李洋，楚建安，張學(xué)乾，武建飛

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

傳統(tǒng)的圓網(wǎng)印花機(jī)印花是由各個(gè)圓網(wǎng)跟隨導(dǎo)帶的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)帶速度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，導(dǎo)帶輥電機(jī)光電編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化，那么導(dǎo)帶輥電機(jī)光電編碼器發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)電子齒輪后發(fā)給各個(gè)圓網(wǎng)伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)也會(huì)變化，正是由于這種變化實(shí)現(xiàn)了各個(gè)圓網(wǎng)與導(dǎo)帶的跟隨。但這種跟隨會(huì)產(chǎn)生一定誤差，本文分析了誤差產(chǎn)生的原因，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。

1 誤差產(chǎn)生原因

圓網(wǎng)印花機(jī)印花產(chǎn)生的誤差主要有兩個(gè)來源:

(1)機(jī)械原因，主要是機(jī)械加工精度造成的，可以通過適當(dāng)?shù)拇胧﹣硌a(bǔ)償。

(2)電氣控制原因，各個(gè)圓網(wǎng)與導(dǎo)帶不能保持同步造成的，此為主要原因。整個(gè)印花過程如圖1所示。

在印花過程中，坯布跟隨導(dǎo)帶依次通過圓網(wǎng)1，圓網(wǎng)2直到圓網(wǎng)n，假設(shè)各個(gè)圓網(wǎng)的速度是絕對(duì)同步的，圓網(wǎng)的周長為S，導(dǎo)帶的線速度為V1，圓網(wǎng)的線速度為V2，那么圓網(wǎng)轉(zhuǎn)過一圈所印花回的長度為L(假設(shè)無相對(duì)滑動(dòng)):

由公式(1)可以看出，只要保證導(dǎo)帶線速度與圓網(wǎng)線速度的比值恒定，那么各個(gè)圓網(wǎng)在坯布上的印花長度都為 L，不會(huì)發(fā)生錯(cuò)花現(xiàn)象。如果圓網(wǎng)和導(dǎo)帶的線速度發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)帶的線速度變?yōu)閂'1，圓網(wǎng)的線速度變?yōu)?V'2，由公式(1)可知，只要此時(shí)V'1和V'2的比值沒有發(fā)生變化，那么圓網(wǎng)在坯布印的花回長度還是L，仍不會(huì)發(fā)生錯(cuò)花現(xiàn)象。

圖1 圓網(wǎng)印花機(jī)工作過程示意圖

如果導(dǎo)帶和圓網(wǎng)的線速度波動(dòng)導(dǎo)致所印花回長度變?yōu)長'(L≠L')，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生ΔL的錯(cuò)花。在印花過程中圓網(wǎng)1先印花，印花時(shí)刻為t1，圓網(wǎng)2后印花，印花時(shí)刻記為t2。假設(shè)在t1時(shí)刻，導(dǎo)帶的速度為V3，圓網(wǎng)的線速度為 V4;在 t2時(shí)刻，導(dǎo)帶的速度為V'3，圓網(wǎng)的線速度為 V'4，則:

由公式(2)可知，要控制圓網(wǎng)和導(dǎo)帶兩個(gè)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)特性以保證印花過程中不錯(cuò)花，只需保證在速度波動(dòng)過程中導(dǎo)帶速度和圓網(wǎng)速度的相對(duì)值恒定即可，即圓網(wǎng)和導(dǎo)帶的相對(duì)線速度同步[1]。但在實(shí)際印花過程中，圓網(wǎng)和導(dǎo)帶之間的同步是依靠圓網(wǎng)跟蹤導(dǎo)帶來實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)帶速度V1經(jīng)光電編碼器轉(zhuǎn)換成脈沖串，經(jīng)脈沖處理轉(zhuǎn)換成新的頻率的脈沖串(分機(jī)板功能)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)帶動(dòng)圓網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)過程是有延時(shí)的，延時(shí)時(shí)間為T，如圖2所示。

圖2 信號(hào)延時(shí)示意圖

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)速度補(bǔ)償器，減少了信號(hào)的延時(shí)，使圓網(wǎng)的線速度與導(dǎo)帶跟隨特性得到很大提高，從而使印花精度也得到了提高。

2 傳統(tǒng)圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)與系統(tǒng)的改進(jìn)

傳統(tǒng)的圓網(wǎng)印花機(jī)大多采用精度相對(duì)較高的伺服控制系統(tǒng)，而伺服驅(qū)動(dòng)器大都是三環(huán)控制，即位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)。

注意到位置調(diào)節(jié)器的輸出是不能單獨(dú)控制的，所以在帶有位置環(huán)結(jié)構(gòu)的多環(huán)系統(tǒng)中，位置調(diào)節(jié)器的輸出是作為速度的內(nèi)環(huán)給定，因此按照位置給定實(shí)現(xiàn)同步的方法中，速度同步就已經(jīng)失去了真正的意義[2]。這時(shí)圓網(wǎng)的速度可能會(huì)出現(xiàn)不同于導(dǎo)帶速度的大幅震蕩，導(dǎo)致速度的不同步，從而造成錯(cuò)花、亂花。傳統(tǒng)圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)，如圖3所示(以兩個(gè)圓網(wǎng)為例)。

圖3 傳統(tǒng)圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)

鑒于以上情況，要使速度同步，就必須采用合適的控制策略，引入速度閉環(huán)。本文運(yùn)用了速度補(bǔ)償器來滿足以上要求。

3 速度補(bǔ)償器同步控制策略

要使各個(gè)圓網(wǎng)與導(dǎo)帶線速度同步，就必須引入速度閉環(huán)控制。引入方法如圖4所示(以兩個(gè)圓網(wǎng)為例)。

圖4 改進(jìn)后圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)

真正實(shí)現(xiàn)速度的同步，最好是將速度的給定值直接加到速度控制器的前端，但由于在圓網(wǎng)印花機(jī)系統(tǒng)中，多個(gè)電機(jī)還必須要求位置同步，因此位置環(huán)又是必須的。引入補(bǔ)償器以后，將導(dǎo)帶的速度與各個(gè)圓網(wǎng)的線速度的誤差輸入到補(bǔ)償器，經(jīng)過補(bǔ)償器再控制各個(gè)圓網(wǎng)的加速和減速，來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)帶與圓網(wǎng)速度的跟隨。

4 速度補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)

如今大多數(shù)控制器采用常規(guī)PID控制，而常規(guī)的PID控制也具有很強(qiáng)的生命力。第一，PID控制對(duì)大多數(shù)過程都具有良好的控制效果和魯棒性;第二，PID算法簡單，理論體系成熟且應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富。但是，過程的動(dòng)態(tài)大都具有非線性，大延遲以及時(shí)變特性，因此模型很難確定。常規(guī)PID也有不足之處，比如:PID參數(shù)一旦確定，將不能改變，而現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中存在許多非線性環(huán)節(jié)，其特性隨時(shí)間的變化而變化，顯然一組PID參數(shù)不能很好的滿足要求。

本文采用模糊控制與常規(guī)PID相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)速度補(bǔ)償器，當(dāng)檢測到的誤差大于a時(shí)，先使用模糊控制快速減少誤差，當(dāng)誤差小于a時(shí)，轉(zhuǎn)到常規(guī)PID控制。這樣避免了誤差很大時(shí)使用常規(guī)PID所產(chǎn)生的積分飽和現(xiàn)象，以及誤差跳變所帶來的微分飽和現(xiàn)象[3－4]，引入方法如圖 5 所示。

圖5 速度補(bǔ)償器原理圖

對(duì)于模糊控制最重要的就是模糊規(guī)則的建立，圓網(wǎng)印花機(jī)印花時(shí)，速度最大誤差大約在1%左右，假如車速開到120 m/min，那么誤差的基本論域?yàn)閇－1.2 1.2]，為了提高系統(tǒng)的柔性，現(xiàn)把誤差e的基本論域定為[－2 2]，誤差變化率ec的基本論域?yàn)閇－1 1];將前兩者的模糊論域定為[－6 6];輸出的基本論域定為[－1 1]，模糊論域定為[－10 10]。因此，可以確定偏差的量化因子Ke=3，偏差變化率的量化因子 Kec=6，輸出量的量化因子Ku=0.1。

將模糊語言變量E的語言值設(shè)定為9個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，負(fù)微(NW)，零(ZO)，正微(PW)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，偏差變化率的模糊語言變量 EC的語言值設(shè)定為7個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，將輸出模糊語言變量DU的語言值設(shè)定為9個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，負(fù)微(NW)，零(ZO)，正微(PW)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

根據(jù)控制理論和經(jīng)驗(yàn)可以確定63條模糊規(guī)則，如表1所示[5]。

表1 模糊控制規(guī)則表

最后通過解模糊將輸出量疊加到伺服驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)，完成速度誤差的粗調(diào)，當(dāng)誤差小于a時(shí)，轉(zhuǎn)到常規(guī)PID控制。

通過對(duì)大量的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算及軟件仿真，確定了速度伺服單元的開環(huán)傳遞函數(shù)近似等效為[1]:

以下的仿真就是在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

5 系統(tǒng)仿真結(jié)果對(duì)比

以下為圓網(wǎng)印花機(jī)不加速度補(bǔ)償器與加上速度補(bǔ)償器仿真曲線的對(duì)比;以及導(dǎo)帶速度發(fā)生波動(dòng)時(shí)的仿真曲線，并且在t=5 s時(shí)加入一擾動(dòng)，以下為網(wǎng)1對(duì)導(dǎo)帶速度的跟隨為例的仿真曲線，其他圓網(wǎng)跟隨曲線與其相似，本文不再詳細(xì)介紹。

由以上仿真曲線可以看出:起動(dòng)過程初期各個(gè)圓網(wǎng)轉(zhuǎn)速有一定的滯后，圓網(wǎng)印花機(jī)引入速度補(bǔ)償器后比無補(bǔ)償時(shí)起動(dòng)更快，更早進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，在相同擾動(dòng)量的情況下，帶補(bǔ)償器比不帶補(bǔ)償器抗干擾能力更強(qiáng)。因此，帶速度補(bǔ)償器的同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更具有理想的同步性能。

6 結(jié)束語

圓網(wǎng)印花機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)在很大程度上改善了印花過程中出現(xiàn)的跑花、錯(cuò)花現(xiàn)象，在保證位置的同時(shí)，使圓網(wǎng)線速度與導(dǎo)帶速度實(shí)現(xiàn)很好跟隨，減少印花誤差產(chǎn)生，提高了對(duì)花的精度，對(duì)國內(nèi)圓網(wǎng)印花機(jī)的發(fā)展具有重要意義。參考文獻(xiàn):

[1]張團(tuán)善.圓網(wǎng)印花機(jī)獨(dú)立傳動(dòng)控制系統(tǒng)研制[D].西安:西安工程大學(xué)，2005.

[2]萬鵬飛.凹印機(jī)伺服系統(tǒng)同步控制策略研究[D].長沙:中南大學(xué)，2009.

[3]劉波.基于模糊控制的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

[4]劉福才，張學(xué)蓮.基于模糊PID補(bǔ)償控制的多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].電氣技術(shù)，2002，10(8):76 －80.

[5]劉金琨.先進(jìn) PID控制 MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.