随着我国智能制造强国战略的实施,制造业不断升级,以运动控制为核心的高端机器设备如机器人、数控机床、机械装备等应用前景非常广阔。实现运动控制技术的手段很多,基于PLC的技术方案的通用性强,软件兼容性强且方便移植。PLC产品以国外技术为主,但PLC核心运动控制基础底层技术的公开可参考文献较少。本文基于课题组自主开发PLC系统的研究为背景,结合双芯片嵌入式平台和最优化理论方法,深入研究了PLC运动控制五个方面基础技术:1.针对运动控制的高速脉冲的性能和精度的要求,研究了当前最先进的嵌入式芯片技术,提出了嵌入式ARM和FPGA双芯片组合的PLC运动控制硬件架构,通过FPGA高速脉冲算法实现最大6路100KHz高速脉冲的运动控制。ARM芯片内设计了基于脉冲的运动规划算法,FPGA芯片内设计了高速计数器、双轴脉冲插补、脉冲加减速和脉冲补偿器电路,脉冲补偿器根据高速输入计数器和脉冲输出计数器的误差实施脉冲数量闭环计数的补偿,实现运动控制的脉冲数量准确无误。运动控制脉冲闭环测试实验验证了运动控制硬件架构设计的高性能和高精度特性。2.针对各种运动控制场景的多种指令组合的软件编程需求,提出了一组运动控制指令及其组合应用方法。设计了典型的三段式梯形加减速运动控制指令集和专用的运动控制参数指令;包括195条较完整的PLC指令集,配合运动控制指令集灵活组合应用。提出了一种新的PWM高精度运动控制指令,设计了带有积分器补偿的脉宽调制占空比控制方法,以较低的频率得到较高的PWM执行器精度,降低了PWM运动控制技术的成本。运动控制案例实验验证体现了典型运动控制指令设计的有效性。3.针对运动控制指令编译与运行的需求,通过采用开源FLEX设计词法分析器、开源BISON设计语法分析器、自主设计语义分析和中间代码生成软件,设计了运动控制指令编译和解释运行的高效算法和软件模块,保证了编译技术的可靠性和效率。引用迷宫算法实现梯形图的图元辨识,采用二叉树后序遍历算法实现指令表语句的编译输出,采用基于二叉树的图元串并联合并方法解决梯形图中多输出的编译问题;运行模拟实验验证了运动控制指令编译与解释运行技术的有效性。4.针对运动控制的柔性和激励总量的优化需求,提出了最小燃料模型。综合考虑机器设备的性能指标、机械惯性、迟滞特性等控制量和状态量约束,建立了运动控制速度、加速度和急动度有约束下的最短时间控制模型和最小燃料控制模型,并相应设计了柔性加减速最优控制算法和多轴联动速度插补跟随算法。针对S型加减速控制柔性运动控制,创新性地提出S-型期望速度轨迹优化的最小燃料模型设计方法,现有研究的时间最短模型是最小燃料模型的特例,并系统提出求解最小燃料控制问题的非线性规划模型及算法,通过仿真算例和实际测试验证了其科学性和有效性,实验验证优化方法和结果可减少运动控制系统的激励总量,提升运动控制系统的柔性。5.针对运动控制系统远程调试监控画面数据实时刷新的时效性问题,首次提出滚动视图监控优化模型,解决了人机交互远程监控通信的动态存取优化管理问题。以监控视图中打成一包的连续数据帧数为决策变量,以监控视图整体期望传输时间为优化指标,以人的认知响应为约束建模。通过证明其指标函数是一个锯齿状函数,并基于一个无约束优化模型及其解析最优解作为下界,给出滚动视图的优化模型最优解算法。最后还解析给出工程适用的近似最优解。仿真实验说明了本方法的科学性,通过实验测试验证了其高效性,满足了运动控制远程实时监控时人机认知的画面刷新需求。