工业自动化的下一个发展自感知运动控制

运动控制工程_运动控制技术_工控运动控制

工业自动化的下一步发展将要求机器独立调整其性能参数以完成工厂操作员分配的任务,或者根据提高生产力的人工智能观察算法的输入重新配置自身来优化其行为。 自我意识机器的价值在于其能够最大限度地提高生产率、延长设备寿命并降低维护成本。

自我意识运动控制之旅

自我意识是指系统基于对系统功能和系统性能目标的理解而了解系统本身。 事实上,自感应运动控制系统需要实现多个控制回路,这些控制回路可以解释传感器输入和所需的系统参数,并提供将其自身的操作行为与所需的系统性能进行比较的能力。 为了实现这些目标并创建一个自我感知的运动控制系统,有必要创建一个自适应运动控制代理来监视系统的动作并根据驱动系统的运行环境动态调整其性能。

本文的重点是提供一种方法来实现自感知运动控制系统,使用自主代理来检测和监控不断变化的工作环境条件。 这些条件源自一系列嵌套闭环实时性能模型,这些模型从现场级驱动器获取运动参数。 一旦导出了驱动系统的电气和机械模型,该模型就可以用于比较和调整自动化金字塔的监督、规划或管理所需的系统性能(图 1)。 当自动化金字塔的监控部分之上的任何层对新的系统性能提出要求时,一组新的控制参数将被传递到运动控制系统的自适应控制部分。 然后系统通过调整其性能来响应新的性能请求。

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图 1:自动化金字塔。

实施自感应运动控制系统的两个主要优点是能够实时自动调整和最大化运动控制系统性能。 这一新功能为自动化金字塔的监督、规划和管理提供了通过提高生产率来调节自感知运动控制系统的机会。

让我们检查一下自感电机控制概念图,以更好地理解实现该概念图所需的四个基本要素。

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自我感知运动控制概念图

为了实现这种水平的自感知运动控制,需要开发控制系统图。 图 2 说明了成功实现自感知运动控制所需的四个关键要素。

要素 1:目标或使命

为了实现这一目标,系统需要建立明确的目标或任务。 在本文后面描述的示例中,这意味着以尽可能最佳的方式将啤酒杯从 A 点移动到 B 点,以免溢出任何啤酒。

要素 2:所需的系统行为

一旦建立了这个目标,自我感知运动控制图的下一个级别就会启动所需的运动行为。 以我们的啤酒杯为例,采用直线运动来移动啤酒杯,同时自动调整其运动,以在机械系统要求的控制安全限度内补偿啤酒杯的不同重量和尺寸。

一旦目标和期望的系统行为确定,自适应控制引擎通过自动调整运动控制驱动器及其集成机械系统,动态驱动核心驱动系统的运动学与其支持机械系统之间的收敛,以在其独特的实现中实现最佳性能在工作环境中运行时的最佳操作性能。

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图 2:自感应电机控制的概念图。

要素三:核心驱动系统

自感知运动控制系统的核心是其运动学。 挑战在于观察、学习和监控电机和驱动系统的性能。 为了创建驱动系统的工作模型,需要实现一个智能观察器,以从根本上了解其运动参数及其物理限制。 这可以通过使用专用位置传感器的磁场定向控制 (FOC) 或无传感器 FOC 方法来实现,了解电机在操作环境中如何受力和反应。 通过监测并自动调整电机转矩磁通电流环、速度环和位置环的控制参数值,我们可以优化驱动系统响应。 一旦收集到这些信息的数据报并将其馈送到智能观察器中,就可以实施优化算法来确保计算这些运动控制参数,并且基本运动控制算法收敛到一组最佳运动参数(图 3)。 现在已经创建了间接运动模型来建模和优化驱动系统的运动,我们可以通过引入自适应控制引擎来实现更高水平的自感知运动控制解决方案。

该视频提供了 Trinamic(现为 ADI 的一部分)的典型自动调整工具,可实现优化的运动控制值。

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图3:转矩磁通电流环、速度环和位置环的监控和自动调节。

要素 4:自适应控制

基于我们系统的运动学和 FOC 自动调整功能,我们现在可以专注于实现自感知运动控制的新水平 – 自适应控制引擎。 下一阶段的智能运动重点是向自适应控制引擎提供所需的系统行为(图 4)。 该系统行为由生产员工或工厂主管提供,或者由人工智能生产力算法通过其智能传感器网络收集工厂数据生成。 一旦所需的行为被传递到自适应控制引擎,自我感知运动控制系统就开始动态地重新配置驱动系统的操作参数以匹配所需的系统行为。 这些期望行为的一些示例是通过在安全模式下运行来增加工厂吞吐量或延长电机寿命的请求。 当运动控制系统自动调整其运动控制参数以达到新的期望性能水平时,自适应控制系统持续监控闭环系统以维持其期望的性能水平。 即使由于机械系统磨损或电机工作环境变化而导致驱动系统发生变化,这种状态也会保持。 该系统现已达到自感知运动控制的最佳水平。

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图 4:自适应控制模型。

也许演示此概念的最佳方式是使用现实生活中的示例(图 5)。 这个例子与所有啤酒爱好者相关,他们希望确保他们的啤酒泡沫杯可以从酒吧的一端传递到调酒师,而在此过程中不会洒出一滴啤酒。 让我们看看这个示例如何与实现自感知运动控制系统相关。 此任务的目标是尽快将啤酒从调酒师(A 点)送到坐在酒吧另一端的顾客(B 点),且不洒出一滴啤酒。 在这种情况下,工厂系统是一个内置重量检测器的杯架,可以检测各种尺寸的啤酒杯的重量,并使用线性电机将它们从酒吧的一端移动到另一端。

让我们考虑一下这个例子:自感应运动控制系统有助于在尽可能短的时间内将啤酒送到顾客手中,但如果顾客将空或半空的啤酒杯归还给顾客,它也可以自动调整其速度和性能。杯架。 ,将啤酒杯退还给调酒师以补充或丢弃。 如果调酒师使用不同尺寸的酒杯为顾客提供其他类型的饮料,该系统还可以用来调整他们的表现。

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图 5:运行中的自感知运动控制示例(不同的有效负载质量)。

虽然这听起来像是科幻小说,但自感知运动控制技术的发展正在为其首次亮相进行微调。 人们可以想象一家完全基于使用自感应电机和智能传感器的设备的工厂。 这样的革命性工厂将拥有先进的能力,能够自我纠正可能的设备故障,自动调整生产流程以最大限度地提高生产率,并延长整个工厂设备的使用寿命。 欢迎来到令人兴奋的自传感运动控制新世界和工业革命的下一步!

作者:Jeff DeAngelis,来源:EDN 姐妹网站《电力电子新闻》

参考原文:

工业自动化的下一步发展:自我感知运动控制,由 Franklin Zhu 编译。