和专家知识总结出的计算机语言。这种算法由于带有人为因素，在一定程度上会降低系统控制性能，但从另一方面讲，这种设计有提高了人工

　　控制技术，提高了系统实用性；④模糊控制理论使用语言变量来描述系统输入输出量，相较于传统数学变量而言，更加有利于在系统内部识别，更加有利于系统升级。

　　模糊化处理：该部分在系统中承担任务是将输入信号转换成相对应模糊语言变量值，然后在传输给推理机进行下一步处理。这里转换后的模糊语言变量值是由相对应隶属度来直接定义的，以达到系统对变量值的要求。推理机：该部分主要承担控制规则的给出，通过分析系统当前状态，以确定其对应的控制规则，从而确定被控对象的输入，它在系统中起到承前启下的作用。

　　去模糊化处理：推理机所给出的信号必须经过转化才能作为被控对象的输入，所以去模糊化处理之后的信号将直接传输给执行机构，由它来直接控制被控对象。

　　任何一次模糊控制过程就是这三个环节相互作用的结果，这期间只需要重点分析隶属度函数的具体形式，然后将函数模糊化即可。之后研究人员或者专业技术人员根据模糊化后的隶属度函数分析推理出相关结论，并利用适当方法将推理得出的信号输送至被控对象。模糊控制发展至今，已经形成了多种用于控制的模糊模型，但应用最为广泛最有效的是 Takagi-Sugeno (T-S) 和 Mamdani两个模糊模型。Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型是由日本高木（Takagi）和杉野（Sugeno）在 1985 年提出的，这种模糊模型属于动态系统的模糊模型学术上又称其为 T-S 模型。早起这种模型主要用于非线性系统辨识方面，随着模型的不断创新与发展，逐渐用于控制非线性系统。与 Mamdani 模糊模型相比，该模型均使用了模糊语言变量描述被控制系统前件部分，区别在于该模型所使用的前件部分本来已经是模糊的，就是根据输入信号给出的一个线性方程，而 Mamdani 模糊模型所使用的前件部分则不是模糊的。T-S 模型每个子系统就是一个“如果-则”模糊规则，所有的子系统经过线性组合后形成整体模糊系统。如果被控对象后件是非模糊的，是精确地，那么我们可以将T-S 模型看作是 Mamdani 模糊模型中的一种，以将其当做是 Mamdani 模糊模型的补充；而 Mamdani 模糊模型则是一种用于模糊控制系统的逻辑模型，它应该是在这一领域应用最早的。该模糊模型的语言变量中，前件和后件均是模糊的，但推理机既可以输入模糊信息，又可以输入精确信息。不过经过 Mamdani 模糊模型系统输出的信息都是模糊集合。这种模型在使用过程中最大的不足之处是不能应用于复杂非线性系统，只能够依靠研究人员经验和技术人员推理，在一定程度上无法保证系统统一性。特别是对于变量多且耦合关系复杂的系统而言，利用Mamdani 模糊模型实现控制更加困难。

3 数控折弯机床系统模糊控制器的研究

　　数控折弯机床系统不论是结构上还是技术上都比较复杂繁琐，特别是加上薄壁件自身特性和系统传送机构加速度、环境温度、伺服器响应速度等因素之后，在时变性、非线性、多参数耦合等易变参数之后，薄壁件折弯加工过程将难以确定科学合理简单的数学模型。数控折弯机床系统在模型构建上使用最多的就是模型控制理论，该系统中最核心部分就是微处理机，以系统控制信息和运动状态信息作为输入模糊控制器的输入，在经模糊化、规则化、去模糊化处理之后，通过 X/Y 轴电极控制传动后完成薄壁件加工。数控折弯机床系统模糊控制器原理图。