圆网印花机误差分析与系统改进

2013-12-14 07:39李洋楚建安张学乾武建飞

电气自动化 2013年2期

李洋，楚建安，张学乾，武建飞

(西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048)

0 引言

传统的圆网印花机印花是由各个圆网跟随导带的速度进行转动，导带速度发生波动时，导带辊电机光电编码器发出的脉冲信号也会发生变化，那么导带辊电机光电编码器发出的信号，经电子齿轮后发给各个圆网伺服驱动器的信号也会变化，正是由于这种变化实现了各个圆网与导带的跟随。但这种跟随会产生一定误差，本文分析了误差产生的原因，并对系统进行了改进。

1 误差产生原因

圆网印花机印花产生的误差主要有两个来源:

(1)机械原因，主要是机械加工精度造成的，可以通过适当的措施来补偿。

(2)电气控制原因，各个圆网与导带不能保持同步造成的，此为主要原因。整个印花过程如图1所示。

在印花过程中，坯布跟随导带依次通过圆网1，圆网2直到圆网n，假设各个圆网的速度是绝对同步的，圆网的周长为S，导带的线速度为V1，圆网的线速度为V2，那么圆网转过一圈所印花回的长度为L(假设无相对滑动):

由公式(1)可以看出，只要保证导带线速度与圆网线速度的比值恒定，那么各个圆网在坯布上的印花长度都为 L，不会发生错花现象。如果圆网和导带的线速度发生波动，导带的线速度变为V'1，圆网的线速度变为 V'2，由公式(1)可知，只要此时V'1和V'2的比值没有发生变化，那么圆网在坯布印的花回长度还是L，仍不会发生错花现象。

图1 圆网印花机工作过程示意图

如果导带和圆网的线速度波动导致所印花回长度变为L'(L≠L')，此时就会产生ΔL的错花。在印花过程中圆网1先印花，印花时刻为t1，圆网2后印花，印花时刻记为t2。假设在t1时刻，导带的速度为V3，圆网的线速度为 V4;在 t2时刻，导带的速度为V'3，圆网的线速度为 V'4，则:

由公式(2)可知，要控制圆网和导带两个传动链的传动特性以保证印花过程中不错花，只需保证在速度波动过程中导带速度和圆网速度的相对值恒定即可，即圆网和导带的相对线速度同步[1]。但在实际印花过程中，圆网和导带之间的同步是依靠圆网跟踪导带来实现的，导带速度V1经光电编码器转换成脉冲串，经脉冲处理转换成新的频率的脉冲串(分机板功能)发送给伺服驱动器控制伺服电机带动圆网转动，整个过程是有延时的，延时时间为T，如图2所示。

图2 信号延时示意图

针对以上问题，设计了一个速度补偿器，减少了信号的延时，使圆网的线速度与导带跟随特性得到很大提高，从而使印花精度也得到了提高。

2 传统圆网印花机控制系统与系统的改进

传统的圆网印花机大多采用精度相对较高的伺服控制系统，而伺服驱动器大都是三环控制，即位置环，速度环和电流环。

注意到位置调节器的输出是不能单独控制的，所以在带有位置环结构的多环系统中，位置调节器的输出是作为速度的内环给定，因此按照位置给定实现同步的方法中，速度同步就已经失去了真正的意义[2]。这时圆网的速度可能会出现不同于导带速度的大幅震荡，导致速度的不同步，从而造成错花、乱花。传统圆网印花机控制系统，如图3所示(以两个圆网为例)。

图3 传统圆网印花机控制系统

鉴于以上情况，要使速度同步，就必须采用合适的控制策略，引入速度闭环。本文运用了速度补偿器来满足以上要求。

3 速度补偿器同步控制策略

要使各个圆网与导带线速度同步，就必须引入速度闭环控制。引入方法如图4所示(以两个圆网为例)。

图4 改进后圆网印花机控制系统

真正实现速度的同步，最好是将速度的给定值直接加到速度控制器的前端，但由于在圆网印花机系统中，多个电机还必须要求位置同步，因此位置环又是必须的。引入补偿器以后，将导带的速度与各个圆网的线速度的误差输入到补偿器，经过补偿器再控制各个圆网的加速和减速，来实现导带与圆网速度的跟随。

4 速度补偿器的设计

如今大多数控制器采用常规PID控制，而常规的PID控制也具有很强的生命力。第一，PID控制对大多数过程都具有良好的控制效果和鲁棒性;第二，PID算法简单，理论体系成熟且应用经验丰富。但是，过程的动态大都具有非线性，大延迟以及时变特性，因此模型很难确定。常规PID也有不足之处，比如:PID参数一旦确定，将不能改变，而现实系统中存在许多非线性环节，其特性随时间的变化而变化，显然一组PID参数不能很好的满足要求。

本文采用模糊控制与常规PID相结合的方式设计速度补偿器，当检测到的误差大于a时，先使用模糊控制快速减少误差，当误差小于a时，转到常规PID控制。这样避免了误差很大时使用常规PID所产生的积分饱和现象，以及误差跳变所带来的微分饱和现象[3－4]，引入方法如图 5 所示。

图5 速度补偿器原理图

对于模糊控制最重要的就是模糊规则的建立，圆网印花机印花时，速度最大误差大约在1%左右，假如车速开到120 m/min，那么误差的基本论域为[－1.2 1.2]，为了提高系统的柔性，现把误差e的基本论域定为[－2 2]，误差变化率ec的基本论域为[－1 1];将前两者的模糊论域定为[－6 6];输出的基本论域定为[－1 1]，模糊论域定为[－10 10]。因此，可以确定偏差的量化因子Ke=3，偏差变化率的量化因子 Kec=6，输出量的量化因子Ku=0.1。

将模糊语言变量E的语言值设定为9个，即{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，负微(NW)，零(ZO)，正微(PW)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，偏差变化率的模糊语言变量 EC的语言值设定为7个，即{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，将输出模糊语言变量DU的语言值设定为9个，即{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，负微(NW)，零(ZO)，正微(PW)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

根据控制理论和经验可以确定63条模糊规则，如表1所示[5]。