基于機器學(xué)習(xí)的機械流水線速度無線控制方法

陳素霞,陳業(yè)慧

(1.河南輕工職業(yè)學(xué)院,鄭州 450006, E-mail: zxg560020@sinan.com;2.安徽新華大學(xué) 電子通信工程學(xué)院,合肥 230088)

大多企業(yè)開始利用機械化技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品,以此提升生產(chǎn)效率[1],加快生產(chǎn)速度。通常情況下每個企業(yè)均有自己獨自的機械生產(chǎn)流水線,在生產(chǎn)機械生產(chǎn)流水線上,每個步驟均有固定的生產(chǎn)流程,達到快速生產(chǎn)產(chǎn)品的目的。產(chǎn)品通常由一個位置平滑、準(zhǔn)確地運動到下一個位置,因此,機械流水線在運作期間的速度變化需要平穩(wěn)過渡,避免出現(xiàn)速度突變和震蕩等情況,若機械流水線的速度發(fā)生突變,則影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此,為了避免發(fā)生該問題,相關(guān)學(xué)者研究機械流水線速度控制方法。

郭俊等人[2]提出了基于PLC的生產(chǎn)線輸送速度分時段控制模型,該方法根據(jù)PLC技術(shù)特點,計算生產(chǎn)線輸送速度分時段控制量化因子和比例因子,建立生產(chǎn)線輸送速度分時段控制模型,將因子計算過程代入模型,實現(xiàn)生產(chǎn)線速度控制,但是該方法適用范圍小,速度控制效果不佳,其存在控制效果差的問題。

何瑞[3]研究了電機無速度傳感器控制技術(shù)在包裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用,該方法構(gòu)建滑模自適應(yīng)觀測器,可用于觀測定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈,同時給出一種I/F啟動策略,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤,進而確保轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確性,較好的控制流水線的速度,但是該方法構(gòu)建的求解模型存有局限性,其期望速度與執(zhí)行速度誤差較大。

王藝霖等人[4]研究了離散蝙蝠算法在三階段裝配流水線調(diào)度問題,該方法應(yīng)用離散型蝙蝠算法,結(jié)合調(diào)度模型生成初始種群,重新劃分捕食范圍,通過捕食行為等增強搜索能力,引入K-means聚類,實現(xiàn)流水線調(diào)度控制,但是該方法獲取的控制結(jié)構(gòu)存有誤差,其跟蹤速度誤差偏高。當(dāng)前的機械流水線速度調(diào)節(jié)智能化程度低,對流水線中的意外或者相關(guān)情況缺少主動認(rèn)知學(xué)習(xí)過程,存在執(zhí)行速度與期望速度誤差大和控制前后速度跟蹤誤差偏高的問題。

為了解決上述方法存在的問題,提出基于機器學(xué)習(xí)的機械流水線速度無線控制方法,以期提高機械流水線的生產(chǎn)效率。

1 機械流水線數(shù)據(jù)采集

1.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)無線采集模塊設(shè)計

在機械流水線運作期間,流水線的運行速度對產(chǎn)品生產(chǎn)起到關(guān)鍵作用,為了能夠有效地?zé)o線控制機械流水線的速度,需要采集機械流水線的運行數(shù)據(jù),因此,構(gòu)建機械流水線數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)模塊。

首先,制定數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)的設(shè)計方案,該方案基本思路為:選取嵌入式控制器,并與無線通信模塊結(jié)合,構(gòu)建機械流水線的數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的嵌入式控制器負(fù)責(zé)采集并轉(zhuǎn)換機械流水線發(fā)出的各類電路信號,并且利用無線通信模塊發(fā)送采集的流水線電路信號數(shù)據(jù)到系統(tǒng)服務(wù)器端,工作人員通過服務(wù)端查看和分析數(shù)據(jù)。

根據(jù)設(shè)立的方案,構(gòu)建機械流水線數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采集機械流水線的數(shù)據(jù)及監(jiān)測產(chǎn)品生產(chǎn),考慮系統(tǒng)的便利程度,增加遠程客戶端,便于用戶實時了解機械流水線運作情況,實現(xiàn)無線控制機器流水線速度。

構(gòu)建的機械流水線數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)主要由下述幾個模塊構(gòu)成,采集系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1所示。

根據(jù)圖1可知,數(shù)據(jù)采集終端可以無線采集現(xiàn)場機械流水線數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)輸送到上位機,并且通過無線互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)中心服務(wù)器處理分析數(shù)據(jù),操作人員也可以根據(jù)遠程客戶端訪問機械流水線數(shù)據(jù),從而實時監(jiān)測機械流水線的運作狀態(tài),無線控制流水線速度。

1.2 基于機器學(xué)習(xí)的認(rèn)知回歸計算

機器學(xué)習(xí)[5-6]通過學(xué)習(xí)機分類、學(xué)習(xí)和預(yù)測未知數(shù)據(jù),從而獲取學(xué)習(xí)函數(shù)或風(fēng)險關(guān)系,達到提升整體性能的目的。首先,設(shè)置變量x、y滿足聯(lián)合概率分布F(x,y),則獨立分布樣本表示為:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),其中,n表示獨立分布樣本數(shù)量。

在一組預(yù)測函數(shù)集{f(x,w)}中,通過最優(yōu)函數(shù)f(x,w0)評估機械流水線未知依賴關(guān)系,得到機械流水線的運作期望風(fēng)險,定義為:

R(w)=L[y,f(x,w)]F(x1,y1)

(1)

式中:w表示機械流水線預(yù)測函數(shù)的參數(shù);f(x,w)表示預(yù)測函數(shù)集;L[y,f(x,w)]表示f(x,w)帶來的損失;f(x,w)也屬于學(xué)習(xí)機或?qū)W習(xí)函數(shù)。

機器學(xué)習(xí)算法是利用機器學(xué)習(xí)預(yù)測過程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù),以此通過機器學(xué)習(xí)能力提升機械流水線速度無線控制效率,達到機械流水線速度無線控制的目的。

1.3 基于機器學(xué)習(xí)的機械流水線

根據(jù)機器學(xué)習(xí)原理[7-8],采用機器學(xué)習(xí)算法主動學(xué)習(xí)機械流水線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù),并且通過學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)中的潛在概率,從而得到回歸方程,令機器具備學(xué)習(xí)能力,提升機械流水線速度無線控制工作效率。機器學(xué)習(xí)算法主動學(xué)習(xí)采集數(shù)據(jù)的流程如下所示。

① 假設(shè)機械流水線速度自變量為x(x=x1,x2,…,xn),觀測該自變量m次后,得到機械流水線速度均值,獲得機械流水線速度測量數(shù)據(jù)矩陣X,即X=(x1,x2,…,xn)m,其中,m表示機械流水線速度數(shù)據(jù)的特征數(shù)量。

② 觀測機械流水線速度的次數(shù)增多時,觀測數(shù)據(jù)矩陣X的協(xié)方差矩陣轉(zhuǎn)換成C,定義為:

(2)

式中:cij=cov(xi,xj),xi與xj表示觀測數(shù)據(jù)矩陣X的分量;cij表示xi與xj的協(xié)方差,其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;cov(·)表示協(xié)方差。

③ 求取協(xié)方差矩陣C的特征根κi,獲得與其相對應(yīng)的機械流水線單位正交特征向量,標(biāo)記為:L1,L2,…,Lm。

④ 利用下述方程獲取機械流水線的認(rèn)知元素ti,該方程表達式定義如下:

(3)

式中:s表示時刻。

⑤ 利用下述方程計算認(rèn)知方差ti,取得ti中的潛在調(diào)速需求概率δi和累積潛在需求概率ηa,該方程表達式標(biāo)記為:

(4)

式中:a表示認(rèn)知元素數(shù)量。通常情況下,機械流水線中的累積潛在需求概率不超過87%。

⑥ 在機械流水線速度自變量x與第m個觀測值對應(yīng)時,機械流水線速度變量觀測值由x1,k,x2,k,…,xm,k描述,其中,k代表觀測數(shù)量。因此計算ti前,第n個樣本值為ti,k。

(5)

式中:α表示回歸常數(shù);T表示認(rèn)知觀測系數(shù)。

(6)

通過上述步驟,利用機器學(xué)習(xí)算法自主學(xué)習(xí)機械流水線采集數(shù)據(jù)[9]后,得到認(rèn)知回歸系數(shù),將該系數(shù)引入下述設(shè)置的控制器,以此提升機械流水線速度無線控制效率。

2 設(shè)計基于認(rèn)知回歸的機械流水線速度調(diào)節(jié)控制器

為了高效、準(zhǔn)確地?zé)o線控制機械流水線的速度,在上文認(rèn)知回歸系數(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計自適應(yīng)阻抗控制器[10]。設(shè)置Ka代表阻抗控制剛度,則設(shè)計的機械流水線Ka參數(shù)為“0”,表示為Ka=0。此時,在笛卡爾空間[11]內(nèi)機械流水線的阻抗控制用方程描述,如下所示:

Md+x+Bd+(xd-x)=-f×fd

(7)

式中:Md表示機械流水線速度期望的認(rèn)知回歸系數(shù);Bd表示機械流水線阻尼系數(shù)矩陣;x表示機械流水線速度、加速度或期望速度;f表示人機交互力;fd表示力的數(shù)據(jù)信息。

▲圖2 阻抗控制器設(shè)計圖

為使機械流水線與發(fā)出的工作任務(wù)同步,令機械流水線執(zhí)行速度與期望速度相同,因此,機械流水線的跟隨速度為“0”。引入認(rèn)知回歸系數(shù)設(shè)計阻抗控制器,以此提升機械流水線的跟隨效果。阻抗控制器如圖2所示。

圖2的阻抗控制器的方程表達式定義如下:

Md+x+Bd+(xd-x+Ω)=-f×fd

(8)

式中:W表示機械流水線速度補償項。機械流水線速度補償項的方程表達式為:

W(t)=W(t-λ)+η+fd(t-λ)-f(t-λ)/b

(9)

式中:λ表示機械流水線采集周期;η表示更新率;b表示常數(shù);t表示與0相近的常數(shù)。

通過構(gòu)建的機械流水線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集機械流水線的數(shù)據(jù),結(jié)合機器學(xué)習(xí)原理,獲取認(rèn)知回歸系數(shù),并且設(shè)計融入認(rèn)知回歸系數(shù)的機械流水線自適應(yīng)阻抗控制器,將其加入機械流水線。在該設(shè)計中將認(rèn)知回歸系數(shù)引入控制器,達到提升機械流水線速度無線控制效率的目的,實現(xiàn)機械流水線速度無線控制。

3 實驗與分析

3.1 實驗準(zhǔn)備

為了驗證基于機器學(xué)習(xí)的機械流水線速度無線控制方法的整體有效性,設(shè)置對比分析實驗。研究對象為某企業(yè)機械流水線的SJ-80 DSP-1010/650型可伸縮帶式輸送機,設(shè)備具有限速等保護裝置,操作系統(tǒng)為Windows 10系統(tǒng),CPU 3.9 GHz,內(nèi)存215G,研究對象的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

▲圖3 研究對象結(jié)構(gòu)圖

實驗具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

3.2 實驗性能指標(biāo)

為了測試所提方法的有效性,采用基于機器學(xué)習(xí)的機械流水線速度無線控制方法(方法1)、基于PLC的生產(chǎn)線輸送速度分時段控制模型(方法2)和離散蝙蝠算法在三階段裝配流水線調(diào)度問題的應(yīng)用(方法3)進行實驗測試。該實驗以應(yīng)用前后的速度跟蹤誤差、引入認(rèn)知回歸系數(shù)后的速度認(rèn)知回歸觀測值誤差、機械流水線速度控制誤差為實驗性能指標(biāo)。三種實驗性能指標(biāo)值越小,表明測試方法的性能越好。實驗指標(biāo)的計算公式如下:

速度跟蹤誤差:

Vo=V1-V2

(10)

式中:V1表示機械流水線的實際速度;V2表示機械流水線的跟蹤速度。

速度認(rèn)知回歸系數(shù)觀測值誤差:

(11)

機械流水線速度誤差:

Vo=γ-x

(12)

式中:γ表示機械流水線的期望速度。

3.3 性能指標(biāo)分析

3.3.1 控制前后的速度跟蹤誤差分析

在驗證方法的有效性前,分析該方法在應(yīng)用后是否對機械流水線的速度控制起到有效的作用,因此分析應(yīng)用前后的速度跟蹤誤差,實驗結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知,在應(yīng)用所提方法前,在100 s左右的時候,出現(xiàn)最大的速度跟蹤誤差,其值達到0.035 m/s,并在0 s到200 s的時間段,出現(xiàn)三次大的誤差,在600 s到800 s之間出現(xiàn)了兩次大誤差,其他時間段有出現(xiàn)較小的速度跟蹤誤差,在應(yīng)用所提方法后,僅在100 s左右出現(xiàn)一次較小的誤差,速度跟蹤誤差值僅為0.006m/s,其他時間段基本無誤差,因此,所提方法有效降低了速度跟蹤誤差,提高了機械流水線的工作效率。

▲圖4 應(yīng)用前后的速度跟蹤誤差

3.3.2 認(rèn)知回歸觀測值誤差分析

所提方法引入認(rèn)知回歸系數(shù),設(shè)計了速度控制器,從而工作人員可以通過遠程服務(wù)端實現(xiàn)無線控制速度,因此,驗證速度的控制效果,以速度的認(rèn)知回歸觀測值誤差驗證,結(jié)果如圖5所示。

▲圖5 不同方法的認(rèn)知回歸觀測值誤差

根據(jù)圖5可知,方法1的速度認(rèn)知回歸觀測值波動小,僅出現(xiàn)兩次較小的誤差,其最大誤差僅為0.004 m/s,方法2出現(xiàn)四次大的誤差,曲線波動大,最高誤差達到0.029 m/s,方法3出現(xiàn)三次大的誤差,曲線波動較大,最高誤差達到0.02 m/s,三種方法相比,方法1的誤差分別低于其他方法0.025 m/s和0.020 m/s,因此,所提方法在引入認(rèn)知回歸系數(shù)后,可以有效調(diào)控速度,速度的控制效果更佳。

3.3.3 機械流水線速度控制誤差分析

設(shè)計方法的目的是無線控制機械流水線的速度,因此,需要直接驗證三種方法的速度控制效果,以機械流水線的速度控制誤差為實驗性能指標(biāo),實驗結(jié)果如圖6所示。

▲圖6 不同方法的機械流水線速度控制誤差

根據(jù)圖6可知,方法1僅發(fā)生兩次小的誤差,其最大誤差僅為0.003 m/s,速度控制誤差曲線基本無波動,方法2出現(xiàn)三次大的波動,最大誤差達到0.032 m/s,速度控制效果差,方法3雖未出現(xiàn)較大的誤差,但是速度控制誤差曲線波動多,即發(fā)生小誤差的次數(shù)多,其最大誤差為0.011 m/s,三種方法相比,方法1的速度控制效果最佳,所提方法有效提高了速度控制效果。

4 結(jié)束語

工業(yè)化企業(yè)多數(shù)利用機械流水線方式生產(chǎn)產(chǎn)品,但是機械流水線速度控制方法存在不足,針對機械流水線速度控制存在的問題,提出基于機器學(xué)習(xí)的機械流水線速度無線控制方法。該方法首先利用數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)采集機械流水線速度數(shù)據(jù),通過機器學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)采集的數(shù)據(jù),從而獲得提升機械流水線速度無線控制效果的認(rèn)知回歸系數(shù),并將其引入設(shè)計的阻抗控制器,實現(xiàn)機械流水線速度的整體控制。該方法為機械流水線速度無線控制方法提供了重要信息依據(jù)。