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導(dǎo)讀：2023年10月28日，由中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)主辦的2023國(guó)家工業(yè)軟件大會(huì)在浙江湖州盛大開幕。大會(huì)以“工業(yè)軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國(guó)內(nèi)外院士，1500余位代表，共同探討工業(yè)軟件領(lǐng)域前沿理論和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用問題，共同謀劃我國(guó)工業(yè)軟件未來發(fā)展之道。
張文安教授受邀在2023國(guó)家工業(yè)軟件大會(huì)中作題為“面向離散制造運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工業(yè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”的專題報(bào)告。主要介紹了自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)工業(yè)軟件及應(yīng)用情況，包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、系統(tǒng)辨識(shí)、控制策略、優(yōu)化排版、制造執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)等方面的工業(yè)軟件。
一、背景與意義
工業(yè)軟件具有多重定義，可根據(jù)其在技術(shù)層面上的定位分為五種類別，如圖1所示。首先是面向底層的嵌入式軟件，這包括嵌入式操作系統(tǒng)及其相關(guān)平臺(tái)。其次是協(xié)同集成類、研發(fā)設(shè)計(jì)類、生產(chǎn)控制類和運(yùn)營(yíng)管理類軟件，這些類型的軟件在不同階段和領(lǐng)域中扮演著重要角色。
圖1 工業(yè)軟件分類
隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的提出，包括元宇宙和數(shù)字仿真等新概念的探討，傳統(tǒng)設(shè)備的數(shù)字化改造正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。即使在技術(shù)密集度較高的浙江制造業(yè)等行業(yè)中，許多傳統(tǒng)精密和自動(dòng)化設(shè)備在設(shè)計(jì)階段并未考慮到數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化控制的需求，導(dǎo)致在工業(yè)軟件封裝過程中出現(xiàn)了極高的技術(shù)成本。其次，工業(yè)軟件領(lǐng)域面臨著嚴(yán)重的人才匱乏問題，因?yàn)槔斫夤I(yè)領(lǐng)域底層知識(shí)需要特定的專業(yè)背景，這類人才相對(duì)稀缺。因此，我們不僅在高校進(jìn)行研究，還積極承擔(dān)起培養(yǎng)工業(yè)軟件人才的重要責(zé)任。
二、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)與軟件實(shí)現(xiàn)
過去，過程控制通常采用總線技術(shù)，而如今，隨著總線技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制也轉(zhuǎn)向了總線。然而，引入總線技術(shù)也帶來了一系列問題。特別是在面對(duì)大規(guī)模、高精度和高速控制需求時(shí)，可能導(dǎo)致較大的控制偏差。通常情況下，我們期望多種系統(tǒng)能夠同步啟動(dòng)并協(xié)同工作，但由于網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)牟淮_定性以及系統(tǒng)因素，例如負(fù)載不同或摩擦等，完全同步控制變得很困難。盡管我們努力保持系統(tǒng)響應(yīng)的一致性，但由于各種因素的影響，往往導(dǎo)致各指令難以同時(shí)到達(dá)，進(jìn)而產(chǎn)生合成軌跡的偏差。此外，若未能實(shí)現(xiàn)平滑控制，會(huì)明顯感受到機(jī)械的晃動(dòng)，這可能會(huì)對(duì)高精度加工產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
為解決傳統(tǒng)總線技術(shù)引入的問題，我們提出了一系列創(chuàng)新性解決方案，涉及控制器技術(shù)和軟件的實(shí)現(xiàn)。在速度規(guī)劃和插補(bǔ)控制方面，我們重視速度規(guī)劃對(duì)于平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵性，然而由于傳輸不確定性和插補(bǔ)不對(duì)齊等問題，拐點(diǎn)處可能產(chǎn)生速度突變，影響運(yùn)動(dòng)效率。因此，我們引入了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整期望速度的方法，以改善高速運(yùn)動(dòng)的平滑性。同時(shí)，采用實(shí)時(shí)變周期精插補(bǔ)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整插補(bǔ)周期，并保證加速度在插補(bǔ)周期內(nèi)均勻分配，從而達(dá)到高精度對(duì)齊的目的，如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)這些創(chuàng)新，我們開發(fā)了相應(yīng)的控制器和軟件。這一系統(tǒng)能夠縮短網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的插補(bǔ)周期，解決了高速運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的機(jī)械晃動(dòng)問題，為提升控制效率和高速運(yùn)動(dòng)的平滑性提供了重要解決方案。
圖2 高速高精度速度規(guī)劃及插補(bǔ)控制
針對(duì)輪廓跟蹤問題中的復(fù)雜挑戰(zhàn)，包括不同姿態(tài)、負(fù)載響應(yīng)以及網(wǎng)絡(luò)引入等因素造成的合成軌跡跟蹤精度不足，我們提出了兩種解決方案。首先，基于摩擦力、力矩和慣量估計(jì)的參數(shù)自適應(yīng)估計(jì)技術(shù)能夠在線更新控制參數(shù)，以提高系統(tǒng)對(duì)不同姿態(tài)的響應(yīng)一致性。其次，通過實(shí)時(shí)估計(jì)各個(gè)軸的輪廓誤差，并將其分解到各個(gè)軸上進(jìn)行補(bǔ)償，以增強(qiáng)各軸的跟蹤精度，如圖3所示。將外部擾動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)引入的干擾視為統(tǒng)一的外部干擾，通過觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，系統(tǒng)控制速度包括各軸的控制量、外部干擾的估計(jì)補(bǔ)償和合成軌跡輪廓誤差分解補(bǔ)償?shù)礁鬏S，從而顯著提高輪廓跟蹤的精度。
圖3 多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)軌跡跟蹤控制
我們提出了一項(xiàng)創(chuàng)新方法，將廣義擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器與預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，以解決控制、速度和干擾不在同一通道上的問題。廣義擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的引入有助于有效解決非同步通道干擾補(bǔ)償?shù)碾y題。針對(duì)重復(fù)加工任務(wù)，通過引入迭代學(xué)習(xí)控制技術(shù)，可以提高重復(fù)運(yùn)動(dòng)加工的精度。為此，我們開發(fā)了相應(yīng)的控制器和軌跡跟蹤監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)了全姿態(tài)、全工況和變負(fù)載情況下高精度的軌跡跟蹤控制。對(duì)于同步控制問題，我們提出了兩種解決方案。一種是時(shí)鐘同步技術(shù)，采用軟件同步方法對(duì)時(shí)間誤差進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，從而調(diào)整時(shí)鐘頻率以達(dá)到更高的同步精度。另一種是基于等價(jià)輸入干擾觀測(cè)器的同步控制技術(shù)，通過先行補(bǔ)償軌跡減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和擾動(dòng)對(duì)同步性能的影響，提高整體同步控制的精度，如圖4所示。
圖4 多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)高精度同步控制
三、控制器開發(fā)與嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)
基于先前提及的算法，我們開發(fā)了一系列控制器，如圖5所示，并采用了網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了完全分布式的控制系統(tǒng)，并自主開發(fā)了整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，使其能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的接入以及完全分布式的控制。另外，該系統(tǒng)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力學(xué)控制和拖動(dòng)示教等功能，這些都是在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中所需要的功能。
圖5 控制器開發(fā)
我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)了便捷式自由編程和在線示教技術(shù)，使得軟件能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化定義指令庫。全新構(gòu)建了全中文編輯式的自由編程和在線示教技術(shù)，使得單部設(shè)備可以進(jìn)行示教操作，并且可以對(duì)每條指令進(jìn)行靈活調(diào)整。這項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于桁架機(jī)械手和碼垛機(jī)械手等領(lǐng)域。
裁床領(lǐng)域每年供應(yīng)數(shù)千套嵌入式控制器，排版在輪廓跟蹤控制器之外也是至關(guān)重要的一環(huán)。耗時(shí)兩年，我們自行研發(fā)了排版算法，并提出多種優(yōu)化方式，形成了一套軟件解決方案，顯著提升了裁床利用率，如圖6所示。針對(duì)多色服裝裁剪，我們提出了解耦的多目標(biāo)優(yōu)化方法，并將其開發(fā)成軟件，取代了部分國(guó)外軟件，已在眾多企業(yè)中廣泛應(yīng)用，帶來了顯著效益。
圖6 裁床控制器及軟件
我們團(tuán)隊(duì)的另一位專家致力于軟PLC控制器的研發(fā)，其中包括基于PC-Based和ARM+Link的多種型號(hào)轉(zhuǎn)PLC控制器。同時(shí)也開發(fā)了配套模組和協(xié)議轉(zhuǎn)化模塊，使得不同種類的工藝設(shè)備能夠無縫接入系統(tǒng)。無論采用何種協(xié)議，都能將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)和總線控制。這種分布式控制的方案與當(dāng)前流行的邊緣計(jì)算和邊緣控制器十分契合，而且整套系統(tǒng)都是自主開發(fā)的。
另一個(gè)工作領(lǐng)域涉及構(gòu)建基于5G和云平臺(tái)的控制技術(shù)，它主要將許多規(guī)劃工作遷移到云平臺(tái)上進(jìn)行，同時(shí)在底層實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，如圖7所示。該技術(shù)能夠?qū)⒖刂乒δ芘c5G和云計(jì)算結(jié)合，為各種應(yīng)用提供了高效且可靠的控制手段。
圖7 基于5G與云平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)
四、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)及應(yīng)用
除了運(yùn)動(dòng)控制器和軟件，企業(yè)現(xiàn)在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)也有著日益增長(zhǎng)的需求。他們認(rèn)為既然已經(jīng)開發(fā)了控制器，順便也可以開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，因?yàn)槟壳按嬖谥S多這方面的需求。這些需求涵蓋了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)以及可視化等方面。針對(duì)紡織行業(yè)，大部分企業(yè)致力于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的全面架構(gòu)設(shè)計(jì)，從原材料到云平臺(tái)，再到可視化界面等各個(gè)層面。針對(duì)手套機(jī)，我們?yōu)榭蛻籼峁┝丝刂破鳎〝?shù)據(jù)檢測(cè)等功能，同時(shí)開發(fā)了一整套系統(tǒng)，涵蓋了通信、云平臺(tái)以及可視化系統(tǒng)等。在鋼柜數(shù)字化車間軟件開發(fā)中，在完成了控制器的開發(fā)后，我們也開發(fā)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。工業(yè)系統(tǒng)的特點(diǎn)在于難以遷移和復(fù)制，往往需要個(gè)性化定制，這也是面臨的挑戰(zhàn)。
在智能機(jī)加工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)方面，我們著重解決了刀具管理這一問題。為降低傳統(tǒng)的人工管理和激光檢測(cè)存在著可能導(dǎo)致產(chǎn)品批量報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。我們?cè)诳刂破髦性鲈O(shè)了傳感器，并打造了一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理刀具的狀態(tài)，及時(shí)識(shí)別并進(jìn)行必要的更換，如圖8所示。
圖8 智能機(jī)加工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)
*本文根據(jù)作者在2023國(guó)家工業(yè)軟件大會(huì)上所作報(bào)告速記整理而成
