CN101875173A - 电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床及控制方法，包括床身和可以与床身做相对移动的龙门横梁，床身和龙门横梁之间设置有直线推进***；在龙门横梁上还设置有使龙门横梁在床身上悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁设置在龙门横梁上朝向床身底沿的一侧，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁与控制***连接。该方法通过电涡流式位移传感器对龙门横梁的悬浮情况进行采样，由DSP控制器对该信息与预先设定的信息进行比较计算后，再通过D/A转换器和功率放大器对龙门横梁上的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁进行准确的调整，完成对龙门横梁悬浮情况的控制。本发明简洁合理，实用性强，比较适合应用在数控加工技术领域。

Description

电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床及其控制方法

技术领域：本发明提供一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，本发明属于数控加工技术领域，特别涉及一种镗铣床龙门悬浮装置及其遗传算法实时整定控制器参数的控制方法。

背景技术：随着科技产业的不断发展，工业制造过程中对高加工精度和效率的要求不断提高，因此非接触式的磁悬浮***愈加广泛地应用在各种制造设备中。龙门移动式数控镗铣床是重要的、且最具代表性的大型加工设备之一，在龙门移动式数控镗铣床中，移动的龙门横梁和床身导轨之间存在着摩擦，这种摩擦的存在有百害而无一利。而要想从根本上彻底解决摩擦问题，唯有把两个相对运动的接触面分离开来，不直接发生接触。也就是说，把具有一定重量的运动体悬浮起来，这才是解决摩擦问题的根本出路。为此采用电磁悬浮技术通过磁场力将移动的龙门悬浮起来，由直线电机驱动龙门框架运动，可实现无摩擦运行。

与传统的移动式龙门相比，磁悬浮龙门具有无机械摩擦、无接触磨损和无需润滑的优点。由于相对运动表面间没有接触，因而彻底消除了爬行现象，没有因磨损和接触疲劳所产生的精度下降和寿命问题，而电子元件的可控性优于机械零件，使得其可控性高于传统的移动式龙门；而且省掉了静压导轨必需的庞大油路辅助设备，对环境不产生污染，降低了超洁净防尘条件；由于磁悬浮式龙门采用了主动控制，可提高数控机床的信息处理能力，如工况检测、预报和故障诊断。而且磁悬浮式龙门有工作温度范围大、维护简单、寿命长等优点。但要将磁悬浮技术应用到大型龙门移动式机床的横梁悬浮上，还有不少关键技术等待解决，在这里，由于被悬浮的横梁的质量较大、加工时对悬浮高度的严重干扰、要求悬浮高度的动、静态精度很高、而且***要有高刚度、能够超低速进给等，这与其它领域中对悬浮***所要求的性能有重大区别。这些特殊性要求给本悬浮***的研究工作提出了十分苛刻的要求，对控制技术提出了严峻的挑战。与磁悬浮列车相比，磁悬浮列车对于悬浮高度的精确性没有太高的要求，因为需要载人，要求舒适、安全和稳定即可。磁悬浮控制的数控机床移动部件除了要求高速驱动外，还要求高精度支承和定位，特别是在低速微进给状态下精加工，对磁悬浮高度的精确性、刚度和鲁棒性就有非常高的要求。

发明内容：

发明目的：本发明提供一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床及其控制方法，其目的是解决以往的移动的龙门横梁和床身导轨之间存在的着摩擦以至于影响工作效率的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，主要包括床身和可以与床身做相对移动的龙门横梁，所述床身和龙门横梁之间设置有驱动龙门横梁与床身做相对移动的直线推进***，其特征在于：在所述龙门横梁上还设置有使龙门横梁在床身上悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁设置在龙门横梁上朝向床身底沿的一侧，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁与控制***连接，所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁为带有永磁磁极的缠有通电线圈的磁体；所述永磁磁极设置在靠近床身底沿的位置。

所述直线推进***为永磁直线同步电动机，该永磁直线同步电动机的动子设置在龙门横梁上，其定子固定在床身上；在所述龙门横梁与床身之间还设置有导向电磁铁，所述导向电磁铁设置在龙门横梁上朝向床身两侧的位置上。

所述控制***包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A转换器、A/D转换器、功率放大器和电涡流式位移传感器；所述JTAG仿真器连接至DSP控制器，DSP控制器连接至D/A转换器，D/A转换器连接至功率放大器，功率放大器连接至电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁的通电线圈和导向电磁铁的通电线圈；所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁与床身之间设置有电涡流式位移传感器，所述导向电磁铁与床身之间也设置有电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器通过A/D转换器连接至DSP控制器。

一种控制上述的采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床的控制方法，其特征在于：该方法先将一对永磁铁，利用线圈绕组缠绕形成控制龙门横梁悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，然后通过控制***中的电涡流式位移传感器对龙门横梁的悬浮情况进行采样，然后将信息通过A/D转换器传输进DSP控制器内，由DSP控制器对该信息与预先设定的信息进行比较计算后，再通过D/A转换器和功率放大器对龙门横梁上的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁进行准确的调整，完成对龙门横梁悬浮情况的控制。

所述控制方法的具体步骤如下：

步骤一、DSP控制器进行***初始化；

步骤二、检测该采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床是否有结束请求信号；如果有结束请求信号转到步骤十三；如果没有结束请求信号则继续；

步骤三、检测整个采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床是否有中断请求信号；

步骤四、如果没中断请求信号，则等待中断，转回步骤三；

步骤五、如果中断到来，读数，并启动模数转换器，将电涡流式位移传感器所采集的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)的信息通过模数转换器传输进DSP控制器内；

步骤六、在DSP控制器内进行基于遗传算法整定PID参数的控制算法计算；

步骤七、检测结果是否有溢出；

步骤八、如果有溢出，取极值，返回步骤七；

步骤九、如果没有溢出，检测结果是否为正值；

步骤十、如果结果是否为负值，取反；

步骤十一、如果结果是否为正值，将结果进行数模转换后并通过功率放大器输出；

步骤十二、中断返回，转回步骤二。

步骤十三、结束。

所述“步骤六”中的基于遗传算法整定PID参数的控制算法的具体步骤为：

步骤一、定义变量，初始化参数。

步骤二、随机产生n个个体构成初始种群P(0)；

步骤三、计算目标函数值。将种群中各个体解码对应的参数值，用此参数来求目标函数值J。

步骤四、计算适应度函数值f，取

并排序；

步骤五、进行确定式采样选择。

步骤六、进行单点交叉。

步骤七、均匀变异。产生下一代种群。

步骤八、检测遗传代数是否满足设定值？如果不满足，转回到步骤三。

步骤九、结束。

所述采用遗传算法在线实时整定PID控制器参数，选择最优指标为：

$J={\∫}_0^{\∞}\left(w_1\right|e\left(t\right)|+w_2{u}^2\left(t\right))\mathrm{dt}+w_3\·t_u$

式中，e(t)为***误差，u(t)为控制器输出，t_u为上升时间，w₁，w₂，w₃为权值。为了避免超调，采用了惩罚功能，即一旦产生超调，将超调量作为最优指标的一项，此时最优指标为：

$\mathrm{if\; ey}\left(t\right)<0J={\&Integral;}_0^{\&infin;}\left(w_1\right|e\left(t\right)|+w_2{u}^2\left(t\right)+w_4|\mathrm{ey}\left(t\right)\left|\right)\mathrm{dt}+w_3\&CenterDot;t_u$

式中，w₃为权值，且w₄＞＞w₁，ey(t)＝y(t)-y(t-1)，y(t)为被控对象输出。

且遗传算法在线实时整定PID控制器参数时，采用确定式采样选择和单点交叉方式。

优点及效果：本发明提供一种采用采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，主要包括床身和可以与床身做相对移动的龙门横梁，所述床身和龙门横梁之间设置有直线推进***；在所述龙门横梁与床身之间还设置有电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁与控制***连接。

该控制方法先将一对永磁铁，利用线圈绕组缠绕形成控制龙门横梁悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，然后通过控制***中的电涡流式位移传感器对龙门横梁的悬浮情况进行采样，然后将信息通过A/D转换器传输进DSP控制器内，由DSP控制器对该信息与预先设定的信息进行比较计算后，再通过D/A转换器和功率放大器对龙门横梁上的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁进行准确的调整，完成对龙门横梁悬浮情况的控制。

在机床行业，为了适应高速和精确切削的需要，优良的控制***可使磁悬浮***具有强大的功能，控制器的设计是一项颇具挑战性的工作。原因在于，工程实践中，磁悬浮***的精确模型往往难以得到，有时即使建立了精确模型，也因过于复杂而必须简化。随着***工作条件的变化和控制元件的老化或损坏，受控对象的特性也会随之发生变化，从而偏离设计时所依据的标称特性。对于高速加工来说，切削过程中因工件表面及材料硬度不均匀、刀具锐度及切削深度变化均会时常导致切削条件发生变化。此外，在许多工况下，仅知道噪声或外界扰动属于某个集合而并不知道其确切特性。所以对于整个机床来说，磁悬浮控制***不仅要维持稳定运行，还需要适应不同的运行条件，而且要能够应付各种突发事故。磁悬浮的控制***必须对这些不确定因素具有良好的适应能力。在加工过程中，一方面可通过在线实时调节控制器参数优化控制***，另一方面可利用被控***的输入输出信息，对机床运行状态进行在线监控。综上所述，磁悬浮控制***性能是决定整个***动、静态性能的关键因素，而合理地设计控制器及控制装置对于确保***稳定性及可靠性具有至关重要的意义。

本发明的优点在于，磁悬浮***采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，对于大型数控镗铣床龙门磁悬浮***，在稳定时流过悬浮磁极的电流会较大，使悬浮磁极的功耗也很大。故采用永磁与电磁混合悬浮***可以借助永磁铁提供的磁力可以保持***的静态平衡，从而显著降低悬浮电源的容量，大大地减少了***的功率损耗。磁悬浮控制装置采用以DSP器件为核心的数字控制***，从而具有非常快的数据处理能力和良好的扩展能力，克服了模拟控制器和以单片机为核心的数字控制器的缺陷；并保证计算和控制的实时性；从而确保悬浮间隙高度及刚度特性，能经受住各种耦合干扰和负载扰动，且具有强鲁棒性，最后实现了显著减小摩擦的目的。

另外，由于磁悬浮***本身已经是不稳定***，悬浮磁极加上永磁部分后，***的不稳定因素增加。同时，用于承载主轴***的龙门悬浮***是一个高精度高刚度磁悬浮高度定位***，这是一个复杂的非线性控制***，作为高精度的加工母机，机床加工时，无疑是对悬浮***造成一个强干扰，如何快速消除对悬浮高度的影响，使悬浮***具有高刚度，保持强鲁棒性，确保加工精度，这是必须要解决的控制问题。

另外，本发明的控制方法中，PID控制是工业控制中应用最广的策略之一，而DSP处理器内的PID控制器参数的优化直接影响控制效果的好坏，并和***的安全、经济运行有着密不可分的关系。本发明采用遗传算法的控制法来进行参数寻优，该方法是一种不需要任何初始信息并可以寻求全局最优解的、高效的优化组合方法。

采用遗传算法控制法进行PID控制器三个系数的整定，具有以下优点：

(1)与专家整定法相比，它具有操作方便、速度快的优点，不需要复杂的规则，只通过字串进行简单地复制、交叉、变异，便可达到寻优。避免了专家整定法中前期大量的知识库整理工作及大量的仿真实验。

(2)遗传算法控制法是从许多点开始并行操作，在解空间进行高效启发式搜索，克服了从单点出发的弊端及搜索的盲目性，从而使寻优速度更快，避免了过早陷入最优解。

(3)遗传算法控制法不仅适用于单目标寻优，而且也适用于多目标寻优。根据不同的控制***，针对一个或多个控制目标，遗传算法均能在规定的范围内寻找合适参数。

(4)遗传算法控制法在不需要给出调节器初始参数的情况下，仍能寻找到合适的参数，使控制目标满足要求。

附图说明：

图1表示本发明的整体结构示意图；

图2表示本发明电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁的结构示意图；

图3表示本发明的控制***的结构框图；

图4表示本发明DSP控制器与模数转换器和数模转换器的连接电路；

图5表示本发明DSP控制器与JTAG仿真器的连接电路图；

图6表示本发明的功率放大器内的PWM波形发生电路图；

图7表示本发明的功率放大器内的光电隔离电路、功率驱动电路和悬浮***电路图；

图8表示本发明的DSP控制器内的主程序控制流程图。

图9表示本发明的DSP控制器内的遗传算法整定PID参数主程序控制流程图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明提供一种采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，主要包括床身6和可以与床身做相对移动的龙门横梁2，所述床身6和龙门横梁2之间设置有推进龙门横梁2与床身做相对移动的直线推进***3；在所述龙门横梁2上还设置有电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5设置在龙门横梁2上朝向床身6底沿的一侧，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5与控制***连接。图1中标号1为主轴伺服单元，7为工作台，8为刀具。

所述直线推进***3为永磁直线同步电动机，该永磁直线同步电动机的的动子设置在龙门横梁2上，其定子固定在床身6上；在所述龙门横梁2与床身6之间还设置有导向电磁铁4，所述导向电磁铁4设置在龙门横梁2上朝向床身6两侧的位置上，导向电磁铁4用来控制龙门横梁2按照预定的移动轨迹前进，通过在朝向床身6两侧的位置限位，使龙门横梁2其不偏离前进的轨道移动。

如图2所示，所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5为带有永磁磁极的缠有通电线圈的磁体；所述永磁磁极设置在靠近床身6底沿的位置。

图2所示，龙门悬浮式数控镗铣床，采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5结构实现，由于以往的大型数控镗铣床龙门磁悬浮***在稳定时流过悬浮磁极的电流较大，使悬浮磁极的功耗也很大；而采用本发明的永磁与电磁混合悬浮***可以借助永磁体来产生大部分悬浮力，从而显著降低悬浮电源的容量，大大地减少了***的功率损耗，而电磁铁提供的磁力可以保持***的动态平衡。图中标号所表示的结构名称为：9——床身，10——永磁铁部分，11——电磁铁绕有通电线圈部分，12——气隙磁通，13——悬浮间隙；14——DSP控制器，15——电涡流式位移传感器，16——线圈电阻，17——功率放大器。

如图3所示，所述控制***包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A转换器、A/D转换器、功率放大器和电涡流式位移传感器；所述JTAG仿真器连接至DSP控制器，DSP控制器连接至D/A转换器，D/A转换器连接至功率放大器，功率放大器连接至电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5的通电线圈和导向电磁铁4的通电线圈；所述功率放大器通过线圈电阻连接至电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5的通电线圈和导向电磁铁4的通电线圈；所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5与床身6之间设置有电涡流式位移传感器，所述导向电磁铁4与床身6之间也设置有电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器通过A/D转换器连接至DSP控制器。JTAG仿真机使用的时候联结至上位工控机，上位工控机负责发送悬浮高度信号，DSP控制器负责对给定信号和反馈信号的处理以及传算法实时整定控制器参数计算，D/A转换器的转换板可以实现两路数字控制信号转换为模拟信号，功率放大器将模拟控制信号实现功率放大并驱动悬浮电磁铁，A/D转换器的转换板可以实现两路间隙模拟信号的数字转换并传送回DSP控制器。

图4为DSP控制器与模数转换器和数模转换器的连接电路；图5为DSP控制器与JTAG仿真器连接电路。其中DSP控制器选用性能价格比较高的浮点处理器，其型号可以为如图4中所示的TMS320VC33，模数转换器选用图4中所示的TLV2548，数模转换器选用图4中所示的TLV5619。其中数模转换器为上述的A/D转换器，模数转换器为D/A转换器。

如图6和7所示，功率放大器包括PWM波形发生电路、光电隔离电路、功率驱动电路和悬浮***主电路。

图6为PWM波形发生电路，图中选用脉宽调制的集成化芯片TL494作为PWM信号的产生和控制芯片，

图7为光电隔离电路、功率驱动电路和悬浮***主电路。图6中电路输出的PWM波形用于控制半桥功率放大电路中开关器件的导通/关断，为防止功率放大部分对控制信号的影响，在PWM信号输出到开关器件之前用光电隔离器将两部分电路隔开，如图7中所示的，本发明选用的光电隔离芯片为6N137，主要由该光电隔离芯片组成光电隔离电路。

悬浮***的主电路中开关器件采用绝缘栅双极晶体管IGBT，IGBT是一种由双极晶体管与MOSFET组合成的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点。图7中标号为V1、V2、V3和V4为4个IGBT，他们组成了悬浮***的主电路。

本发明选用的IR2110是一种新型的IGBT驱动模块，所需的***分立元件很少，同时该芯片还具有自保护功能，由其构成的驱动电路结构简单。

悬浮***主电路是用来给电磁铁供电的逆变电路。其中的电磁铁用电感和铁心等效，其上有永磁铁。由于电磁铁工作时需要直流电，所以V2和V3始终处于不导通状态，所以没有加驱动电路。悬浮***主电路的工作原理是由控制回路控制IGBT的导通时间即占空比来调节电磁铁两端的电压，得到所希望的电磁吸力与永磁力的合力。当驱动电路发出导通信号后，V1和V4导通电磁铁通电，由于电磁铁的滞后时间常数大，所以电流逐渐上升不能突变。当达到一定的电流后产生足够的吸力使电磁铁与路轨之间的气隙不断变小直到达到给定值，当电流继续增加时吸力也随之增加，使得气隙小于给定值，这时驱动电路动作，关断V1和V4，电磁铁中的电流不能突变，电流将通过二极管VD2，VD3续流，电磁铁上所加的电压为零，这时电磁铁中的电流逐渐下降，其吸力也随之下降，磁铁与导轨之间的气隙随着吸力的减小而随之变大，当大于给定值时，驱动电路再次动作，重复上述工作过程。

该发明的磁悬浮***采用电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁，由于该发明针对的是大型数控镗铣床龙门磁悬浮***，这种***在稳定时流过悬浮磁极的电流较大，使悬浮磁极的功耗也很大。故采用永磁与电磁混合悬浮***可以借助永磁体来产生大部分悬浮力，从而显著降低悬浮电源的容量。这种电磁永磁混合磁悬浮***，由永磁铁提供的磁力可以保持***的静态平衡，大大地减少了***的功率损耗，而电磁铁提供的磁力可以保持***的动态平衡。

当电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5的绕组中通过电流时，会加大对金属床身导轨产生电磁吸力，磁铁对床身导轨施加向下的力，由于力的相互作用原理，床身导轨对电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5也有向上的力，由于电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5都是固定在移动的龙门横梁2上，只要控制电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5绕组中的电流，龙门横梁就可以悬浮在空中，处于平衡状态。而直线推进***3作为导向***，其原理类似于悬浮***，它也是通过控制电磁铁来控制悬浮龙门的水平位移。

对悬浮控制的最基本要求是控制***要具有快速响应、动态过程平稳、抗干扰好的性能特点，其中抗干扰性尤为重要。

控制***的实现可以全部采用模拟电路，也可以采用以数字电路。模拟电路控制精度低、受外界环境影响大，且不易实现复杂的控制算法，调试困难。传统的数字控制器大多采用较高档的单片机来实现复杂的计算和控制，但实时性变差，难以得到较好的动态性能。DSP器件是一种特别适用于数字信号处理运算的微处理器，以DSP器件为核心的控制***具有非常快的数据处理能力和良好的扩展能力，克服了模拟控制器和以单片机为核心的数字控制器的缺陷。本发明采用数字DSP控制技术，既可以保证计算和控制的实时性，又能充分发挥数字控制的诸多优点。

控制电路包括DSP控制器与模数转换器的连接电路、DSP控制器与数模转换器的连接电路、DSP控制器与JTAG仿真器连接电路。

根据***的实际控制情况，比较多种方案后，本发明采用脉宽调制(PWM)型功率放大器，选用TL494芯片产生PWM波形，为了防止强电区信号对弱电区的回窜干扰，将产生的PWM信号进行光电隔离。桥式逆变部分采用半桥结构，进行功率放大后的信号直接输入到电磁线圈中，驱动线圈产生足够的电磁力使***的悬浮部件实现稳定可靠悬浮。

本发明的控制方法由嵌入DSP处理器中的程序实现，该方法先将单一的永磁铁，利用线圈绕组缠绕形成控制龙门横梁2悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5，然后通过控制***中的电涡流式位移传感器对龙门横梁2的悬浮情况进行采样，然后将信息通过A/D转换器传输进DSP控制器内，由DSP控制器对该信息与预先设定的信息进行比较计算后，再通过D/A转换器和功率放大器对龙门横梁2上的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5进行准确的调整，完成对龙门横梁2悬浮情况的控制。

如图8所示，其控制过程安以下步骤执行：

步骤一、DSP控制器进行***初始化；

步骤二、检测该采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床是否有结束请求信号；如果有结束请求信号转到步骤十三；如果没有结束请求信号则继续；

步骤三、检测整个采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床是否有中断请求信号；

步骤四、如果没中断请求信号，则等待中断，转回步骤三；

步骤五、如果中断到来，读数，并启动模数转换器，将电涡流式位移传感器所采集的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁5的信息通过模数转换器传输进DSP控制器内；

步骤六、在DSP控制器内进行基于遗传算法整定PID参数的控制算法计算；

步骤七、检测结果是否有溢出；

步骤八、如果有溢出，取极值，返回步骤七；

步骤九、如果没有溢出，检测结果是否为正值；

步骤十、如果结果是否为负值，取反；

步骤十一、如果结果是否为正值，将结果进行数模转换后并通过功率放大器输出；

步骤十二、中断返回，转回步骤二。

步骤十三、结束。

如图9所示，其中上述步骤六中的遗传算法整定PID参数的控制算法的具体步骤为：

操作一、确定每个参数的大致范围和编码长度，进行编码；确定参数范围，该范围可以由用户给定的，然后由精度的要求，对其进行编码。选取二进制字串来表示每一个参数，并建立与参数间的关系。再把二进制串连接起来就组成一个长的二进制字串，该字串为遗传算法可以操作的对象。

操作二、随机产生n个个体构成初始种群P(0)；因为需要编程来实现各过程，所以采用计算机随机产生初始种群。针对二进制编码而言，先产生0～1之间均匀分布的随机数，然后规定产生的随机数0～0.5之间代表0，0.5～1之间代表1。此外，考虑到计算的复杂程度来规定种群的大小。

操作三、计算目标函数值，将种群中各个体解码对应的参数值，用此参数来求代价函数值J；

操作四、计算适应函数值f，取

一般的寻优方法在约束条件下可以求得满足条件的一组参数，在设计中是从该组参数中寻找一个最好的。衡量一个控制***的指标有三个方面，即稳定性、准确性和快速性。而上升时间反映了***的快速性，上升时间越短，控制进行的就越快，***品质也就越好。如果单纯追求***的动态特性，得到的参数很可能是控制信号过大，在实际应用中会因***中固有的饱和特性而导致***不稳定，为了防止控制能量过大，在目标函数中加入控制量。因此为了使控制效果更好，把控制量、误差和上升时间作为约束条件。因为适应函数同目标函数相关，所以目标函数确定后，直接将其作为适配函数进行参数寻优。最优的控制参数也就是在满足约束条件下是f(x)最大时，x所对应的控制器参数。

为获取满意的过渡过程动态特性，采用误差绝对值时间积分性能指标作为参数选择的最小指标函数。为了防止控制能量过大，在目标函数中加入控制输入的平方项。选择式(1)作为参数选择的最优指标：

$J={\&Integral;}_0^{\&infin;}\left(w_1\right|e\left(t\right)|+w_2{u}^2\left(t\right))\mathrm{dt}+w_3\&CenterDot;t_u$

(1)

式中，e(t)为***误差，u(t)为控制器输出，t_u为上升时间，w₁，w₂，w₃为权值。为了避免超调，采用了惩罚功能，即一旦产生超调，将超调量作为最优指标的一项，此时最优指标为：

$\mathrm{if\; ey}\left(t\right)<0J={\&Integral;}_0^{\&infin;}\left(w_1\right|e\left(t\right)|+w_2{u}^2\left(t\right)+w_4|\mathrm{ey}\left(t\right)\left|\right)\mathrm{dt}+w_3\&CenterDot;t_u$

(2)

式中，w₃为权值，且w₄＞＞w₁，ey(t)＝y(t)-y(t-1)，y(t)为被控对象输出。

操作五、进行确定式采样选择；

操作六、进行单点交叉；

操作七、均匀变异，算子对种群P(t)进行操作，产生下一代种群P(t+1)；首先利用确定式采样选择方式进行选择，即通过适配函数求得适配值，进而求每个串对应的选择概率，选择概率大的在一代中将有较多的子孙，相反则会被淘汰；依据确定的选择概率计算群体中各个个体在下一代群体中的期望繁殖数目N_i，从而完全确定出下一代种群中的全部个体。其次进行单点交叉，交叉概率为P_c。从复制后的成员里以P_c的概率选取字串组成匹配池，而后对匹配池的成员随机匹配，交叉的位置也是随机确定的。最后以概率P_m进行变异。

操作八、检测遗传代数是否满足设定值？如果不满足，重复操作三和操作四，直至参数收敛或达到预定的指标；初始种群通过选择、交叉及变异得到的新一代种群，该代种群经解码后代入适配函数，观察是否满足结束条件，若不满足，则重复步骤三和步骤四操作，直到满足为止。结束条件由具体问题所定，只要各目标参数在规定范围内，则终止计算。

下面利用具体的实施例来说明本发明的遗传算法整定PID参数的控制算法。

实施例：

步骤一、定义变量，初始化参数。

参数K_P的取值范围为[0，300]，K_I的取值范围为[0，10]，K_D的取值范围为[0，8]；染色体采用二进制编码，长度为10位。种群大小M＝50，遗传代数G＝100，编码串长度l＝20，交叉概率和变异概率分别为：P_c＝0.9，P_m＝0.1。步骤二、随机产生n＝50个个体构成初始种群P(0)；

步骤三、计算目标函数值。将种群中各个体解码对应的参数值，用此参数来求目标函数值J。

为获取满意的过渡过程动态特性，采用误差绝对值时间积分性能指标作为参数选择的最小指标函数。为了防止控制能量过大，在目标函数中加入控制输入的平方项。选择式(1)作为参数选择的最优指标：

$J={\&Integral;}_0^{\&infin;}\left(w_1\right|e\left(t\right)|+w_2{u}^2\left(t\right))\mathrm{dt}+w_3\&CenterDot;t_u---\left(1\right)$

式中，e(t)为***误差，u(t)为控制器输出，t_u为上升时间，w₁，w₂，w₃为权值。为了避免超调，采用了惩罚功能，即一旦产生超调，将超调量作为最优指标的一项，此时最优指标为：

$\mathrm{if\; ey}\left(t\right)<0J={\&Integral;}_0^{\&infin;}\left(w_1\right|e\left(t\right)|+w_2{u}^2\left(t\right)+w_4|\mathrm{ey}\left(t\right)\left|\right)\mathrm{dt}+w_3\&CenterDot;t_u---\left(2\right)$

式中，w₃为权值，且w₄＞＞w₁，ey(t)＝y(t)-y(t-1)，y(t)为被控对象输出。取w₁＝1.5，w₂＝0.01，w₄＝5.59，w₃＝2。

步骤四、计算适应度函数值f，取

并排序；

步骤五、进行确定式采样选择。

设群体大小为M，第i个个体的适应度函数为F_i，则个体i被选中的概率p_is为：

$p_{\mathrm{is}}=\frac{F_i}{\stackrel{M}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_i},(i=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,M)---\left(3\right)$

根据上式算可以得的选择概率。由确定的选择概率计算群体中各个个体在下一代群体中的期望繁殖数目N_i为：

$N_i=M\&CenterDot;p_{\mathrm{is}}=M\&CenterDot;\frac{F_i}{\stackrel{M}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_i},(i=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,M)---\left(4\right)$

取N_i的整数部分

确定各个对应个体在下一代种群中的生存数目(其中

表示不大于x的最大的整数)。由该步骤共可确定出下一代种群中的

个个体。按照N_i的小数部分对个体进行降序排序，顺序取前个个体加入到下一代种群中。这步可完全确定出下一代种群中的M个个体。

确定式采样选择方法不仅操作简单容易实现，而且选择误差较小，可以确保适应度较大的个体一定能够被保留到下一代种群中。

步骤六、进行单点交叉。

遗传算法中，在交叉运算之前还必须先对群体中的个体进行配对。选用的配对策略是随机配对，即将群体中的M个个体以随机的方式组成

对配对个体组，交叉操作是在这些配对个体组中的两个个体之间进行的。交叉方式为单点交叉，即对每一对相互配对的个体组，随机设置某一编码位之后的位置为交叉点。若个体编码长度为n，则共有(n-1)个可能的交叉点位置。对每一对相互配对的个体，依选定的交叉概率P_c＝0.9在其交叉点处相互交换两个个体的部分编码串，从而产生出两个新的个体。

步骤七、均匀变异。产生下一代种群。

选定合适的变异概率P_m＝0.1，依变异概率对个体的每个编码指定变异点，对每一个指定的变异点，对其编码值做取反运算，从而产生一个新的个体。

分别用符合某一范围内均匀分布的随机数，以某一较小的概率来替换个体编码串中各个基因座上的原有基因值的操作过程称为均匀变异。其具体操作过程是：依据选定适当的变异概率P_m，并指定编码串中变异点的位置。确定进行均匀变异时的参数r，r为[0，1]范围内符合均匀概率分布的一个随机数。对每一个变异点，以变异概率P_m＝0.1从对应基因的取值范围内以一定算法取一随机数来代替原有基因值。

步骤八、检测遗传代数G＝100成立否？如果不成立，转回到步骤三。

步骤九、结束。

采用本发明设计的装置及控制方案可实现定位精度高，抗扰动能力强，从而能够在较好地抑制***所受干扰同时，有效地实现稳定悬浮。

Claims (7)

1.一种电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，主要包括床身(6)和可以与床身做相对移动的龙门横梁(2)，所述床身(6)和龙门横梁(2)之间设置有驱动龙门横梁(2)与床身做相对移动的直线推进***(3)，其特征在于：在所述龙门横梁(2)上还设置有使龙门横梁(2)在床身(6)上悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)设置在龙门横梁(2)上朝向床身(6)底沿的一侧，电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)与控制***连接，所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)为带有永磁磁极的缠有通电线圈的磁体；所述永磁磁极设置在靠近床身(6)底沿的位置。

2.根据权利要求1所述的电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，其特征在于：所述直线推进***(3)为永磁直线同步电动机，该永磁直线同步电动机的动子设置在龙门横梁(2)上，其定子固定在床身(6)上；在所述龙门横梁(2)与床身(6)之间还设置有导向电磁铁(4)，所述导向电磁铁(4)设置在龙门横梁(2)上朝向床身(6)两侧的位置上。

3.根据权利要求2所述的电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床，其特征在于：所述控制***包括JTAG仿真器、DSP控制器、D/A转换器、A/D转换器、功率放大器和电涡流式位移传感器；所述JTAG仿真器连接至DSP控制器，DSP控制器连接至D/A转换器，D/A转换器连接至功率放大器，功率放大器连接至电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)的通电线圈和导向电磁铁(4)的通电线圈；所述电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)与床身(6)之间设置有电涡流式位移传感器，所述导向电磁铁(4)与床身(6)之间也设置有电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器通过A/D转换器连接至DSP控制器。

4.一种控制权利要求1所述的电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床的控制方法，其特征在于：该方法先将一对永磁铁，利用线圈绕组缠绕形成控制龙门横梁(2)悬浮的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)，然后通过控制***中的电涡流式位移传感器对龙门横梁(2)的悬浮情况进行采样，然后将信息通过A/D转换器传输进DSP控制器内，由DSP控制器对该信息与预先设定的信息进行比较计算后，再通过D/A转换器和功率放大器对龙门横梁(2)上的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)进行准确的调整，完成对龙门横梁(2)悬浮情况的控制。

5.根据权利要求4所述的电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床的控制方法，其特征在于：所述控制方法的具体步骤如下：

步骤一、DSP控制器进行***初始化；

步骤二、检测该采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床是否有结束请求信号；如果有结束请求信号转到步骤十三；如果没有结束请求信号则继续；

步骤三、检测整个采用电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床是否有中断请求信号；

步骤四、如果没中断请求信号，则等待中断，转回步骤三；

步骤五、如果中断到来，读数，并启动模数转换器，将电涡流式位移传感器所采集的电磁永磁混合磁极悬浮电磁铁(5)的信息通过模数转换器传输进DSP控制器内；

步骤六、在DSP控制器内进行基于遗传算法整定PID参数的控制算法计算；

步骤七、检测结果是否有溢出；

步骤八、如果有溢出，取极值，返回步骤七；

步骤九、如果没有溢出，检测结果是否为正值；

步骤十、如果结果是否为负值，取反；

步骤十一、如果结果是否为正值，将结果进行数模转换后并通过功率放大器输出；

步骤十二、中断返回，转回步骤二。

步骤十三、结束。

6.根据权利要求5所述的电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床的控制方法，其特征在于：所述“步骤六”中的基于遗传算法整定PID参数的控制算法的具体步骤为：

步骤一、定义变量，初始化参数。

步骤二、随机产生n个个体构成初始种群P(0)；

步骤三、计算目标函数值。将种群中各个体解码对应的参数值，用此参数来求目标函数值J。

步骤四、计算适应度函数值f，取

并排序；

步骤五、进行确定式采样选择。

步骤六、进行单点交叉。

步骤七、均匀变异。产生下一代种群。

步骤八、检测遗传代数是否满足设定值？如果不满足，转回到步骤三。

步骤九、结束。

7.根据权利要求6所述的电磁永磁混合磁极悬浮的龙门镗铣床的控制方法，其特征在于：所述采用遗传算法在线实时整定PID控制器参数，选择最优指标为：

$J={\&Integral;}_0^{\&infin;}\left(w_1\right|e\left(t\right)|+w_2{u}^2\left(t\right))\mathrm{dt}+w_3\&CenterDot;t_u$

式中，e(t)为***误差，u(t)为控制器输出，t_u为上升时间，w₁，w₂，w₃为权值。为了避免超调，采用了惩罚功能，即一旦产生超调，将超调量作为最优指标的一项，此时最优指标为：

$\mathrm{if\; ey}\left(t\right)<0J={\&Integral;}_0^{\&infin;}\left(w_1\right|e\left(t\right)|+w_2{u}^2\left(t\right)+w_4|\mathrm{ey}\left(t\right)\left|\right)\mathrm{dt}+w_3\&CenterDot;t_u$

式中，w₃为权值，且w₄＞＞w₁，ey(t)＝y(t)-y(t-1)，y(t)为被控对象输出。

且遗传算法在线实时整定PID控制器参数时，采用确定式采样选择和单点交叉方式。

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