基于DSP的贴片机的非线性自适应逆控制的研究
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摘要
运动控制技术是SMT贴片机的关键技术之一，现有的商业贴片机运动控制系统基本上使用传统的PID控制器。因为PID控制器结构简单、易于设计。但是，SMT贴片机的贴片头实际上一个四关节的搬运机械手，其动力学方程是具有强耦合、高度非线性和高度不确定性的，使用单纯的PID控制器很难完成期望的运动控制性能要求。隋着现代控制理论的发展，众多控制算法都在尝试解决这个问题。
自适应逆控制理论是一种新颖的方法，是Widrow提出并发展起来的一个还不成熟的理论体系，近几年在一些复杂系统的控制领域取得了丰硕成果，凸显出了其优越性。由于这个理论涉及很多深的数学知识，很多的提法和设想都还是开放的，理论方面的研究的深度和广度还有很大的空间，理论应用方面的研究的深度和广度的空间是巨大的。本论文研究了非线性自适应逆控制理论及贴片机系统，旨在开创出一种新颖的贴片机的自适应逆控制控制方法，也同时给以自适应逆控制理论实证方面的支持，丰富理论体系。
论文给出了一种结构新颖的非线性自适应滤波器进行贴片机自适应建模、逆建模及获得控制器的方法，给出了一种带自适应扰动消除器的非线性自适应逆控制系统，根据自适应逆理论中一些启发式的问题，提出了贴片机同步控制算法以及改进的ε-滤波LMS算法。仿真结果表明，建模方法是先进的，效果是良好的，这种非线性自适应逆控制系统收敛速度非常快，消除扰动能力强。自适应逆控制对对象动态响应的控制和消除扰动的控制是分别进行控制的，二者互不影响，这样就可尽量提高系统动态性能和尽可能消除干扰，设计出的自适应逆控制系统，不仅可以得到了好的动态响应，还使噪声和扰动减小到最小。
最后，论文给出了基于DSP的贴片机的自适应逆控制的开放式控制系统，给出了硬件模块化实现和软件模块化实现。
Motion control is one of the key technologies for SMT mounter. Most commercial mounter system currently equipped with conventional PID controllers due to their simple structure and easy design. In fact, SMT mount-header is a mechanical arm with four joints, and dynamic equations of a mechanical arm are tightly coupled, highly nonlinear and uncertain. Using a PID control, however, it is difficult to achieve a motion control performance. With the development of modern control theories, more and more control methods are applied to solving this problem.
The adaptive inverse control theory is a novel method that is yet not mature and perfect theory system proposed and developped by Widrow. In recent years, it's research has yielded the substantial result in some control fields of complex system, so its superiority was displayed sharply. Because this theory involves a lots profound mathematics knowledge, many formulations and conceive is yet open, which the depth and the breadth of the theory research have also the very big space, and the depth and the breadththe theory application research have huge space.
The paper has studied the non-linear adaptive inverse control theory and mounter system, aiming at inaugurating a novel adaptive inverse control method for mounter, also simultaneously gives adaptive inverse control theory demonstration support and rich the theory system.
The paper presented a novel method that has used structure of nonlinear adapted filter to carry mounter adaptive plant modelling, the inverse modelling and obtained the controller, and presented one kind of non-linear adaptive inverse control system with a adaptive noise canceller. According to the adaptive inverse theory in some heuristic questions, proposed mounter's synchronization control algorithm as well as improved the filtered-εLMS algorithm. The simulation result indicated that the modelling method is advanced and the effect is good. This kind of non-linear adaptive inverse control system convergence speed is extremely fast, and eliminates the perturbation ability is very strong. The control of plant's dynamic response and plant's disturbance erasion is respectively done. They don't impact each other. that may enhance the system dynamic performance and the as far as possible interference elimination. The designed adaptive inverse control system, not only was allowed to obtain the good dynamic response, butalso caused the noise and the perturbation reduces to minimum.
Finally, the paper presented a type of open motion control system with adaptive inverse control based on DSP , and presented the hardware modulation realization and the software modulation realization.
自适应逆控制理论是一种新颖的方法，是Widrow提出并发展起来的一个还不成熟的理论体系，近几年在一些复杂系统的控制领域取得了丰硕成果，凸显出了其优越性。由于这个理论涉及很多深的数学知识，很多的提法和设想都还是开放的，理论方面的研究的深度和广度还有很大的空间，理论应用方面的研究的深度和广度的空间是巨大的。本论文研究了非线性自适应逆控制理论及贴片机系统，旨在开创出一种新颖的贴片机的自适应逆控制控制方法，也同时给以自适应逆控制理论实证方面的支持，丰富理论体系。
论文给出了一种结构新颖的非线性自适应滤波器进行贴片机自适应建模、逆建模及获得控制器的方法，给出了一种带自适应扰动消除器的非线性自适应逆控制系统，根据自适应逆理论中一些启发式的问题，提出了贴片机同步控制算法以及改进的ε-滤波LMS算法。仿真结果表明，建模方法是先进的，效果是良好的，这种非线性自适应逆控制系统收敛速度非常快，消除扰动能力强。自适应逆控制对对象动态响应的控制和消除扰动的控制是分别进行控制的，二者互不影响，这样就可尽量提高系统动态性能和尽可能消除干扰，设计出的自适应逆控制系统，不仅可以得到了好的动态响应，还使噪声和扰动减小到最小。
最后，论文给出了基于DSP的贴片机的自适应逆控制的开放式控制系统，给出了硬件模块化实现和软件模块化实现。
Motion control is one of the key technologies for SMT mounter. Most commercial mounter system currently equipped with conventional PID controllers due to their simple structure and easy design. In fact, SMT mount-header is a mechanical arm with four joints, and dynamic equations of a mechanical arm are tightly coupled, highly nonlinear and uncertain. Using a PID control, however, it is difficult to achieve a motion control performance. With the development of modern control theories, more and more control methods are applied to solving this problem.
The adaptive inverse control theory is a novel method that is yet not mature and perfect theory system proposed and developped by Widrow. In recent years, it's research has yielded the substantial result in some control fields of complex system, so its superiority was displayed sharply. Because this theory involves a lots profound mathematics knowledge, many formulations and conceive is yet open, which the depth and the breadth of the theory research have also the very big space, and the depth and the breadththe theory application research have huge space.
The paper has studied the non-linear adaptive inverse control theory and mounter system, aiming at inaugurating a novel adaptive inverse control method for mounter, also simultaneously gives adaptive inverse control theory demonstration support and rich the theory system.
The paper presented a novel method that has used structure of nonlinear adapted filter to carry mounter adaptive plant modelling, the inverse modelling and obtained the controller, and presented one kind of non-linear adaptive inverse control system with a adaptive noise canceller. According to the adaptive inverse theory in some heuristic questions, proposed mounter's synchronization control algorithm as well as improved the filtered-εLMS algorithm. The simulation result indicated that the modelling method is advanced and the effect is good. This kind of non-linear adaptive inverse control system convergence speed is extremely fast, and eliminates the perturbation ability is very strong. The control of plant's dynamic response and plant's disturbance erasion is respectively done. They don't impact each other. that may enhance the system dynamic performance and the as far as possible interference elimination. The designed adaptive inverse control system, not only was allowed to obtain the good dynamic response, butalso caused the noise and the perturbation reduces to minimum.
Finally, the paper presented a type of open motion control system with adaptive inverse control based on DSP , and presented the hardware modulation realization and the software modulation realization.
引文
[1] 龙绪明 主编．现代实用电子SMT设计制造技术(增补版)．四川省电子学会SMT专委会，2002
[2] 徐荣华 SMT装备自动定位系统研究及应用开发 广东工业大学硕士学位论文 2003
[3] 王耀南 著 机器人智能控制工程 科学出版社 2004
[4] 卢志刚 吴士昌 于灵慧著 非线性自适应逆控制及其应用 国防工业出版社 2004
[5] 吕汉兴 主编 自动控制原理 华中科技大学出版社 2003
[6] 杜娟．表面贴装设备的运动控制分析．广东自动化与信息工程，2004
[7] 彭占勇．影响表面贴装产品质量的因素及其控制方法．电子工艺技术，2000
[8] 蔡自兴 机器人学 清华大学出版社 2000
[9] 张贤达 著 现代信号处理 清华大学出版社 2003
[10] [美]Widrow，[以色列]E．Walachl刘树棠 韩崇昭译 自适应逆控制 西安交通大学出版社 2000
[11] 邹艳碧 高鹰 自适应滤波算法综述 广州大学学报(自然科学版)2002
[12] 柴天佑 多变量自适应解耦控制及应用 科学技术出版社 2001
[13] [荷兰]朱豫才 著 张湘平 虞水俊 孙志强 译 过程控制的多变量系统辨识国防科技大学出版社 2005
[14] 王诗必．多变量控制系统的分析和设计．北京：中国电力出版社 1999
[15] 杨帆 SMT贴片机的运动控制研究 西南交通大学硕士学位论文 2006
[16] 从爽 李泽湘 编著 运动控制技术 电子工业出版社 2006
[17] M.J. Shensha. Non-Wiener Solutions of the Adaptive. Noise Canceller with a Noisy Reference. IEEE Trans. Acoust, 1980,28:468
[18] B. Widrow. AdaptiveNoiseCancellingCancellingPrinciplesandApplications. Proc. IEEE, 1975,63(12):1692-1716
[19] B. Widrow, J.M. Mccool. A Comparison of Adaptive Algorithms Based on the Methods of Steepest Descent and Random Search. IEEE Trans. Antennas Propag, 1976, 24(5): 615-637
[20] [日]大熊 繁 编著 机器人控制 科学出版社OHM社2002
[21] 薛定宇 陈阳泉 著 基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用 清华大学出版社 2004
[22] 龙绪明 高精度视觉贴片机计算机控制系统 电子工业专用设备 1996．1-vol．25
[23] 张晓华 主编 控制系统数字仿真与CAD 机械工业出版社 2003
[24] 李国勇 编著 智能控制及其MATLAB实现 电子工业出版社 2005
[25] 戴先中 多变量非线性神经网络逆控制方法 科学出版社 2005
[26] 陈永春 著 从Matlab／Simulink模型到代码的实现 清华大学出版社 2002
[27] L. LJung. System Identification. MA:Addison-Wesley, 1989
[28] TMS320LF2407 DSP Controllers Evaluation Module Technical Reference [Z]. Texas Instrument, 1999
[29] 邓星钟 主编 机电传动控制 华中科技大学出版社 2000
[30] B. Widrow and Gregory L. Plett. Adaptive Inverse Control based on. Linear and Nonlinear AdaptiveFiltering. IEEE. pp. 30-38, 1996.
[31] Gregory L. Plett. Adaptive Inverse Control of Plants with Disturbances. (D) May 1998
[32] B. Widrow, Max Kamenetsky. "On the Statistical Efficiency of the LMS Family of Adaptive Algorithms". in Proc. IEEE Joint Conf. Neural Networks, Portland, July 2003, vol. 4, pp. 2872-2880
[33] W. Bode and C. E. Shannon "A simplified derivation fo linear least square smoothing and prediction theory". In Proc. IRE, Vol. 38(April 1950), pp. 417425
[34] 沈福民．自适应信号处理．西安电子科技大学出版社，2001
[35] 罗磊，王石刚等．表面贴装关键技术综述．组合机床与自动化加工技术，2003
[36] 张兴华，戴先中．基于逆系统方法感应电机调速控制系统，控制与决策．2000
[37] 党映农，韩崇昭．基于Volterra基函数网络的自适应逆控制方法，西安交通大学学报，2000，34(9)，8-12．
[38] M．S博格著，余庆余译．非线性与泛函分析．北京：科学出版社，1989
[39] 王国华 X—Y精密工作台电控系统的研制 长春理工大学 2003
[40] Jerry L. Fausz, Vijay Sekhar Chellaboina. and Wassim M. Haddad. Inverse optimal adaptive control for nonlinear uncertain system with exogenous disturbances, Int. J. Adapt Control Signal process. 2000, 14, 1-38
[41] 张桌奎 陈慧婵 编著 随机过程 西安电子科技大学出版社 2003
[42] 滕应杰．面向21世纪的表面安装技术．电子工艺技术，1999
[43] 王德贵．迎接21世纪的表面组装技术．电子工艺技术，1999
[44] 徐大林．表面贴装工艺(SMT)其趋势和未来．电子器件，1999
[45] 丁玉美 高西全 编著 数字信号处理 西安电子科技大学出版社 2003
[46] [美]John G. Ackenhusen 著 Real-Time Signal Processing: Design and Implemengtation of Signal Prbcessing System publishing House of Electronics Industry 2002
[47] 薛定宇 著 控制系统仿真与计算机辅助设计 机械工业出版社 2005
[48] S. Haykin. Adaptive Filter Theory. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1986
[49] WidrowB. Adaptive inverse control and neural lnet works [A].IJCNN. 99[C].WashingtonDC, 1999.215-220
[50] 李爱军，王新民，刘惠英等．非线性系统的神经网络自适应逆控制．测控技术2002年第2卷第11期．p61-63
[51] 鲜飞．表面贴装技术的新发展．电子元件与材料，2002
[52] 王晓黎，白波．表面贴装领域中的可制造性设计技术．电子工艺技术，2005
[53] 韩九强 编 MATLAB高级语言在控制系统中的应用 西安交通大学出版社 1997
[54] 刘宇 罗安．基于双端口RAM的PCI总线与DSP的接口设计[J]．计算技术与自动化，2004
[55] S. Shaffer. Adaptive Inverse-model Control. Stanford University, 1982
[56] Naoyuki Takesue, Junji Furusho, and Masamichi SakaguchiPrecise Position Control of Robot Arms Using a Homogeneous ER Fluid IEEE Control Systems April 1999
[57] 新瑞 工石刚 沈涛 关柏青 贴片机系统中贴装头位置图像校准研究．光学仪器 vol．24，no．6，Dec．2002
[2] 徐荣华 SMT装备自动定位系统研究及应用开发 广东工业大学硕士学位论文 2003
[3] 王耀南 著 机器人智能控制工程 科学出版社 2004
[4] 卢志刚 吴士昌 于灵慧著 非线性自适应逆控制及其应用 国防工业出版社 2004
[5] 吕汉兴 主编 自动控制原理 华中科技大学出版社 2003
[6] 杜娟．表面贴装设备的运动控制分析．广东自动化与信息工程，2004
[7] 彭占勇．影响表面贴装产品质量的因素及其控制方法．电子工艺技术，2000
[8] 蔡自兴 机器人学 清华大学出版社 2000
[9] 张贤达 著 现代信号处理 清华大学出版社 2003
[10] [美]Widrow，[以色列]E．Walachl刘树棠 韩崇昭译 自适应逆控制 西安交通大学出版社 2000
[11] 邹艳碧 高鹰 自适应滤波算法综述 广州大学学报(自然科学版)2002
[12] 柴天佑 多变量自适应解耦控制及应用 科学技术出版社 2001
[13] [荷兰]朱豫才 著 张湘平 虞水俊 孙志强 译 过程控制的多变量系统辨识国防科技大学出版社 2005
[14] 王诗必．多变量控制系统的分析和设计．北京：中国电力出版社 1999
[15] 杨帆 SMT贴片机的运动控制研究 西南交通大学硕士学位论文 2006
[16] 从爽 李泽湘 编著 运动控制技术 电子工业出版社 2006
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[29] 邓星钟 主编 机电传动控制 华中科技大学出版社 2000
[30] B. Widrow and Gregory L. Plett. Adaptive Inverse Control based on. Linear and Nonlinear AdaptiveFiltering. IEEE. pp. 30-38, 1996.
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[32] B. Widrow, Max Kamenetsky. "On the Statistical Efficiency of the LMS Family of Adaptive Algorithms". in Proc. IEEE Joint Conf. Neural Networks, Portland, July 2003, vol. 4, pp. 2872-2880
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[34] 沈福民．自适应信号处理．西安电子科技大学出版社，2001
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[39] 王国华 X—Y精密工作台电控系统的研制 长春理工大学 2003
[40] Jerry L. Fausz, Vijay Sekhar Chellaboina. and Wassim M. Haddad. Inverse optimal adaptive control for nonlinear uncertain system with exogenous disturbances, Int. J. Adapt Control Signal process. 2000, 14, 1-38
[41] 张桌奎 陈慧婵 编著 随机过程 西安电子科技大学出版社 2003
[42] 滕应杰．面向21世纪的表面安装技术．电子工艺技术，1999
[43] 王德贵．迎接21世纪的表面组装技术．电子工艺技术，1999
[44] 徐大林．表面贴装工艺(SMT)其趋势和未来．电子器件，1999
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[46] [美]John G. Ackenhusen 著 Real-Time Signal Processing: Design and Implemengtation of Signal Prbcessing System publishing House of Electronics Industry 2002
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[50] 李爱军，王新民，刘惠英等．非线性系统的神经网络自适应逆控制．测控技术2002年第2卷第11期．p61-63
[51] 鲜飞．表面贴装技术的新发展．电子元件与材料，2002
[52] 王晓黎，白波．表面贴装领域中的可制造性设计技术．电子工艺技术，2005
[53] 韩九强 编 MATLAB高级语言在控制系统中的应用 西安交通大学出版社 1997
[54] 刘宇 罗安．基于双端口RAM的PCI总线与DSP的接口设计[J]．计算技术与自动化，2004
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[56] Naoyuki Takesue, Junji Furusho, and Masamichi SakaguchiPrecise Position Control of Robot Arms Using a Homogeneous ER Fluid IEEE Control Systems April 1999
[57] 新瑞 工石刚 沈涛 关柏青 贴片机系统中贴装头位置图像校准研究．光学仪器 vol．24，no．6，Dec．2002