導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內外院士，1500余位代表，共同探討工業軟件領域前沿理論和技術創新應用問題，共同謀劃我國工業軟件未來發展之道。
張文安教授受邀在2023國家工業軟件大會中作題為“面向離散制造運動控制系統的工業軟件設計與實現”的專題報告。主要介紹了自主研發的網絡化多軸運動控制系統相關工業軟件及應用情況，包括運動規劃、系統辨識、控制策略、優化排版、制造執行系統、數采系統等方面的工業軟件。
一、背景與意義
工業軟件具有多重定義，可根據其在技術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及其相關平臺。其次是協同集成類、研發設計類、生產控制類和運營管理類軟件，這些類型的軟件在不同階段和領域中扮演著重要角色。
圖1 工業軟件分類
隨著數字化轉型的提出，包括元宇宙和數字仿真等新概念的探討，傳統設備的數字化改造正面臨著巨大的挑戰。即使在技術密集度較高的浙江制造業等行業中，許多傳統精密和自動化設備在設計階段并未考慮到數字化和網絡化控制的需求，導致在工業軟件封裝過程中出現了極高的技術成本。其次，工業軟件領域面臨著嚴重的人才匱乏問題，因為理解工業領域底層知識需要特定的專業背景，這類人才相對稀缺。因此，我們不僅在高校進行研究，還積極承擔起培養工業軟件人才的重要責任。
二、網絡化運動控制技術與軟件實現
過去，過程控制通常采用總線技術，而如今，隨著總線技術的飛速發展，運動控制也轉向了總線。然而，引入總線技術也帶來了一系列問題。特別是在面對大規模、高精度和高速控制需求時，可能導致較大的控制偏差。通常情況下，我們期望多種系統能夠同步啟動并協同工作，但由于網絡信息傳輸的不確定性以及系統因素，例如負載不同或摩擦等，完全同步控制變得很困難。盡管我們努力保持系統響應的一致性，但由于各種因素的影響，往往導致各指令難以同時到達，進而產生合成軌跡的偏差。此外，若未能實現平滑控制，會明顯感受到機械的晃動，這可能會對高精度加工產生嚴重影響。
為解決傳統總線技術引入的問題，我們提出了一系列創新性解決方案，涉及控制器技術和軟件的實現。在速度規劃和插補控制方面，我們重視速度規劃對于平穩運動的關鍵性，然而由于傳輸不確定性和插補不對齊等問題，拐點處可能產生速度突變，影響運動效率。因此，我們引入了實時動態調整期望速度的方法，以改善高速運動的平滑性。同時，采用實時變周期精插補技術可以實現動態調整插補周期，并保證加速度在插補周期內均勻分配，從而達到高精度對齊的目的，如圖2所示。為了實現這些創新，我們開發了相應的控制器和軟件。這一系統能夠縮短網絡環境下的插補周期，解決了高速運動時可能出現的機械晃動問題，為提升控制效率和高速運動的平滑性提供了重要解決方案。
圖2 高速高精度速度規劃及插補控制
針對輪廓跟蹤問題中的復雜挑戰，包括不同姿態、負載響應以及網絡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、力矩和慣量估計的參數自適應估計技術能夠在線更新控制參數，以提高系統對不同姿態的響應一致性。其次，通過實時估計各個軸的輪廓誤差，并將其分解到各個軸上進行補償，以增強各軸的跟蹤精度，如圖3所示。將外部擾動和網絡引入的干擾視為統一的外部干擾，通過觀測器進行估計和補償，系統控制速度包括各軸的控制量、外部干擾的估計補償和合成軌跡輪廓誤差分解補償到各軸，從而顯著提高輪廓跟蹤的精度。
圖3 多軸運動系統軌跡跟蹤控制
我們提出了一項創新方法，將廣義擴張狀態觀測器與預測控制相結合，以解決控制、速度和干擾不在同一通道上的問題。廣義擴張狀態觀測器的引入有助于有效解決非同步通道干擾補償的難題。針對重復加工任務，通過引入迭代學習控制技術，可以提高重復運動加工的精度。為此，我們開發了相應的控制器和軌跡跟蹤監測軟件，實現了全姿態、全工況和變負載情況下高精度的軌跡跟蹤控制。對于同步控制問題，我們提出了兩種解決方案。一種是時鐘同步技術，采用軟件同步方法對時間誤差進行估計和補償，從而調整時鐘頻率以達到更高的同步精度。另一種是基于等價輸入干擾觀測器的同步控制技術，通過先行補償軌跡減少網絡時延和擾動對同步性能的影響，提高整體同步控制的精度，如圖4所示。
圖4 多軸運動系統高精度同步控制
三、控制器開發與嵌入式軟件實現
基于先前提及的算法，我們開發了一系列控制器，如圖5所示，并采用了網絡化架構，實現了完全分布式的控制系統，并自主開發了整個系統的協議轉換模塊，使其能夠實現異構設備的接入以及完全分布式的控制。另外，該系統仍然能夠實現動力學控制和拖動示教等功能，這些都是在實際應用場景中所需要的功能。
圖5 控制器開發
我們團隊開發了便捷式自由編程和在線示教技術，使得軟件能夠實現標準化定義指令庫。全新構建了全中文編輯式的自由編程和在線示教技術，使得單部設備可以進行示教操作，并且可以對每條指令進行靈活調整。這項技術已成功應用于桁架機械手和碼垛機械手等領域。
裁床領域每年供應數千套嵌入式控制器，排版在輪廓跟蹤控制器之外也是至關重要的一環。耗時兩年，我們自行研發了排版算法，并提出多種優化方式，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。針對多色服裝裁剪，我們提出了解耦的多目標優化方法，并將其開發成軟件，取代了部分國外軟件，已在眾多企業中廣泛應用，帶來了顯著效益。
圖6 裁床控制器及軟件
我們團隊的另一位專家致力于軟PLC控制器的研發，其中包括基于PC-Based和ARM+Link的多種型號轉PLC控制器。同時也開發了配套模組和協議轉化模塊，使得不同種類的工藝設備能夠無縫接入系統。無論采用何種協議，都能將其統一轉化為標準信號，從而實現工業以太網和總線控制。這種分布式控制的方案與當前流行的邊緣計算和邊緣控制器十分契合，而且整套系統都是自主開發的。
另一個工作領域涉及構建基于5G和云平臺的控制技術，它主要將許多規劃工作遷移到云平臺上進行，同時在底層實現運動控制，如圖7所示。該技術能夠將控制功能與5G和云計算結合，為各種應用提供了高效且可靠的控制手段。
圖7 基于5G與云平臺的運動控制技術
四、工業物聯網軟件開發及應用
除了運動控制器和軟件，企業現在對物聯網平臺也有著日益增長的需求。他們認為既然已經開發了控制器，順便也可以開發物聯網平臺，因為目前存在著許多這方面的需求。這些需求涵蓋了數據采集、數據分析存儲以及可視化等方面。針對紡織行業，大部分企業致力于工業互聯網平臺的全面架構設計，從原材料到云平臺，再到可視化界面等各個層面。針對手套機，我們為客戶提供了控制器，包括數據檢測等功能，同時開發了一整套系統，涵蓋了通信、云平臺以及可視化系統等。在鋼柜數字化車間軟件開發中，在完成了控制器的開發后，我們也開發了工業互聯網平臺。工業系統的特點在于難以遷移和復制，往往需要個性化定制，這也是面臨的挑戰。
在智能機加工監測系統的軟件開發方面，我們著重解決了刀具管理這一問題。為降低傳統的人工管理和激光檢測存在著可能導致產品批量報廢的風險。我們在控制器中增設了傳感器，并打造了一套監測系統，主要進行實時監測和管理刀具的狀態，及時識別并進行必要的更換，如圖8所示。
圖8 智能機加工監測系統軟件開發
*本文根據作者在2023國家工業軟件大會上所作報告速記整理而成
