电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制方法.pdf

第 卷 年第 期 月.电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制方法刘康宁 赵海生 吴 昊 许衍根(国能铁路装备有限责任公司 河北 沧州)摘 要:研究电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制方法 精准自动化控制机械手 提升机械手的吹扫效果按照级联理论 建立智能除尘机械手外环刚性杆子系统 以及内环关节电机转子子系统组成的机械手级联式动力学模型 并为这两个系统设计外环、内环控制器 通过熵聚类算法 优化卷积神经网络 通过优化后的卷积神经网络 近似获取外环刚性杆子系统的关节角控制量 以及内环关节电机转子子系统的电机转角控制量 将这两个控制量输入外环、内环控制网络中 完成机械手级联式自动化控制 实验结果表明 该方法具有较优的振动抑制效果和较短的收敛时间 且在不同机械手关节柔性刚度时 平均误差较低 证明了该方法可以有效自动化控制机械手的运动轨迹 提高机械手的吹扫效果关键词:电气屏柜 智能除尘 机械手 级联式 自动化控制 神经网络中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:作者简介:刘康宁()男 学士 助理工程师 研究方向为智慧化工厂建设、机车智慧检修等赵海生()男 学士 工程师 研究方向为机车检修、智慧化工厂建设等吴 昊()男 学士 助理工程师 研究方向为电气自动化、机车智慧化检修等许衍根()男 学士 助理工程师 研究方向为机械设计、机车智慧化检修等 引 言随着我国经济飞速发展 铁路机车运力在逐年增加 对于机车检修工作也越来越繁重 机车电气屏柜在机车解体以后 需要对其进行除尘吹扫 再进行下一步检修工艺流程 在较大规模的检修过程 卷中 所有功能的电气屏柜均需进行落车检修 因此在检修工艺流程中 电气屏柜除尘工作成为较重要的一环 目前 基本上采用人工除尘 电气盘柜内粉尘量大 大多为小于 有害粉尘 工作人员长期在这种环境下工作 虽然配备基本防护装备但无法避免吸入有害粉尘 容易诱发职业尘肺病影响身体健康 为解决以上问题 拟研发一种能代替人工除尘的电气屏柜智能除尘方法 采用多台关节式机械手臂联动作业 通过智能控制方法保证多台机械手臂同时动作、互不干涉、碰撞并相互协同作业 提高工作效率及工作范围 确保柜体各种死角均能被清扫 该种作业方式可满足日益增长的检修任务要求 提高车辆检修的自动化和智能化降低工人的劳动强度 改善工人的工作环境张凤英等在机械手连杆长度以及关节角度已知的情况下 按照机械手正运动学解 建立动力学方程 利用级联方法 结合动力学方程 设计线性控制器 完成机械手自动化控制 该方法可有效控制机械手 可行性较强 但该方法控制的前提条件是需要已知机械手连杆长度和关节角度 具有一定的局限性 杨雨佳等通过 网络设计机械手控制器 采用混合蛙跳算法 优化 网络参数 提升机械手控制效果 该方法可有效控制机械手 且控制精度较高 但该种方法无法抑制机械手力矩的振动情况 影响机械手的使用效果 为提升机械手振动抑制效果 研究电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制方法 提升除尘机械手自动化控制效果 机械手级联式自动化控制 电气屏柜智能除尘机械手级联式动力学建模通过载体、刚性杆、机械手 与末端载荷构建电气屏柜智能除尘机械手 和、和的铰接均是柔性旋转关节 在 位姿不受控时 按照级联理论 建立电气屏柜智能除尘机械手的动力学方程为()()()()()()()式中 电气屏柜智能除尘机械手质量矩阵是()载体姿态角 和关节角 构建的列向量是 机械手重力向量是()离心力和科氏力矩阵是()转置符号是 关节角速度、加速度是、机械手关节电机转角是 机械手关节电机转动惯量矩阵是 机械手关节刚度系数矩阵是 机械手关节驱动电机输出力矩是 式()表示电气屏柜智能除尘机械手的刚性杆子系统 式()表示机械手的电机转子子系统 刚性杆子系统的输入是虚拟控制力 为此通过设计 便可获取电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制率通过式()与式()建立电气屏柜智能除尘机械手级联式动力学模型 基于卷积神经网络的除尘机械手自动化控制利用卷积神经网络()逼近误差补偿后 电气屏柜智能除尘机械手刚性杆子系统模型与电机转子子系统模型的输出 的输入是机械手刚性杆子系统模型与电机转子子系统模型的自动化控制误差 利用 网络为刚性杆子系统模型与电机转子子系统模型设计两种控制网络 分别是外环控制网络与内环控制网络 两种网络都采用 网络模式 网络模型中包含一个 个输入层、个卷积层、个输出层 令载体姿态角和关节角构建的期望列向量是 与 间的误差是 即电气屏柜智能除尘机械手的刚性杆子系统关节角自动化控制误差 关节角速度自动化控制误差是 外环控制网络的输入样本是 输出是 即刚性杆子系统模型关节角误差自动化控制结果 内环控制网络的输入样本是 电机转角误差是 期望电机转角是 电机转角速度误差是 电机转角速度与期望速度是、输出是 即电机转子子系统模型的电机转误差角自动化控制结果以外环控制网络为例 在第一个卷积层内输入样本 利用卷积 核进行滤波 的数量是 通过激励函数 处理滤波结果 获取样本特征 并输入第 个卷积层内 利用卷积核 对 进行滤波 的数量是 通过 处理滤波结果 得到样本特征 将 变更成矢量 利用转换关系 获取 网络的输出结果 网络计算主要包含两部分 分别是前向通路与后向回路计算 前者负责计算 网络的输出结果 后者负责更新 网络的权值与偏移量 期刘康宁等:电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制方法各卷积层的输出公式如下:()()式中 输入的关节角自动化控制误差样本数量是 卷积层数量是 卷积运算是 权值是 偏移量是 第 层卷积层内卷积核数量是 第 个卷积核输入的关节角自动化控制误差样本是 外环控制网络的输出为()()()式中 第 个卷积层的输出结果是 外环控制网络内的权值与偏移量是、同理 获取内环控制网络的输出 公式如下:()()()式中 内环控制网络内的权值与偏移量是、激励函数是 反向回路计算负责更新 的权值 与偏移量 设置 网络的损失函数为 ()式中 滑模函数是 电气屏柜智能除尘机械手关节数量是 第 个机械手关节质量是 通过梯度下降法更新 与 公式如下:()()式中 更新后的权值与偏移量是、随机数是 与 的灵敏量是、与 的学习速率是、利用熵聚类算法 确定 网络卷积层内的卷积核数量 提升电气屏柜智能除尘机械手自动化控制效果 网络卷积核数量确定步骤如下:步骤:输入电气屏柜智能除尘机械手自动化控制误差样本集合 步骤:求解机械手自动化控制误差样本 熵值 即计算 内第 个样本点 的熵 公式如下:()()()()()()式中 第 个样本点 与 间的相似度是 与 间的平均距离是 步骤:选取第 个聚类中心 即以 值最小的样本点为 需符合的条件为 ()步骤:样本归类 求解样本间的 将 内和 相似度 超过设置阈值的全部样本划入 集合内 代表以为 聚类中心的机械手自动化控制误差样本集合步骤:剔除孤立点 内与聚类中心较远的样本就是孤立点 设置一个阈值 如果剔除孤立点后 内样本点的数量超过 那么可将 当成聚类中心 修正下一次循环的样本集 在 内剔除 继续步骤 步骤:如果 内的样本点数量低于 那么不可将 当成聚类中心 通过为内的样本点进行标记的方式 剔除下次循环聚类中心候选样本点集内未被标记的样本点 加快聚类速度步骤:在 内聚类中心候选样本点数量小于等于 的情况下 代表熵聚类完成 输出机械手自动化控制误差样本聚类结果 即 网络的卷积核数量 否则 令 返回步骤 进行下次循环 机械手级联式自动化控制的实现利用 网络 设计电气屏柜智能机械手级联式自动化控制方法 该方法的设计原理为依据级联方法 合理设计机械手关节电机驱动力矩控制律令机械手关节角 精准且稳定跟踪设定的期望轨迹 最大程度抑制机械手关节振动情况 电气屏柜智能机械手级联式自动化控制实现的具体步骤如下:步骤:将电气屏柜智能机械手 当成由机械手刚性杆子系统与电机转子子系统构建的级联系统步骤:利用 网络 分别为这两个系统设计外环与内环控制网络步骤:以机械手关节电机转角 为刚性杆子系统的控制变量 设计虚拟的电机转角 完成机械手关节轨迹跟踪控制步骤:考虑机械手关节弹性易出现振动情况设计实际机械手关节电机输出力矩 令 跟踪 就是令机械手关节电机转子子系统反作用于关节力矩()快速跟踪计算获取的弹性力 完成机械手关节振动的抑制 实现电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制 提升自动化控制精度为机械手刚性杆子系统设计外环控制网络 以为控制变量 依据增广变量法的原理 将式()变更成:卷()()()()式中 扩展后的()是()()()扩展后的()是()()()设计外环控制网络的滑模面 公式如下:()式中 外环控制网络的滑模函数是 正定矩阵是 外环控制网络的扩展滑模面为()()()式中 机械手关节角期望加速度是 机械手刚性杆子系统的模型函数是 通过 网络近似获取 令存在理想的权值 与偏移量 则 网络近似结果为()()式中 机械手关节角控制误差是 根据公式()可得 网络的实际输出是则逼近误差为 ()()式中 外环控制网络权值与偏置量的估计误差是、机械手刚性杆子系统的控制率为 ()()()式中 外环控制网络中对称正定常值矩阵是 切换项是 函数是()为机械手关节电机转子子系统设计内环控制网络 为其设计线性滑模面 将式()变更成:()()式中 机械手关节电机转子子系统模型函数是 即理想值 根据式()可得 网络的实际输出是 那么逼近误差是 ()其中 机械手关节电机转角控制误差是 内环控制网络权值与偏置量的估计误差是、机械手关节电机转子子系统的控制率为()()()式中 内环控制网络中对称正定常值矩阵是 切换项是 通过式()与式()完成电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制 实验分析以某机车电气屏柜的智能除尘机械手为实验对象 该机车电气屏柜长度为 米左右 外部裸露的 个面均需通过智能除尘机械手完成吹扫 该机车电气屏柜利用两台灵活的 关节式智能除尘机械手进行电气屏柜吹扫 利用本文方法自动化控制这两台智能除尘机械手 该机车电气屏柜使用的智能除尘机械手的具体参数如表 所示表 智能除尘机械手参数参数参数值机构形态垂直多关节型(轴)重复精度/运动范围噪声等级/防护等级 该智能除尘机械手具备结构紧凑简洁 安装便利 适用范围广 动作流畅 运行稳定、安全、可靠等优势 同时还具有防碰撞系统 在吹扫过程中有效保护电气屏柜 该机车电气屏柜应用的智能除尘机械手示意图如图 所示图 机车电气屏柜智能除尘机械手示意图以其中 台电气屏柜智能除尘机械手为例 利用本文方法级联式自动化控制该电气屏柜智能除尘机械手的关节角 以及关节电机转角 机械手级联式自动化控制结果如图 所示 期刘康宁等:电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制方法图 电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制结果根据图 可知 本文方法可有效实现电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制 机械手关节角的自动化控制结果与期望结果非常接近 同时电机转角自动化控制结果与期望结果也非常接近 说明本文方法可有效自动化控制机械手精准跟踪设定的期望关节角 以及电机转角轨迹利用本文方法控制前后 该机车电气屏柜采用的智能除尘机械手的控制力矩变化曲线如图 所示以其中一台智能除尘机械手为例 分析本文方法的智能除尘机械手级联式自动化控制效果图 本文方法自动化控制前后力矩变化曲线根据图 可知 未应用本文方法自动化控制前 电气屏柜智能除尘机械手的力矩变化曲线存在非常严重的抖动情况 应用本文方法自动化控制后 机械手的力矩曲线非常平稳 无抖动情况 说明本文方法可有效抑制智能除尘机械手吹扫过程中的力矩抖动情况 提升智能除尘机械手的吹扫效果以收敛时间与平均误差 为衡量本文方法的自动化控制效果 收敛时间与平均误差均越小 智能除尘机械手级联式自动化控制效率越快、精度越高最高收敛时间为 最高平均误差为 分析本文方法在不同机械手关节柔性刚度时的收敛时间与平均误差 分析结果如表 所示表 收敛时间与平均误差分析结果机械手关节柔性刚度/(/)智能除尘机械手 智能除尘机械手 收敛时间/平均误差/收敛时间/平均误差/根据表 可知 随着机械手关节柔性刚度的提升 两台智能除尘机械手的收敛时间与平均误差均有所降低 说明适当提升机械手关节柔性刚度 可提升智能除尘机械手级联式自动化控制效果 本文方法自动化控制的最高收敛时间是 最高平均误差是 均未超过设置的最高值 说明本文方法自动化控制的效率较快、精度较高 具备较优的电气屏柜智能除尘机械手级联式自动化控制效果 结 论通过采用基于机械手级联理论和神经网络优化算法的智能除尘机械手控制方法 得出以下结论()有效抑制机械手的振动 实现机械手的精准自动化控制 从而提高机械手的吹扫效率()在控制机械手进行吹扫时 通过机械手的自动化控制方法 精准控制机械手的关节角和电机转角 充分清除尘埃 并提高机械手的吹扫效率和清洁质量()机械手有较短的收敛时间和较低的平均误差 进一步提高机械手的控制精度 使其适用于工作频率高且效率要求较高的清洁作业场合参考文献 .():.梁栋 梁正宇 杨建成 等.提综臂辅助旋铆机械手动力学建模及控制仿真.天津工业大学学报 ():.():.顾大可 唐重建.三连杆机械臂控制系统设计的参数化方法 卷.控制工程 ():.刘志元 孙东阳.含区间铰间隙柔性机械臂控制精度分析.重庆大学学报 ():.张凤英.物联网下并联机械手级联式控制仿真.计算机仿真 ():.杨雨佳 张福泉 王怡鸥.基于仿生群智能优化 神经网络的机械手滑模控制方法研究(英文).机床与液压():.李鹤宇 赵志龙 顾蕾 等.基于深度强化学习的机械臂控制方法.系统仿真学报 ():.鲁文儒 张鑫 张靓 等.基于迭代滑模的机械臂控制策略.电机与控制应用 ():.董玉明 俞立 朱俊威.基于自适应滑模的移动机械臂跟踪控制.控制工程 ():.李德昀 徐德刚 桂卫华.基于时间延时估计和自适应模糊滑模控制器的双机械臂协同阻抗控制.控制与决策():.陈强 丁科新 南余荣.带有输出约束的柔性关节机械臂预设性能自适应控制.控制与决策 ():.刘凌 李志成 张莹.面向双关节机械臂的参数可调 神经网络控制.西安交通大学学报 ():.尚东阳 李小彭 尹猛 等.采用 神经网络辨识的柔性机械臂抑振控制策略.西安交通大学学报 ():.刘晶 普杰信 牛新月.基于神经网络滑模的机械臂轨迹跟踪控制方法.计算机工程与设计 ():.(上接第 页)王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究.沈阳工业大学学报 ():.():.张凤阁 杜光辉 王天煜 等.高速电机发展与设计综述.电工技术学报():.周帆 祖磊 李书欣.高速永磁电机转子碳纤维护套的缠绕张力计算研究.玻璃钢/复合材料():.董剑宁 黄允凯 金龙 等.高速永磁电机设计与分析技术综述.中国电机工程学报 ():.王继强 王凤翔 鲍文博 等.高速永磁电机转子设计与强度分析.中国电机工程学报 ():.肖剑雄 周向 申政.高速永磁电机转子碳纤维护套张力缠绕仿真分析.复合材料科学与工程():.(上接第 页)()采用联立仿真 建立产品电场 磁场的耦合 计算整机输出电压及波形脉冲 同时 针对产品不同部位不同使用环境的状况 进行了部件与部件之间的密封设计 即实现了产品的电气连接也保证了产品的长期可靠运行()设计方案满足产品的技术指标要求 下一步可考虑通过改善稳压 控制算法并优化电路达到提高系统响应时间和调压性能的效果参考文献 秦海鸿 严仰光.多电飞机的电气系统.北京:北京航空航天大学出版社.王毓东.电机学.浙江:浙江大学出版社.陈世坤.电机设计.版.西安:机械工业出版社:.唐任远.现代永磁电机.北京:机械工业出版社:.辜承林 陈乔夫 熊永前.电机学.武汉:华中科技大学出版社.任海英 周波.双凸机起动/发电机系统一体化设计.中国电机工程学报 ():.王成元 夏加宽 孙宜标.现代电机控制技术.北京:机械工业出版社.王兆安 刘进军.电力电子技术.北京:机械工业出版社.微电机(月刊)全年 期 读者可到当地邮局订阅 本刊亦可破订、零购邮发代号:订价:元/期年价:元/年编辑部邮购(含快递费):元/年欢迎投稿!欢迎订阅!欢迎刊登广告!国内刊号:/国际刊号:邮箱:地址:高新区上林苑四路 号()电话: