摘 要：運動控制系統的核心控制對象是軸。采用面向對象方法，建立軸對象的類結構、狀態轉移圖和數據流圖，在該模型的基礎上，可以進行軸控制參數的設置，運動控制庫函數的規劃和控制算法與控制方案的擬定。

關鍵詞：運動控制 軸 建模

0.引言

　　軸是運動控制系統的核心控制對象。在應用系統中，軸的種類很多，如數控機床的坐標軸、主軸，繞線機的張力控制軸等，它們都是運動控制的對象。運動控制系統向著開放式、可重構和網絡化方向發展，控制系統與控制對象的標準化是實現上述發展的關鍵。

　　面向對象建模技術已經是一種成熟的建模技術。采用面向對象技術對軸的結構、行為和功能進行抽象，全面地描述軸的屬性與操作，可以為軸控制對象的標準化奠定基礎。 　　

　　劉泉斌，陳虎等人總結了各種受控軸的共性屬性，采用Rational Rose建立了軸的面向對象模型，并實現了該運動控制系統[1];作者也對自動機床的UML建模方法進行過研究，對機床控制軸進行了類似的建模[2]。國際組織PLCopen的技術委員在IEC61131標準的框架下，對軸的行為模型作了細致的描述[3]。這些工作對運動控制系統的開放性與控制程序的可重用性都有積極的意義。但現行的研究工作多集中在軸的類結構與行為模型上，軸的功能模型少有研究，模型不夠完整;并且這類研究工作多針對于面向對象的程序設計，其類結構設計往往過于復雜，面MCU和DSP硬件平臺上的運動控制系統，目前還不支持C++。本文軸對象建模目的是為軸控制系統參數設置、運動控制庫函數規劃和控制方案設計服務。

　　面向對象模型主要包括類結構模型、行為模型和功能模型[4]，類結構模型主要描述對象的屬性與操作，定義對象實例間的關聯關系，便于控制程序的可重用;行為模型描述狀態與狀態轉移，即輸入與響應的關系和對象間作用，便于控制程序的標準化;功能模型主要描述系統的輸入數據及數據轉化形式，它是控制算法方案設計與調度的基礎。

1. 軸的類結構模型

　　運動控制系統中，軸的屬性最為復雜，文獻[1]將軸的類對象定義成復雜的繼承結構，盡管它符合面向對象設計方法，但它的狀態切換要占用系統時間（實驗測試時延為采樣周期的0.2%，最壞5%），而運動控制系統是一個強實時系統，狀態切換頻繁發生。關鍵是多數的運動控制平臺采用MCU和DSP，尚沒有C++支持，這種面向對象模型對MCU和DSP型的運動控制系統沒有實用意義。本文提出的軸控制類采用簡明的結構定義軸類的屬性與操作，重點在于類的屬性參數設置與分析。

　　歸納起來，軸共有五類屬性，40多個參數。限于篇幅的原因，只列出軸類屬性參數分類如表1所示： 　　表1 軸屬性參數分類表

　　軸的操作是運動控制的核心，運動控制系統的庫函數主要由軸操作函數構成，這些操作函數由軸的狀態轉移圖中抽取（后文敘述），在類結構中它們表現為對軸屬性參數的修改與刷新。軸的操作可為分四類，共16個函數，其類別如表2所示：

　　表2 軸操作函數

　　在運動控制系統中，除軸類外，還有邏輯控制器、傳感器等類，由這些類可以構成最終的控制對象操作器類，其類關聯如圖1所示：

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圖1 軸控制類和其它類的關聯關系[/align]

　　操作器可以由多個軸、傳感器和一個邏輯控制器實例組成，操作器控制實際成為軸和邏輯控制器的控制。 2. 軸的行為模型

　　PLCopen組織的技術委員會遵照開放式性原則，定義了8種軸的狀態，即不可用態、靜止態、停止過程態、出錯停止態、返回參考點態、連續運動態、同步運動態、離散運動態。其中連續運動態指速度和力矩控制模式，不涉及位置要求，離散運動態指有軌跡與位置要求的運動，如直線、圓弧運動;同步運動態指電子齒輪和電子凸輪運動模式。其狀態轉移如圖2所示

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圖2 軸控制狀態轉移圖[/align]

　　軸狀態轉移圖是規劃和評價運動控制函數的重要工具。例如，能否從連續運動態直接向離散運動態轉移，中間是否要插入一個停止過程態，這個控制函數的設立對其它軸狀態有何影響，都可以使用軸狀態轉移圖，從狀態轉移、激發事件、轉移條件和引發事件進行規劃和評價。

3. 軸功能模型

　　軸的功能模型主要是數據流圖。數據流圖由接口，數據加工和數據存貯三種元素組成，接口指明數據的來源和去向，加工指明數據的處理算法，數據存貯指明數據的存貯緩沖區。

　　運動控制系統的軸控制運算包括插補運算與伺服運算兩大部分，插補運算給出每一個采樣周期的目標位置，伺服運算實現軸對目標位置的跟蹤。實際執行時，必須先進行運動控制命令的譯碼與預處理，對高精度的位置控制，還要在插補后進行陷波濾波，消除某些頻率成份，減少激振因素，如果將速度控制劃歸到插補運算過程中，則軸控制處理過程包括控制命令譯碼、插補計算、陷波濾波、跟蹤控制四部分內容。其數據流圖如圖3所示：

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圖3 軸控制的數據流圖[/align]

　　從軸控制的數據流圖可以看出，該數據流是串行的。在各個數據加工點，不同的控制策略會選用不同的加工算法，其中插補運算、陷波濾波和跟蹤運算會占用較多的系統資源且時延較長。在CPU資源配置或分配上，應保證這幾個數據加工串行工作。

　　另外，其中數據存貯的安排涉及到系統性能的發揮和對應的硬件結構。比如NURBS插補和PID+速度前饋+加速度前饋控制算法中，由于NURBS插補費時較多，在TMS320F2812DSP上，PID+速度前饋+加速度前饋的時延約為NURBS插補時延的1/4[5]，采用雙DSP流水線處理模式，將這個串行過程改為并行過程，由一片DSP作NURBS插補運算，另一片DSP作PID控制，安排一片雙口RAM作數據緩沖，采樣周期大為縮短。 　　數據流圖中的數據形式較為簡單，如表4所示：

　　表4 軸控制數據流圖的數據格式

　　圖中所有的緩沖區均為先進先出隊列。

　　圖據流圖的數據加工過程如表5所示：

　　表5 數據加工過程

4.軸對象模型應用

　　本模型主要應用于基于MCU和DSP的運動控制系統設計。采用多參數、多操作的簡明對象類結構，有利于控制對象的理解和控制參數設置;狀態轉移圖定義軸的狀態，及在什么條件下，由何事件激發使軸由一種狀態向另一種狀態轉移，分析歸納這些激發事件，是運動控制庫函數設計的依據;軸控制過程可以視為一個數據轉換的過程，從控制命令輸入，到控制信號生成，數據流圖表達了數據的流向與加式，它是確定控制方案、設計控制算法的基礎。

5. 結論

　　軸控制是運動控制系統的核心，采用面向對象方法，建立簡明的軸對象類結構、狀態轉移圖，并引用了結構化分析的數據流圖，為運動控制系統設計的控制參數設置，運動控制庫函數規劃和控制方案與控制算法的擬定提供了有益的參考。

　　本文作者創新點：采用面向對象模型并結合結構化模型的數據流圖，建立了簡明的軸對象分析模型，為軸狀態表達、軸運動控制函數分析、函數操作實現提供了依據。

參考文獻

　　[1] 劉泉斌，陳虎等。開放式控制器軸運動控制對象模型。制造業自動化。2005.4（27）,75-78.

　　[2] 柳寧. 用于控制系統設計的自動機床分析與建模方法的研究. 組合機床與自動化加工技術.2006.4.27-29 　　[3] PLCopen. Technical Specification PLCopen-Technical Committee 2 –Task Force Function blocks for motion control Version 1.1. http://www.PLCopen.org.

　　[4] 王建軍. UML建模：實例分析.微計算機信息.2002.15.66-68.

　　[5] Ning Liu, Gao Wang,et al. “Research on a Real-time Interpolator DSPs Based for NURBS”,in Proceeding of the 6th World Congress on Control and Automation.June 21-23,2006. Dalian.China.8206-8210.