恒张力控制（通用8篇）
恒张力控制 篇1
随着人们生活水平的不断提高, 纺织行业的飞速发展, 对服装加工工艺的要求也越来越高。在一些高档面料内衣的缝制加工中, 具体表现为对松紧带张力的均匀性和尺寸精度的要求上。普通的原始手工及简单的加工设备已不能满足现有工艺要求, 而且加工缝制速度也极为低下, 大大的浪费了人力资源, 使得生产成本非常高。特别是当新的劳动法颁布以来, 用工成本大大增加, 设备的高效性显得非常重要。一些国内服装厂家因不能满足这些要求而使得许多国内外知名品牌内衣的定单流失。
1 MTS-1A型送带机结构
1.1 送带机的结构
MTS-1A型送带机是一套工业缝纫机用的辅助自动化配套装置, 设备主要包括以下几个部分:
1.1.1 控制主机
控制主机是整个系统设备的核心, 所有的信息和指令都要经过它进行处理和发出。主机中包括电源模块, 主板模块, 伺服驱动模块。
1.1.2 操作盒面板及显示屏
控制盒面板是实现人机对话的唯一界面, 许多功能的设定和改变可通过操作盒面板来设定, 通过改变某些参数, 可实现不同加工工艺的要求。LCD显示屏采用24×2字符点阵液晶显示模块。
1.1.3 计数器
计数器安装在缝纫机的手轮旁, 和主轴同轴, 缝纫机手轮每旋转一周计数器便产生一个信号脉冲给控制系统, 它主要用来计算缝制的针数及测量缝制机的转速。
1.1.4 抖料装置及缠绕报警器
抖料装置主要用于防止散落的松紧带在送带过程中打结, 以便张力调整机构有更好的送料效果。当松紧带打结时, 触动报警开关, 报警器启动, 指示操作者松紧带缠绕应及时修正。
1.1.5 送带执行机构
伺服电机由于精度高、低噪音的特点预以优先采用。空心杯电动机属于直流永磁、伺服微特电机, 与普通电机的主要区别采用是无铁芯转子, 也叫空心杯型转子。空心杯电机配装精密齿轮减速器以后, 以其优良的性能成为各种自动调节、驱动和控制伺服系统中的首选执行元件。
1.1.6 手动换档开关及LED段位显示
手动换档开关可执行张力段位之间的换档, 并且挡位通过LED数码管显示。
1.1.7 其他开关组件
包括膝动换挡, 抬压脚松带开关等, 它们都是通过开关信号给控制主机执行相应的命令。
2 控制系统设计
2.1 橡筋张力测试传感器选型
2.1.1 传感器选型
传感器是整个设备的核心, 它的指标直接影响到系统的性能。FSS系列传感器具有精密可靠的力传感性能, 它封装在小型商品等级的包装中。该传感器的特色是采用了已被证明可靠的传感技术, 即使用专门设计的精密压敏电阻硅传感元件。小功率, 无放大, 无补偿的惠斯通电桥电路设计可在力范围内提供稳定的mV输出。此外, FSS系列传感器的封装设计结合了获专利的模块结构。采用创新的弹性技术工艺和模制的工程塑料, 使过力大小可达4.5 kg。不锈钢球提供了极佳的机械稳定性, 它适应于各种应用, 具有真正的表面安装技术。
本系统选用承受重量为1 500 g的FSS1500NST作为本检测张力值的压力传感器。由于传感器的最大分辨率为g, 满足本系统最系统的要求。FSS1500NST小型力传感器技术参数见表1。
注:无补偿的触力传感器当恒流 (1.5 m A) 供电时, 能补偿部分温漂。
2.1.2 传感器测试特性
选用1 mm×11 mm有效长度400 mm (滚轮至压脚之间的长度) 的松紧带作为测试对象, 如图1所示。
实线为橡筋实测曲线, 虚线为不同橡筋的预测测线。理论上橡筋的曲线图应选用正比列段有效, 但在实际使用过程由于缝纫机的速度及震动问题, 必须对其进行修正。
2.2 仪表放大器
本系统以压力杆自重加上0～9.8 N为最小及最大基准将其分成1 000等分, 要求误差正负0.3%之内。必须有压力传感器检测信号, 经过放大, 模数转换, 数值滤波进入CPU进行处理。
传感器输出的微弱信号要经过放大, 本系统中选用ADI公司的仪表放大器AD627, AD627是一款集成式单电源仪表放大器, 采用3 V至12 V电源供电时提供轨到轨输出摆幅。它可以通过单一增益设置电阻进行编程, 并遵照8引脚工业标准引脚排列配置, 赋予用户出众的灵活性。不接外部电阻时, AD627采用单位增益配置 (G=1) ;连接外部电阻时, AD627可通过编程实现最高增益1 000。共模抑制比随增益的增加而增大, 保持最小误差;低功耗, 宽电源电压, 适合电池供电电路, 线性度、温度稳定性、可靠性好;具有较宽的共模输入范围, 可以放大具有低于地电平150 mV的共模电压信号;高精度直流、交流性能。
2.3 A/D转换器选型
经过转换的模拟信号不能直接进入DSP直接处理, 必须通过模数转换成数字信号处理计算。TMS320LF2407A内置10位AD转换器不能满足本系统1 000等分的高分辨率精度的要求, 因此需外接AD转换芯片。
转换的数字信号要在处理器中进行浮点数运算, 2407ADSP控制器将实时处理功能与控制器的外设功能集于一身, 为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。2407A DSP控制器强大的外设功能, 使得TI可以为应用提供不同性价比的方案。
2.4 数字P ID算法
PID算法解决了自动控制理论所要解决的最基本问题, 既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数, 可实现在系统稳定的前提下, 兼顾系统的带载能力和抗扰能力, 同时, 在PID调节器中引入积分项, 系统增加了一个零积点, 使之成为一阶或一阶以上的系统, 这样系统阶跃响应的稳态误差就为零, 系统如图2所示。
比例 (P) 控制u (t) =Kpe (t)
比例+积分+微分 (PID) 控制器
式中, Kp为比例放大系数;TI为积分时间;TD为微分时间。
根据PID控制算法, 处理过的信息控制执行马达转动, 调整松紧带在压力杆上的压力值, 形成闭环反馈系统。
2.5 执行器选型
转换的数字信号要在处理器中进行浮点数运算, 2407ADSP控制器将实时处理功能与控制器的外设功能集于一身, 为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。2 407A DSP控制器强大的外设功能, 使得TI可以为应用提供不同性价比的方案。
2.6 控制系统硬件结构示意
控制系统硬件结构示意图, 如图3所示。
3 结语
在橡筋缝制过程中, 保证系统恒张力运行是保证产品质量的必要条件。对于张力这样复杂的时变非线性耦合系统, 采用压电传感器对其压力进行时时检测以快速修正缝制过程中橡筋的张力。多功能MTS-1A型送带机要具有张力分辨率1 000等分细分可调;存储记忆模块记录加工工艺参数, 断电自动保存参数;能够自动连续缝制8段不同工艺要求的工序;温控显示调节模块及马达过热报警器;个性化的操作面板及LCD显示屏, 实时显示相关工艺参数;操作机可与上位机通信以便实现统一管理。
摘要：MTS-1A型送带机是应用在缝制行业, 配套于缝纫机上的全自动化设备, 主要用来控制松紧带张力, 达到预期效果。论文设计了其控制系统, 硬件以DSP为核心的处理器, 40MIPS的运行速度并集成了很多外设功能;传感器的优良性能及指标奠定了1000等分张力分辨率的精度要求, 个性化的操作面板及显示界面;利用自带的CAN控制模块实现与上位机通信。
关键词：恒张力控制,PID算法,触力传感器
参考文献
[1]赵继文.传感器与应用电路设计[M].北京:科学出版社, 2002
[2]郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2001
[3]范晶彦.传感器与检测技术应用.北京:机械工业出版社, 2005
[4]宋文绪, 杨帆.自动检测技术[M].北京:高等教育出版社, 2000
[5]贾伯年, 俞朴.传感器技术[M].南京:东南大学出版社, 1990
恒张力控制 篇2
变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究 作者：张凤 张晓红 卢业蕙
来源：《科技创新导报》2012年第35期
摘 要：该文分析了变速恒频双馈风力发电系统的运行区域，并针对高低风速区采取不同的控制策略，实现低风速区最大风能追踪和高风速区的额定功率保持。
关键词：风力发电机组 变速恒频 控制策略
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-0
1在当今新能源技术开发中，风电成为最成熟、最具开发利用的发电技术。风电机组是风电系统的重要装置，直接影响输出电能的质量和效率，因此选取合适的控制策略是保证系统安全、高效运行的关键。变速恒频双馈感应风力发电系统
变速恒频双馈感应风力发电系统中，风力机通过齿轮箱与发电机转子相连，发电机定子直接连接到电网，转子通过变频器并网。“双馈”是指发电机的定、转子同时向电网馈电。
根据不同的风速，风力发电机组主要有五个运行区域，如图1所示，每个运行区域机组的输出功率不同。
图1 双馈风力发电机组的运行区域
其中，A为并网区；B为最大风能追踪（MPPT）区域；C为过渡区；D为功率限制区。E为切出停机区。
由于风速的不断变化，风电机组运行在不同的运行区域。通常将发电机组的运行策略确定为：低风速区域，实现最大风能的追踪或使发电机的转速最大。高风速区域，实现发电机组保持额定功率输出。低风速区风力发电机组的控制策略
（1）矢量控制双馈发电机组矢量控制的目标是对发电机中复杂变量间的关系解耦，使实现控制变得简单。基于双馈发电机的动态数学模型利用基于定子磁链定向的矢量控制实现有功功率P和无功功率Q的解耦控制，再分别对其施行闭环控制，实现风电系统的变速恒频运行和最大风能捕获[1]。
（2）直接转矩控制（DTC）直接转矩控制是通过对感应发电机的磁链和转矩做滞环比较，再适当选择逆变器的开关状态实现对发电机转矩的控制，进而实现对发电机最大转速的控制。
直接转矩控制的磁链轨迹有两种形式，一种正六边形，六条边对应于六个电压矢量，通过切换逆变器的开关状态，实现对磁链轨迹的控制[2]；另一种圆形，通过实时计算发电机的转矩和磁链的误差，结合定子磁链的空间位置选择相应的开关矢量。
（3）滑模变结构控制滑模变结构控制是利用其高速开关特性将系统的相轨迹引导到一个设计好的曲面上，使系统的状态变量在设计好的的曲面上做滑模运动。双馈感应发电系统以功率相对误差作为切平面，实现误差跟踪和风能最大捕获[3]；以力矩为控制信号，解决滑动模切换抖动的问题。高风速区风力发电机组的控制策略
当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入功率限制区。变桨距控制技术是指通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的转矩或者功率，在高风速区域通过对桨叶节距角的调整，调节发电机的输出功率保持
恒定。
（1）模糊PID控制。模糊PID控制在双馈风电系统的应用是将控制规则利用模糊集表示成规则库存入到计算机，计算机根据实际响应状况进行模糊推理，实现对PID参数的最优调整，改善了系统的动态性能，提高系统的抗干扰性和鲁棒性。给定信号为发电机的限制功率或转速，反馈信号与给定信号比较，对误差和误差的变化率进行模糊推理，对PID参数进行调整后发出桨叶节距角信号，控制节距角增大或减小[4]。
（2）H∞鲁棒控制。H∞鲁棒控制是指在Hardy空间中通过一些性能指标的无穷范数将被控系统的设计问题转变为H∞范数最小化的问题。在风速和风向不断变化的情况下，利用鲁棒控制器设计的转速控制器使发电机在设定好的风速范围内运行，实现在低风速区的最大风能追踪和高风速区的保持额定功率控制[5]。结语
该文针对不同运行区域的控制目标，分析了风力机特性，研究了实现最大风能追踪的控制策略，通过调节机组转矩或转速，保持最佳叶尖速比，追踪最佳功率曲线。在高风速区域，对发电机组的变桨距控制技术进行研究，并对各控制方式进行分析总结。
参考文献
一种恒张力控制机构的设计 篇3
拟开发的快走丝线切割机, 钼丝的恒张力控制系统主要由以下三个部分组成:张力采样信号放大部分、张力的伺服控制调节部分、张力显示部分组成。
当钼丝张力的大小由于某种原因发生波动时, 通过设置在切割端的力传感器, 将检测到的张力变化转换为电压信号, 经运算放大器放大后, 一部分经过A/D芯片和液晶显示器便可得到和看到张力大小;另一部分通过电压比较器和给定值进行比较, 得到偏差值。那么张力存在两种情况, 要么过小、要么过大, 这都需要进行调整。当张力过小表明钼丝处于松弛状态, 电压比较器输出高电平信号接入电液伺服阀的一个线圈, 进而控制输入液压缸的液体的流量, 驱动张力调整机构动作, 使钼丝张紧, 使张力回复到原限定值;当张力过大时, 电压比较器输出高电平信号接入电液伺服阀的另一个线圈, 电液伺服阀向相反的方向动作, 张力调整机构动作, 使钼丝变松驰回复到其原来原限定值。以此达到显示与控制张力的目的。
1.张力浮动辊;2.电放大器;3.力传感器;4.滚筒;5.钼丝;6.张力调整液压缸;7.电液伺服阀;8.滚轮
其控制系统的原理图、方框图见图1和图2。
本设计要求:在机床开始运行前能显示钼丝张力的初值, 根据加工时的需要调节张力大小, 在加工过程中, 能随时显示张力大小并适时调整, 防止张力的不稳, 保证加工精度和质量, 提高生产效率。这样不论是不同直径的钼丝还是加工中的各种干扰都可以方便的调节张力的大小, 达到恒张力控制的目的。
2 机械部分的设计方案
在这个钼丝恒张力的闭环控制系统中, 张力的机械调节装置是其执行部分, 其设计的主要要求为:能满足整个控制系统的设计要求, 与液压部分相连, 运行灵活、平稳、振动小、结构简单、制造容易、在断丝时机构能激活机床的制动装置等。
(1) 确定机构装置的结构设计方案。
①单导轮调节。
随着钼丝的松紧, 导轮所处的位置不同, 形成的角度是个变量。所以钼丝张力随着角度的改变而变化。这种结构在实际使用中不能完全达到钼丝运行过程中内部张力完全一致, 既不能产生恒张力。那么在本设计整体方案中有液压部分与机械部分相连, 由液压缸与机械装置的连杆来调节张力大小, 利用单导轮在上、下方向的运动及角度的变化可以调整张力大小。当力传感器检测到张力过大或过小时, 导轮在液压缸驱动下沿导轨向上或向下运动, 直到达到给定张力值为止。
②双导轮调节。
当运丝系统正向运转时, 由于换向冲击载荷的作用, 导轮2可随其丝动作向上绕其转轴转动, 以使导轮1、2受力达到平衡, 协调了载荷的冲击变化。当运丝系统反向运转时, 由于换向冲击载荷的作用导轮1可随丝动作向上绕其转轴转动, 也能使导轮1、2受力达到平衡, 缓解了冲击载荷的变化。也能满足恒张力控制。
以上所述可以看出单导轮调节和双导轮调节都可以满足整体设计要求, 因整体设计中已有张力传感器、电液伺服阀和液压缸可检测、缓解冲击载荷的变化, 且张力调节装置部分设计机构越简单, 越不容易在运行过程中出错。所以选择单导轮调节, 既保持了张力的恒定, 又能满足整体设计要求。
(2) 张力大小的预先确定。
由于钼丝张力的大小对运行时钼丝的振幅和加工稳定性影响很大, 直接影响到加工精度, 所以在不引起断丝的情况下, 张力T的值在其最大拉力的范围内尽可能取大些。应用几何学黄金分割法, 张力取钼丝最大拉力F的0.382~0.618之间 (通常钼丝直径小时取值接近上限, 直径较大时取值接近下限) 。因此, 对常用直径的钼丝 (0.1mm~0.2mm) , 其张力可参考 (表1) 来选取。
(3) 确定张力调节装置的结构设计。
导轮和导轮的轴承选标准件。为了使运行时导轮的滑行平稳、灵活, 导轮与轴柱之间采用导轨, 起到支承调节装置的作用。轴柱部分因装配因素分成两段, 之间用螺栓连接。在轴柱与杠杆之间的连接采取螺栓加垫圈连接, 这样可以达到连接牢固的目的。为了使运行端与液压部分相连时能平稳、灵活的运动, 选择了铰链机构。液压缸的驱动杆与调节装置的杠杆, 以及杠杆与固定支架的连接也采用铰链。
在调节设定张力时, 超过钼丝极限, 也应进行保护。有两种方式, ①闭和开关;②对电液伺服阀进行手动调节。如加工过程中钼丝突然断丝, 需紧急制动, 因原机床上已有制动开关, 在轴柱上朝制动开关方向安装一个杆, 当断丝时杆触碰到制动开关使机床停机, 达到制动的目的。
综上所述采用力传感器检测钼丝张力的波动, 与给定值比较, 得到偏差值, 通过电放大器, 电液伺服阀等进行适时调整, 由张力调节器调节钼丝张力大小, 形成一个闭环控制系统, 实现恒张力控制。该方案并且可以实现定量选择张力初值, 及适时显示加工状态时的张力值, 是一个改造快走丝线切割机床恒张力机构, 提高钼丝张力控制精度的可行方案。
注:钼丝抗拉强度бb=1400 MPa
参考文献
[1]朱吉象.高速走丝线切割机恒张力机构研究[J].作电加工与模具, 1996 (6) :30-32.
恒张力控制 篇4
船舶施工及停靠过程必须保证高可靠性,否则损失巨大。目前,在海事活动中使用锚机定位,可提高整个船舶运动过程中的定位精度[1],这都依赖于对锚机的恒张力控制。在船舶定位时,受海浪和风的影响,船舶状态不断变化,锚机张力也随之不断改变。当张力值超出钢丝绳承受极限时,钢丝绳断裂,船舶会失去控制。鉴于风、海浪、涌流对船舶的影响无法在工厂环境下进行模拟,而在实际施工中必须保证控制系统能起到良好的控制作用[2],因此必须在制造前基于仿真平台进行仿真[3],以检验所用的恒张力控制算法是否有效。
目前,仿真软件主要以ANSYS公司、MSC公司和LMS公司的产品为主,各公司产品各有特色。其中,LMS公司的AMESim软件具有多学科系统集成分析功能,能将多学科领域的系统在一个平台上建立复杂的模型,在这个复杂模型基础上可进行深入的分析和系统的仿真计算,还可研究系统的动态、稳态性能,实现对机、电、液一体化系统的优化分析。本文将介绍采用AMESim软件进行的仿真与模拟。
1 控制系统仿真模型的设计
1.1 恒张力控制方法
锚机的恒张力控制是锚机控制系统的关键。在船舶的定位作业中,环境工况复杂,钢丝绳受力非线性,数学模型不确定,若只用简单的闭环控制策略,则控制精度不高,难以满足实际要求。本文将介绍采用静态前馈-串级反馈控制策略的锚机恒张力控制方法,其原理如图1所示。
在恒张力控制系统中通过设定锚机张力值进行静态前馈,通过函数F1(0)得到运算值(J);通过检测计算出的张力值与设定张力值的差值进行PID运算,通过函数F2(s)得到运算值(M);通过编码器计算出收放速度值进行PID运算,通过函数F3(s)得到运算值(N);将这三个运算值迭加后输送给PLC控制比例泵。
在锚机的机械传动形式确定后,其固有的机械损失与时间因子无关[4]。在装备设定逐一递增到满量程工作张力点的过程中,静态标定检测装备,得出装备的补偿信号大小。固有机械损失补偿认为两设定值间的数据为线性比例特性。
基于以上假设,锚机控制方法中F1(0)为:
式中,F0为锚机设定张力值;Xn、Xn-1为设定张力值进行标定时的范围值;Yn、Yn-1为设定张力值进行标定时范围值对应的补偿信号值。
控制函数F2(s)和F3(s)在设计时,由于张力与速度都是实时变化的,因此建立准确的数学模型较困难。由于PID控制方式不需要精确的数学模型,且PID控制器有通用模型,参数调整方便,各参数具有明确的物理意义,因此函数F2(s)和F3(s)采用PID控制方式。
式中,KP2、KP3为比例系统;Ti2、Ti3为积分时间常数;Td2、Td3为微分时间常数。
在锚机的恒张力控制过程中,PID控制器参数设定没有可借鉴案例,只能手动调整。根据不同的性能表现调整参数设定,得到理想的张力相应曲线,以此来确定每个PID控制器的最佳参数。
1.2 系统仿真模型设计
AMESim软件包含很多标准的库文件,工作时可在库中找到很多标准模块,并运用这些标准模块搭建最适合的仿真模型[5]。锚机控制系统张力算法模型如图2所示。
在锚机控制系统模型中,传感器反馈信号是4~20mA标准模拟信号,但CPU处理器只能处理数字量,所以必须将反馈信号进行模/数转换,此转换时间由PLC的扫描周期时间来决定[6]。
传感器处理算法为:
式中,Sn为第n次输出值;Sn-1为第n-1次输出值;S为传感器输出值;T为PLC循环扫描时间;N为时间基数。
系统建模中液压泵和液压马达均采用AMESim元件库自带的液压元件模型,通过电流信号设定速度信号。实际中,船舶的载荷数据并没有相关参考,因此模型中采用弹簧刚度阻尼模型来模拟施工中的载荷变化。在实际工程中,海况因素的变动无法预知,因此需设置不同的弹簧刚度阻尼来模拟实际工况,进行系统参数调整。
2 系统仿真分析
2.1 系统参数设置
模型系统中,需要设定机械系统参数及工作模拟参数。
机械系统参数数据:主油泵排量为250×2mL/rev;流量为550×2L/min;液压马达排量为107mL/rev;额定压力为355bar;减速机减速比为73.785;驱动齿轮减速比为8.307 7。
系统模型中前馈部分需要设备的静态标定数据,但在仿真时并没有此数据,因此只设定它的比例系数[7]。在张力和速度的PID控制器中,设定了张力值及速度值后需要设置PID参数及系统PLC的循环扫描周期、时间基数等。前期设置:张力为120T;速度为15m/min;PLC扫描周期为100ms;时间基数为100ms。
2.2 仿真结果分析
首先分析船舶的启停特性,为后续分析提供依据。由船舶启停与拉力关系仿真曲线(如图3所示)可知,当船舶启动过程加快时,钢丝绳张力超调增大,此时通过调节PID控制增益参数Pf可抑制超调,从而增加系统稳定性。
受风浪的影响,锚机张力时刻在变化,因此锚机需要频繁动作才能保持张力在设定值范围内。对工作过程中泵的流量进行仿真,仿真结果与试验实测结果比较如图4所示。
根据船舶自身的运动特性及锚机的响应特性,系统采用大阻尼与低刚性的弹簧系统模拟船舶的工作工况。依据此假设,设定了两组参数来进行快速与慢速工况的模拟:工况1为刚度1.7e6、阻尼3.1e5;工况2为刚度1.1e6、阻尼5.1e5。
快速时速度设定为14m/min;慢速时速度设定为2m/min。模拟时,控制参数按表1设置。
由两种工况下的系统响应曲线(如图5、图6所示)可知,在系统参数相同的情况下,若刚度较大、阻尼较小,则张力振荡较剧烈,变化量也较大(10%左右);若刚度较小、阻尼较大,则张力振荡较平稳,变化量较小(5%左右),张力相对稳定。因此,船舶速度对系统影响较大,船速越小,张力波动越小,系统也越稳定,控制精度更高。
通过对锚机进行仿真,可得到下面结论。
(1)船舶快速运动时具有较大的刚度k和较小的阻尼c;船舶在慢速运动时具有较小的刚度k和较大的阻尼c。
(2)船舶快速运动时刚度较大,系统响应超调量大,系统振荡频繁,此时可通过增大时间周期N,使系统响应周期加大,从而减小振荡,增加稳定性,但周期过大,超调量也会较大。减小PID控制增益参数Pf能减小超调量,但会延长稳定时间;减小速度反馈增益参数Pv将有助于增加稳定性,但稳态误差会相应增加。
(3)船舶慢速运动时,刚度降低,系统响应平稳,张力变化小,可实现稳定控制,有助于后期调整船舶姿态,顺利到达预设的定位点。
3 结束语
本文介绍了一种锚机的恒张力控制原理及控制策略,分析了控制策略中的静态前馈环节、张力及速度PID控制器参数,并结合分析数据采用AMESim仿真软件对锚机控制系统建立仿真模型,在仿真中通过假设不同工况环境分析不同工况下张力仿真曲线,得出了锚机在不同工况时的相应特性,给锚机在实际工作时的参数设定提供参考。
参考文献
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[6]朱龙俊,范君艳.基于BP神经网络的压力传感器误差补偿算法研究[J].中国仪器仪表,2012(9):32~36
恒张力控制 篇5
在不锈钢带滚切加工工艺过程中,原料带钢经过滚切机纵向剪切成多条规定宽度的窄条钢,然后分别由一台卷取电机驱动的工字料盘卷取排列成型。其中卷取张力的控制是保证成品质量的重要因素,卷取控制不当时,会直接导致不锈钢带扭曲变形甚至崩裂[1]。因此有必要采取卷取张力及转速同时控制的卷取控制系统,实现不锈钢带的恒线速度恒张力卷取,同时满足较大的收卷调速范围,提高生产效率。传统的电气控制系统通常分为:1)直流电机调速系统,其优点是4象限运行性能良好,控制系统线性度和鲁棒性能高,可实现收卷拖动,放卷回馈制动运行,但直流电机调速系统复杂,可靠性差且需日常维护,采用晶闸管可控整流供电时对电网污染比较严重;2)力矩电机调速系统,其优点是电机转速随着转矩的增大而自然降低,因此不需要张力检测机构,结构简单,但系统控制灵敏度较差,卷取张力不均匀,仅适合电缆、原料钢带等对控制精度要求不高的应用场合。
本文介绍的电气控制系统采用无速度传感器的异步电机矢量控制系统,建立速度控制和张力控制相结合的数学模型,由人机界面与PLC交流,通过RS-485总线通信控制矢量变频器的运行状态,调节卷取电机转速,实现恒张力卷取的要求。
2 滚切生产工艺原理
不锈钢带滚切加工工艺如图1所示,主要由放卷、滚切、张力检测及卷取4个部分组成,其中卷取工序由10台电机独立构成。
原料带钢由放料机送入滚切机,经滚切机纵向剪切成一定数目和规格的窄带钢,每条窄带钢
分别由一台收料电机卷取。卷取时要求钢带必须保持一致的张力,以恒定不变的线速度进入料盘,然而随着料盘直径的变化,为保证不锈钢带恒张力恒线速度卷取,电机的转速需随之不断减小,收卷过程转速与卷径的变化关系如图2所示,这是卷取控制的设计重点,需要建立卷取对象的速度数学模型,保证图2工艺的实现,同时要控制卷取张力,达到优质的卷取和滚切工艺。
3 电气控制系统原理
图3所示为一个单元卷取机的电气控制系统,系统以可编程控制器(PLC)为控制核心,触摸屏(F940GOT)为人机界面,通过FX2N-485-DB通讯扩展模块实现系统信息交流;采用高性能的矢量控制变频器(VF)驱动卷取电机(M),脉冲旋转编码器(PG)与高速计数模块FX2N-1HC组成速度检测单元,张力摆辊与A/D转换模块组成张力检测单元[2]。
生产线运行时,PG实时检测不锈钢带的运行线速度,并将脉冲信号送入PLC高速计数模块(FX2N-1HC);接近开关传感器对卷辊计圈,每转一圈即不锈钢带绕满一周计一个数送入PLC,通过内部存入的卷径模型计算出电机当前转速指令,经RS-485总线传输到变频器(VF),由变频器根据该转速指令驱动卷取电机,保证了不锈钢带在卷取过程中线速度恒定;此外在系统中引入张力检测环节,与张力调节器共同构成张力前馈校正闭环,达到恒张力控制效果。张力检测主要由张力测量辊、位移传感器、弹簧张力机构等组成,其主要作用是检测不锈钢带卷取时的张力,并与给定张力比较,其差值线性变化成模拟信号通过A/D转换成数字量信号给PLC。因此,PLC既接受速度指令又接受张力前馈补偿信号,由内部建立的系统控制模型进行信号综合和运算,获取实际频率(速度)指令给变频器,进而控制电机以满足恒张力卷取的工艺要求[3]。
4 控制模型的建立
4.1 卷取速度控制模型
用PG实时检测不锈钢带运行线速度的方法是由周期采样原理,设单位周期时间为T0,采集的脉冲数为C0,旋转编码器选2000脉冲/转,编码器码盘直径为D,则线速度为
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在不锈钢带卷取过程中,料盘直径不断增大,钢带每转一圈卷辊直径增加2倍的钢带厚度。设D0为料盘的初始卷径,d为不锈钢带的厚度,v0为不锈钢带运行线速度,n*为电机当前速度控制模型下的转速指令。系统采用接近开关传感器对卷辊计圈来实时地检测卷径,设传动比为i,计数为N,可以得到在N圈时
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由式(2)整理得:
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将式(1)代入式(3)得速度控制模型:
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4.2 卷取恒张力控制模型
由式(4)可知,在没有加入张力检测环节时电机转速n*由脉冲旋转编码器采集的脉冲数C0及接近开关传感器采集的圈数N决定,此控制模型只能保证不锈钢带在稳态下的恒线速度运行;为同时满足不锈钢带在动态下的恒线速度恒张力运行,采取了速度和张力前馈校正相结合的控制模型,即:在卷取速度指令信号上叠加了张力前馈补偿信号ΔF值如图4所示。
张力检测采用线性位移传感器,其输出值(Ff)是与不锈钢带的张力(F)成正比的模拟量,将Ff与给定张力指令Fg比较后,其偏差通过P调节器运算后,得到输入、输出关系:
ΔF=Kf(Ff-Fg) (5)
ΔF经模数转换后对应的转速偏差为Δn。不锈钢带在恒张力稳态下运行时(Ff=Fg,Δn=0),电机实际转速指令为
n=n* (6)
而在钢带实际张力偏离给定张力动态下运行时(Ff≠Fg,Δn≠0),电机实际转速指令为
n=n*±Δn (7)
在动态下运行时,当张力变大,则n=n*-Δn,使电机实际输出速度减小;反之,当张力变小,则n=n*+Δn,迫使电机的实际输出速度增大,使得不锈钢带在张力出现波动的情况下Ff→Fg,Δn→0。
因此,利用张力补偿偏差信号Δn可以在动态下快速修正不锈钢带承受的张力,使之始终保持与给定张力相等,通过适当的前馈补偿,可以保证速度控制系统具有良好的稳定性与收敛性[3,4,5]。
5 控制系统的实现
5.1 系统硬件设计
单台收料机电气控制系统的组成如图5所示。
目前,PLC已经是完全微型计算机化的工业产品, PLC控制系统体积小,可靠性高;更易使用和维护,且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能,又具有向中央数据采集系统传递信息的能力。本文采用FX2N-64MR型PLC作为核心控制器,其除了具有一般逻辑和计算功能外,还具有PLSY高速脉冲串(最大20kHz)直接输出、RAMP电机变频软启动/软制动及高速实时中断响应等特殊处理功能,可以非常方便地对卷取电机的转速进行控制,图6给出PLC的外部端子接线图。
为方便操作减少硬件接口,本文采用F940GOT触摸屏作监控生产工况的人机界面,利用触摸屏专用FX-PCS-DU/WIN-C组态软件进行设计主画面、参数设定、运转设定、参数显示、状态信息、报警信息和帮助等画面。可通过PC机对其控制界面、图像参数或曲线进行离线编辑,并通过COM1口下载到人机界面即可使用。人机界面与PLC之间通过RS-422通信接口以主从方式进行连接,由PLC对人机界面的状态控制区和通知区进行读写达到两者之间的信息交互。生产线运行过程中,通过与触摸屏提供的COM0口与PLC通讯,获取生产线的实时数据,同时还可以方便地设定系统各种工况需要的参数,实现人机现场对话操作。
PLC-VF之间采用RS-485通信协议,其特点是平衡发送接收,传输距离长、抗干扰能力强和具有多站能力。工业环境常有噪声干扰传输线路,而FX-485-BD通信模块的通信方式是通过采用可编程序控制器中的RS指令方式实现PLC与变频器的全双工串行通信,能有效地防止干扰。RS指令是使用RS-232或RS-485功能扩展板及特殊适配器进行发送接收串行数据的指令。数据的传送格式由特殊数据寄存器D8120设定[6]。
5.2 系统软件设计
图7是根据前述不锈钢带滚切机恒张力卷取控制的原理及PLC程序设计方法和生产工艺要
求,设计的控制软件程序流程图。
程序开始后,先初始化,给数据寄存器赋承受张力值、不锈钢带厚度值。检查各类开关的状态,正常后进入程序扫描方式。在实时检测不锈钢带行走线速度时会利用到PLC内部高速计数器和定时器,因此先复位便于计算线速度。控制方式分为手动和自动,手动一般用于调试和参数设定时选用,正常运作在自动方式。PG将线速度信号采集送入PLC计算出实时线速度v,传感器将卷辊直径信号采集送入PLC计算出实时直径D,从而计算出电机转速信号n*,同时由张力摆检测过来的张力偏差信号Δn与n*叠加实现对不锈钢带恒张力卷取。
6 结束语
本文针对滚切机生产工艺对不锈钢带恒张力卷取的控制要求,设计出一种构造简单、生产效率高、运行稳定可靠的电气控制系统。系统由PLC作为控制核心,以高性能矢量控制变频器作驱动器件,通过人机界面与PLC交流,利用RS-485总线通信控制变频器对卷取电机的速度和张力进行调节;建立了速度和张力补偿校正相结合的数学模型,实现了对不锈钢带的恒张力卷取,经实际运行证明系统稳定可靠,可以满足对0.2~0.5mm原不锈钢带的分条工艺。本系统达到的主要性能为:最大滚切速度达到vm=30m/min,卷径比为Dm∶D0=3∶1,最大分条数目m=10。
摘要：在不锈钢带滚切加工工艺中,原料带钢要经过放卷、滚切、分条卷取3道工序完成。其中放卷与卷取过程是整条生产线的2个重要环节,按滚切工艺要求要确保不锈钢带在恒线速度恒张力条件下进行放料和卷取。采用高性能矢量控制变频器分别驱动放卷、滚切和卷取轴的执行电机,以滚切机传动为基准速,并建立了速度反馈和张力前馈校正相结合的数学模型,实现对不锈钢带恒张力卷取。
关键词：滚切机,卷取控制,恒张力,不锈钢带
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恒张力控制 篇6
关键词：拖网绞机,曳纲,恒张力,模糊PID控制
拖网捕捞是我国最重要的渔业捕捞方式之一。在拖网捕捞作业中,左、右绞机通过曳纲拖曳网具,但渔船会因海浪波动、捕鱼量变化等因素造成曳纲张力变化,使网具的形状发生变形,影响捕捞作业效果[1]。为了保持网具形状,应使曳纲处于恒张力的状态,即当曳纲张力变小时,增加拖网速度;当曳纲张力变大时,减小拖网速度。如何快速、灵敏地调节拖网速度,保持曳纲张力恒值,提高捕鱼效率,是控制系统研究的关键[2]。
传统的拖网绞车大多采用液压驱动的方式,在液压绞车的恒张力控制方面已有相关的研究报道[3,4,5,6,7,8]。随着渔业机械化、自动化、智能化的发展,拖网绞车逐渐由结构复杂、效率较低的液压控制系统向结构紧凑、效率较高的交流电力控制系统转变。一般的拖网绞车电力控制常采用PID控制,结构简单、易于调整[9]。但在实际作业中环境是变化的,造成绞机负载时刻变化,控制系统具有非线性和时变性,系统各参数之间很难建立精确的数学模型。在负载变化的条件下,固定参数的PID控制难以达到理想的控制效果[10,11,12,13]。因此,本文提出将模糊控制和PID控制相结合,采用模糊PID控制系统实现曳纲张力的动态平衡。
1 系统传动原理
曳纲恒张力控制系统主要由张力传感器、电机、控制柜等组成(图1)。其工作原理是:控制柜控制电机,通过减速器、电磁离合器,实现绞机滚筒的调速和正反转、收放钢丝绳,调节曳纲张力。曳纲张力由张力传感器测得,反馈到控制柜,经过模糊PID控制系统运算、比较,通过变频器调节电机,保证绞机处于恒张力状态。
2 系统模型及传递函数
变频器可将其近似处理为一阶惯性环节[14,15],输入电压Uk与输出电压Ud之间的传递函数为:
式中:Kp—变频器变化系数;Ts—控制滞后时间。
变频器采用电压矢量PWM控制,忽略旋转电压的影响,电流Id和电压Ud之间的传递函数可近似为下列公式[16,17,18]:
式中:τ1、τ2—常数;R—电阻,Ω。
由电动机转矩:
式中:Mm—电动机转矩,N·m;KT—常数;Φm—每极磁通量,Wb;Id—转子电流,A;φd—相位角,度。
可得转矩与电流之间的传递函数为:
式中:Kz—常数。
曳纲张力的大小是由电动机转矩所产生的,忽略传动过程中的损耗,得力矩的平衡方程为:
式中:MT—曳纲张力作用于绞机的力矩,N·m;T—曳纲张力,N;D—卷筒直径,m。
可得张力与转矩之间的传递函数为:
由上述公式计算,可得系统总的传递函数为:
3 模糊PID控制系统设计
3.1 模糊PID控制器的设计方案
在PID控制过程中,控制器根据采样时刻的偏差值来计算输出量。离散的PID表达式为:
式中:Kp—比例参数;Ki—积分参数;Kd—微分参数;e(k)—采样时刻的偏差值。
PID控制方法中的Kp可对偏差作出快速响应,加快响应速度有利于稳定。Ki可以消除系统静态误差,提高控制精度;Kd可以预测未来输出,减少系统超调量。采用模糊控制对PID参数Kp、Ki、Kd进行修整,从而减小超调,缩短调节时间,提高控制精度,改善控制性能。因此将模糊控制器和PID控制器结合起来,以获得更好控制效果[19,20,21,22]。模糊PID控制器的系统方案见图2。
模糊控制器采用双输入三输出,以曳纲的实际张力与给定的最优张力值(在保证曳纲安全的情况下,为使工作效率达到最佳而设定的值)之间的偏差E和偏差变化率EC作为模糊控制系统的输入量,根据模糊控制规则,进行模糊控制判断,得到模糊控制系统的输出量PID整定参数ΔKp、ΔKi、ΔKd,并根据PID参数自整定公式对3个参数Kp、Ki、Kd进行修整。
式中:Kp、Ki、Kd—PID参数修整后的值;Ki'、Ki'、Kd'—PID参数初始值。
3.2 变量取值及相应的隶属函数
根据绞机系统的实际情况和控制精度要求,设定张力偏差E和偏差变化率EC的离散论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},对应的模糊语言变量为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},记为{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB};输出控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd的离散论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},对应的模糊语言变量为{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。它们的隶属函数采用三角形隶属函数。
3.3 模糊规则以及推理
根据拖网绞机控制系统特点进行综合和归纳可得如下关系:(1)当张力偏差|E|较大时,为提高响应速度,应取较大的Kp值;为了防止积分饱和,Ki应设置较小甚至为0;为加快系统响应时间,Kd可设置较小。(2)当张力偏差|E|处于中等时,Kp应取较小值,使系统有一定的响应速度且具有较小的超调;Ki、Kd取值应适度,保持系统稳定性。(3)当张力偏差|E|较小时,Kp、Ki值应增加,减小调节静差;为避免系统出现震荡,Kd应减小。通过以上分析,结合现场操作的实际经验,得到模糊控制规则,其相应的模糊推理规则见表1。
3.4 输出量清晰化
应用最大隶属度法进行模糊判断,将输出量由模糊量变为精确量,生成模糊控制查询表。根据PID参数自整定公式得到参数Kp、Ki、Kd的精确值。
4 系统构成
4.1 硬件配置
硬件结构由PLC控制柜、变频器、控制台和手动控制盒构成。PLC主机选用西门子S7-200系列的CPU222PLC控制器;变频器采用西门子MM440变频器(MICROMASTER 440),该变频器有6个数字量输入端口,端口5和6分别控制电机正转和反转。电机的主要参数:额定功率P=4.2 k W,转动惯量J=0.089 kg·m2,常数τ1=2.4 ms,τ2=6.6 ms,KT=4.08 N·m/A。曳纲张力传感器选用PAT销轴式传感器,其外形简单,加工精度高,使用方便,输出4~20 A电信号。选用EM223作为PLC输入/输出模块,用于接受曳纲张力的信号和输出给变频器的调节信号。
4.2 软件设计
4.2.1 下位机软件设计
采用编程软件STEP7对PLC进行编程,图3为主程序流程。
最优张力值通过上位机人工输入,存储到VW100中;张力传感器将采集到的实际张力值存储到VW102中,将计算E、EC值存储到VW104、VW106,将经过模糊处理得到的ΔKp、ΔKi、ΔKd值存储到VW120、VW122、VW124,再计算出Kp、Ki、Kd值,最后将Kp、Ki、Kd值送至PID控制器,进而控制绞机电动机,直至曳纲张力满足要求后,退出程序。
4.2.2 上位机组态设计
本系统使用PC作为上位机。曳纲张力控制分为手动和自动,手动控制部分较简单,自动控制即模糊PID恒张力控制。上位机屏幕可以实时显示曳纲的张力、长度和速度等信号,通过界面,可以直观地了解绞机的运行状态,便于控制。
5 仿真试验
以泰州某船厂拖网绞机自动化项目为例进行仿真验证。在MATLAB的Simulink环境下,建立模糊控制系统的模型,并利用模糊逻辑工具箱,建立模糊推理系统并保存。仿真结果见图4。
图4是输入12 T拉力的阶跃响应曲线,可以看出,采用普通PID控制,输出若要达到稳定,需要1.7 s,调节时间较长,超调量16%左右;采用模糊控制,输出达到稳定的时间是1.1 s,调节时间较普通PID控制稍短,超调量也较小,为6%左右。模糊PID控制在0.8 s后就达到稳定状态,而且几乎没有超调,调节时间比普通PID控制缩短了53%,比模糊控制缩短了27%,充分说明模糊PID能够提高系统的响应性能。
为了测试系统在遇到风浪等偶然性阻力突发因素的影响而导致曳纲张力发生突变时的抗干扰能力,在3 s左右人为地加入一个力作为干扰,力的大小为21.5 T,变化幅度为80%,从图4可以看出,模糊PID控制系统能迅速作出调节,0.7 s左右重新回到最优张力位置,普通PID控制和模糊控制分别需要1.4 s和0.9 s,说明模糊PID能有效地抑制干扰,具有很强的鲁棒性,性能比普通PID控制和模糊控制优越。
6 结论
恒张力控制 篇7
目前纱锭二次绕线普遍在织布厂小批量染线过程中使用。二次绕线使用的恒转速传动是非常经典的控制环节。使用这种简单的控制方法,随着绕线圈数的增加,被纱线缠绕的塑料套筒张力发生变化,导致缠绕后的纱锭内紧外松,不利于后续浸染工序中染料均匀渗透塑料套筒外缠绕的纱线,降低了纱线染色的质量。此外,在染色后的纺织过程中,用松紧程度不一致的纱锭纺出来的布将出现表面凹凸不平整的现象,降低了布匹的质量。
因此,解决纱锭二次绕线恒张力问题是提高纱线染色均匀一致性和布匹平整度的关键。一般的恒张力控制机构比较笨重、复杂,考虑到工厂小批量染线的需求,机构设计应尽可能小巧、简便。张力传感器还要适用工业电磁干扰、油剂污染等恶劣环境。
1 恒张力绕线机机械结构
张力控制系统采用张力传感器测出纱线张力,并作为张力反馈元件,构成闭环控制系统。一次绕线机绕成的放纱筒竖立放在二次绕线机底部平台上。纱线通过弹簧夹持的摩擦片在电机M2控制的张力轮绕2圈,向上通过张力传感器检测纱线二次绕线的张力值,这个张力值作为反馈信号对张力轮进行速度控制。如果张力值有变化,将被传感器检测到,并将变化值送给单片机数据处理,单片机对采集的反馈信号进行A/D转换和PID处理,对执行部件M2电机控制输出的转速从而改变张力[1,2,3]。
如M2<M1,二次绕线卷筒和M2电机之间的纱线就会绷紧,缠绕二次绕线卷纱筒的纱线张力增大;如M2>M1,二次绕线卷筒和M2电机之间的纱线就会松弛,缠绕二次绕线卷纱筒的纱线张力减小。根据预先设定的张力值,进行PID控制,使恒张力传感器测得张力值在一定误差内保持和预设值尽可能接近。
2 张力传感器原理
为了绕线器达到恒张力控制的目的,首先张力传感器要能敏锐感知张力变化,为PID控制采集足够精确的张力变化数据。张力传感器的设计是实现精确控制的第一步,利用了霍尔效应,与一般张力传感器不同的是,霍尔元件与纱线无直接接触,可实现长期可靠工作。传感器用钢外壳封装,可防纺丝油剂污染。
图1所示为张力传感器结构示意图。纱线压在弹片倾斜向上被拉向卷纱筒,受到沿纱线方向的张力,将张力沿垂直方向分解,纱线对弹片有向右的压力,弹片末端装有磁铁,右侧装有霍尔元件,当磁铁在压力下发生形变弯曲,向右靠近霍尔元件,霍尔元件感应到的磁场强度将发生变化,即张力的变化值等效为磁场强度变化量,从霍尔元件输出的磁场强度变化量为模拟量,传给单片机进行数据处理。
由于纺纱环境属强磁工作环境,霍尔元件采集数据也和磁场特性直接相关,因此要尽量避免电机磁场对传感器的干扰,因此将电机封装在闭合金属空间内,防止电磁场泄露对传感器的影响。
3 恒张力绕线机控制单元实现
3.1 建立数学模型
恒张力绕线机控制系统的基本原理,如图2所示。由实验确定绕线电机的某一转速作为给定值。该转速时纱线张力为目标张力,在该转速下纱线张力适中,对绕线产量无影响。由张力传感器测得张力模拟信号经过放大、A/D转换后得到数字信号,传给单片机与给定值进行比较运算,偏差值经过PID调节,经过D/A转换来控制电机驱动器,继而控制电机。整个系统构成一个闭环,使得电机可以根据纱线拉力变换随之调节,从而有效控制纱线张力,达到恒张力控制的目的[4]。
忽略电机拖动系统传动结构中粘性摩擦的扭转弹性,根据电机拖动方程,可得:
式中:Te为电磁转矩;TL为负载阻转矩;Je为机组的转动惯量;ωe为电机角速度。
式中:JL为负载的转动惯量;fL为摩擦系数;ωL为负载角速度。
将式(2)带入式(1),得:
式中:θL为负载的转角;θe为电机的转角。
负载的转角θL和电机的转角θe是直接传动,所以:
在绕线过程中,电机转动的位移量与所控制的张力值成线性关系,电机控制电压与电机转矩亦成线性关系,其关系可表示为:
式中:KF为位移量与张力的比例系数;KT为力矩电机控制电压与电机转矩的比例系数;F为张力值。
将式(4),式(5)代入式(3)中,得:
在绕线控制系统中,半径r与转矩Te成非线性关系,且随着绕线筒转动半径r实时发生变化,故式(7)为时变的二阶系统。假设在某个固定时刻,此时r可以看作是一个定值,并且令:
将式(7)进行拉普拉斯变换,写成传递函数的形式,整理得[5]:
3.2 自适应模糊PID控制器的设计
PID控制是过程控制中应用广泛的一种控制规律,具有结构简单、可靠等优点,对于连续系统的PID控制规律为[6]:
离散系统的PID控制规律为:
常规的PID控制器的参数是固定的数值,而对于参数随着时间不断变化的绕线系统,常规PID控制器的精度不是很高,当参数设置不佳时甚至造成系统不稳定,因此,本系统采用模糊PID控制,可在卷绕过程中,在线跟踪被控过程的动态特性,及时修改参数实现恒张力绕自动化。
模糊PID控制器以3个二维模糊控制器FC1,FC2和FC3的输入误差E,误差变化EC作为输入,控制量ΔKP,ΔKI,ΔKD作为输出,分别完成输入量模拟化、模糊推理运算以及对结果非模糊化过程,不同时刻E和EC对PID参数进行修改,即构成了模糊PID控制器[7]。
3.2.1 输入输出量的模糊化
FC1模糊语言变量的设计:设二维模糊推理输入模糊语言变量为E和EC,模糊论域为[-6,+6],将偏差的模糊语言变量E的语言值设定为8个,即{NB,NM,NS,NZ,PZ,PS, PM, PB}。将偏差变化率的模糊语言变量EC的语言值设定为7个,即{NB, NM, NS, Z, PS,PM,PB}。将输出模糊语言变量ΔKP的语言值设定为7个,即{ NB,NM, NS,Z,PS,PM,PB}。输入输出的隶属函数分布如图3,图4所示[8]。
FC2模糊语言变量的设计:将输入变量E,EC和输出变量ΔKI的语言值都设定为7个,即{NB, NM, NS, Z, PS,PM,PB}。
FC3模糊语言变量的设计:将输入变量E的语言值都设定为7个,即{NB, NM, NS, Z, PS,PM,PB}。将输入变量EC的语言值都设定为6个,即{NB, NM, NS,PS,PM,PB}。将输出变量ΔKD的语言值都设定为7个,即{NB, NM, NS, Z, PS,PM,PB}。
3.2.2 模糊控制规则
为了使模糊规则符合工程上根据系统超调量修正控制器输出的语言习惯,在这里取实际偏差e为反馈值减给定值,即:e(t)=y(t)-r(t)。其中r(t)为给定输入量;y(t)单位负反馈系统的输出量。根据偏差、偏差变化率的不同状态及PID控制基本原理可设计参数自调节模糊PID控制器FC1的模糊控制规则表如表1所示。FC2和FC3的模糊控制规则表以此类推[9]。
以规则IF E=NB and EC=PB then ΔKP=Z为例,当偏差E为NB、偏差变化率EC为PB时,说明被控量远远小于设定值,但以较大的速度减小偏差,因此可保持当前的比例系数,模糊推理输出为Z。再如规则IF E=PB and EC=PB then ΔKP=PB,当偏差E为PB、偏差变化率EC为PB时,说明被控量超调很大,而且以较大的速度加大超调,因此应最大幅度的加大比例系数,以达到迅速减小偏差的目的,此时模糊推理输出为PB。积分系数ΔKI模糊调节规则和微分系数ΔKD模糊调节规则以此类推。
3.2.3 Simulink仿真
在Simulink 中对系统进行建模和仿真实验,被控系统为一个时变二阶系统,采用Matlab的模糊逻辑工具箱来设计模糊控制器,构建的模糊PID控制系统模型如图5所示。
图6给出了在阶跃信号激励下,常规PID控制和模糊PID控制输出曲线的比较。由图6可以看出,要使系统达到稳定,常规PID控制需要14 s以上,模糊PID控制只需要不到8 s。且常规PID控制的超调量也较大,模糊PID控制的稳定值更接近1。模糊PID控制和常规PID控制相比,系统达到稳定的时间更短,可见模糊PID控制方法更具优越性[10]。
4 结 语
在纺织绕线恒张力控制研究中,采用模糊理论的方法进行分析,确定了系统的数学模型和模糊控制规则,在Simulink中仿真的结果表明:模糊PID控制对张力波动起了很好的抑制作用。当被控对象参数发生变化时,能够利用设定的模糊推理方法实时调整PID参数,快速适应被控对象变化,起到更好的控制效果。
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恒张力控制 篇8
在加工制造领域中, 慢走丝线切割机的应用前景非常广泛, 但是电极丝的速度与张力恒定问题一直阻碍着慢走丝线切割机的进一步发展。如果电极丝在加工过程中无法保持恒速恒张力, 将会较严重地影响产品的表面质量和加工精度, 甚至发生断丝现象。电极丝的速度与张力不恒定是目前断丝最为重要的原因, 也是最难解决的问题。鉴于此, 笔者试图开发一套既能满足慢走丝线切割机电极丝的恒速恒张力要求, 又比较经济实惠的智能控制系统, 以满足制造业迅猛发展对慢走丝线切割机的加工效率及加工质量日益增长的需求。
1 控制系统的设计思路
为了实现慢走丝线切割机电极丝的张力和速度2参数的恒定, 采取何种控制方式能更有效更经济地达到目的是首先需要解决的问题。课题研究的恒速恒张力控制系统的设计原理叙述如下:
1.1 恒速控制系统设计原理
由图1可知, 拉丝轮、伺服电机和光电脉冲编码器装配为一体, 若忽略装配上的误差, 伺服电机的转速应等于拉丝轮的转速。要想控制拉丝轮的转速, 只需控制伺服电机的转速即可实现。课题选用光电编码器检测伺服电机转速, 光电编码器由光栅盘和光电检测装置2部分组成。光栅盘是一个在一定直径的圆盘上均匀开通若干长方形孔的装置。当电机旋转时, 光栅盘与电机同速旋转, 经光电检测装置检测并且输出若干脉冲信号, 通过计算单位时间内光电编码器发出的脉冲数就能反映当前电机的转速, 将得到的转速值与设定值比较, 若有偏差, 则通过设计的模糊PID控制算法自动调整PID 3大参数, 进而调整PWM的占空比, 最后在伺服驱动电路的作用下调整伺服电机的转速, 使转速的偏差趋于零, 从而达到转速恒定的目的。
1.2 恒张力控制系统设计原理
课题设定电极丝正常工作时理想的恒定张力为20.0 N。慢走丝线切割机正常工作时, 由于恒速控制系统已保证了拉丝轮的转速恒定且拉丝轮与张力轮物理参数相等, 若要使加工过程中的电极丝张力保持恒定20.0 N, 须使张力轮上伺服电机的转速与拉丝轮上伺服电机的转速相等且保持恒定, 只有这样拉丝轮抽出的电极丝长度与张力轮送出的电极丝长度相等。课题选用张力传感器检测电极丝张力。电极丝张力通过张力传感器实时检测之后, 将张力信号转换为电压信号反馈给CPU。若实际测得的张力值与设定值不相等, 则通过设计的BP神经网络PID算法校正PID参数, 校正好的PID参数进一步修正PWM占空比, 最后在伺服驱动电路的作用下调整张力轮伺服电机的转速, 使张力恢复理想值并继续保持恒定。通常情况下, 张力轮朝电极丝送出的方向旋转, 一旦出现电极丝松弛现象, 张力轮转速变化率应先负后正, 最终与拉丝轮的转速保持一致, 使电极丝恢复到理想张力值。电极丝出现过紧现象时, 张力轮转速变化率应先正后负, 最终与拉丝轮的转速保持一致, 使电极丝恢复到理想张力值。
通过以上对电极丝的恒速恒张力控制思路的阐述, 不难理解电极丝的恒速控制和恒张力控制是相辅相成缺一不可的。试想如果电极丝不能保持恒速, 意味着张力轮送出的电极丝长度与拉丝轮收回的电极丝长度不一定相等, 可想而知电极丝的张力值将一直处于不稳定状态, 也就没有所谓的恒张力。同理, 若电极丝的张力值不能保持恒定, 意味着张力轮永远与拉丝轮不同步, 针对拉丝轮保持其恒速控制的系统也就失去了意义甚至毫无价值。
2 控制算法的选择
控制算法是一个自动控制系统的灵魂, 不同的控制算法将会给同样的控制系统带来不同的控制效果。根据自动控制领域发展的历程看, 自动控制主要经历了3大阶段:常规或传统控制、现代控制和智能控制。前2个阶段主要应用于线性控制系统中, 2种控制方法都是建立在已知被控对象的精确数学模型比如微分方程形式、传递函数形式等数学表达式上。而智能控制主要应用于非线性控制系统中, 不仅适应于已知被控对象的数学模型情况下, 也适应于未知被控对象的数学模型情况下。根据课题的研究背景和现状, 目前采用智能PID控制算法应用于电极丝的恒速恒张力的研究成果较少, 基于此, 笔者选择智能PID控制算法实现电极丝的恒速恒张力控制, 包括模糊PID恒速控制算法和BP网络PID恒张力控制算法。
3 实验分析
3.1 恒速系统的实验分析
电极丝恒速控制系统的理想输出速度为0.18 m/s。实验结果如图2所示, 分析表明:与一般闭环控制、传统PID控制2种算法相比, 模糊PID恒速控制系统稳定时的误差更小, 稳态误差达到±1%以内的响应速度更快, 最大超调速度更小。可见, 将模糊PD控制算法应用于电极丝的恒速控制系统中比较理想, 之所以能达到比较理想的效果是因为模糊PID控制算法能自调整PID 3参数, 从而使系统具有较好的智能性。
3.2 恒张力系统的实验分析
电极丝的张力理想值为恒定20.0 N, 系统无干扰时, BP网络的结构形式为输入层、隐藏层和输出层的层数均为1, 相应3层神经元个数分别为4、5、3, 学习效率η=0.35, 惯性系数α=0.06, 期望误差为0.1 N。实验结果如图3所示, 结果表明:与传统PID恒张力控制系统相比, BP网络PID恒张力控制系统的响应速度更快, 最大超调张力稍小。
4 结语
实验表明, 智能PID控制算法应用于慢走丝线切割机很好地实现了电极丝的恒速恒张力控制, 为提高机械零件的加工质量提供了一条很好的途径。
参考文献
[1]吴玲燕.基于模糊自适应PID算法的研究以及在连续热镀锌生产线张力控制系统中的应用[D]:[硕士学位论文].北京:北京机械工业自动化研究所, 2007
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