（控制理论与控制工程专业论文）基于智能控制的多电机同步驱动系统.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了踞 确的说明并表示谢意。 签名：圣垒囱日期：如。 f 年伽岁日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：琵丛l导师签名：茎兰二 日期：e 年6 - 月1 曰 江南大学硕士学位论文 摘要 多电机同步驱动在工业生产线上具有广泛的应用。其同步效果直接影响产品的质量。由 于生产工艺的要求，多级电机之间会产生一定的耦合作用，因此在动态过程中使用传统的p i d 控制效果并非最佳。本文在新型直线式拉丝机的实际生产工艺基础上，采用智能控制器对多 电机系统进行同步控制。 通过对生产过程的分析，将运行过程分为动态过程和稳态运行两种。动态过程指启动过 程或经过较大扰动的恢复过程。在动态过程中，张力的变化是非线性的，且不同的原料特性、 不同的产品规格都对张力有所影响。因此，考虑采用智能控制器。当张力值达到设定要求时， 对各道电机的同步速度分配完成，即可转入稳态运行过程。这时只需各道电机保持过渡过程 结束时的转速运行，采用单神经元p i d 控制器。同时针对恒线速度收卷的要求，对收卷辊设 计了恒线速度自适应控制器，通过对收卷辊卷径的实时辨识来达到恒线速度收卷的目的。最 后，在实验室里搭建一个与生产现场类似的实验环境，分别用上位机和p l c 来实现上述几个 控制器。 关键词： 多电机、同步驱动、张力、智能控制 2 英文摘要 a b s t r a c t t h es y n c h r o n i z a t i o no fm u l t i m o t o ri sa p p l i e dw i l d l yi ni n d u s t r yp r o d u c t i o nl i n e s i t se f f e c tw i l l d i r e c t l y i n f l u e n c et h e q u a l i t y o fp r o d u c t i o n b e c a u s eo ft h e w o r k m a n s h i p sl i m i t ，t h e r ew i l lb ei n t e r a c t i o na m o n gt h em o t o r s s ot h er e s u l t so ft h e t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o ld u r i n gd y n a m i cp r o c e s sa r e n ta l w a y ss a t i s f i e d i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep u l l i n gs t e e l w i r em a c h i n e sr e a lt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ， i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r sa r eu s e dt om a k et h es y n c h r o n o u s c o n t r o l l i n g o ft h e m u l t i m o t o rs y s t e m b a s e do na n a l y s i so fp r o d u c t i o np r o c e s s ，w ed i v i d et h er u n n i n gc o u r s eo ft h e m u l t i m o t o rs y s t e mi n t od y n a m i cp r o c e s sa n ds t a b l ep r o c e s s t h ef o r m e rm e a n s s t a r t u pp r o c e s so rr e s u m ep r o c e s sa f t e rc o n s i d e r a b l ed i s t u r b a n c e d u r i n gt h ep r o c e s s ， t h et e n s i o nc h a n g i n gi sn o n l i n e a r a n di ti se v e na sd i f f e r e n ta sr a wm a t e r i a la n d n o r m so fp r o d u c t i o n s o ，w es e l e c ti m e l l i g e n tc o n t r o l l e r s w h e nt h ev a l u eo ft e n s i o n e q u a lt ot h eg i v e na m o u n t ，t h es y n c h r o n o u ss p e e d sd i s t r i b u t i o nf o re a c hm o t o ri s d o n e ，m a dt h es t a b l ep r o c e s sb e g i n i nt h ep r o c e s se v e r ym o t o rj u s tn e e dt oh o l di t s v e l o c i t y , s ow eu s es i n g l en e u r a lp i dc o n t r o l l e r a n db e c a u s eo ft h ed e m a n do f r e w i n d so ni n v a r i a b i l i t yl i n ev e l o c i t y , w eu s ea ni n v a r i a b i l i t yl i n e v e l o c i t ya d a p t i v e c o n t r o lo nt u c k i n gr o l l e lw h i c he s t i m a t et h er a d i u st oc a l c u l a t et h er o l l e r st u m v e l o c i t y a tt h el a s t ，w ec o n s t i t u t eae x p e r i m e n tc i r c u m s t a n c e si nl a b o r a t o r y , w h i c hi s s i m i l a rt or e a lp r o d u c tl i n e ，a n dr e a l i z et h o s ei n t r o d u c e dc o n t r o l l e r sr e s p e c t i v e l yb y p e r s o n a lc o m p u t e ra n dp l c k e y w o r d s ： m u l t i m o t o r 、s y n c h r o n i z a t i o nd r i v e 、t e n s i o n 、i n t e l l i g e n tc o n t r o l 坚壹查鲎蹩主堂堡笙塞 第一章绪论 1 课题的背景 随着工业自动化程度的提商和生产蕊模的扩大，各种生产线、输送线的长度和输送功率 不断增加，采用荦电机驱动往锰难以满足生产的要求，必须采用多电机同步驱动的方式。 目前，大多数工业企业生产上的远距离、大功率传动生产线大多采用交流变频调速控制 方式。缝藏多缀翳步驱动系绞之惹，获驱凌魄撬之瀛豹遥接关系看哥分嚣类【l 】：一类楚各驱 动电机依赖链式传送线迸行物理连接，各电机的工作状恣相互影响，彼此之间存在麓严重的 耦合作用，许多工厂的生产线、装配线就属于这类：另一类是各电机之间相互独立，电机之 间不存在物理连接，采用多级电机同步驱动主要是生产工艺的需要，如锕厂的连铸桃、冷( 热) 氯撬，纺缓盈豹染整辊，造纸穰、拉丝掇都满予这类嗣步驱动。褒这黧系统中多个 乜税之溺 协调结果的好坏，囊接影响生产效率和产品质量。因此，多电机协调的研究具有非常重要的 现实意义。本论文所研究的对象针对后一类控制系统，主臻基于冷轧机、拉丝机等生产线。 多个独立电动毒晁瓣同步驱动控制较链式迤接目步传动为单缝，控制系统所要织决的阕题 是校箍生产工艺静要求来决定嚣电动掇豹潮步转速，季每戚独立簸速度怒傣溺环控镑系统或速 度比值闭环控制系统。前者适用于等速多电机驱动控制，后者适用差遮多电机驱动控制。 1 2 课题发展现状 。2 + 传统多毫辜莛国多鬻动系统 目前国内此必生产线的驱幼主要有直流调速系统驱动和交流调速系统驱动两大类。其中 采用赢流调速系统驱动的设备大多数是2 0 世纪9 0 年代以前开发设计的，此类产品一般采用 楼拟摄蛉控制方法。这穗系统瓣良动他程度低，控制误麓较大，设备魔大。采用交流调速驱 动静设备大多蔻2 0 氆纪9 0 年代后重内；| 逐瀵纯国步 免邋技术，并对装升级换代瑶投入生产 的。这种设备的性能指标较之原有直流调速设备有了大幅度的提高。 独立多电机同步驱动系统中，各电动机的速度大小、负荷都是相对独立的，不会产生太 大筑藕合，一般各个翘巧回路中控毒4 器款控鸯l 援律和控铡参数也按健绫革阕环速度控镂系统 设计考虑。但作为多电视同步积动控制系统，当然不会怒多个单闭环控制回路豹简单缀台 2 j l j j 。 在传统的多电机同步驱动系统中，各电机的速度调节器多采用比例积分( p i ) 调节器。 其控制方案原理圈如图1 1 示： 蹋1 1 传统多电机弼步控锎结构图 4 |也1丁上一工气鬯 一 再烈( 融。i 烈 第一章绪论 图1 1 中，m l 、m 2 、m ，、m 。为电动机，h m l 为主令电机，m 2 、 m 。、m 。为从动机；e 。、e ：、e ，、e 分别为电动机的调速电源( 直流调 速器或交流变频器) ；g 、g ：、g ，、g 。为速度传感器：采用比例一积分( p i ) 控 制对各级转速偏差进行调节，1 3 为主令速度给定，口。、口，、口。分别为m ：、 肘。、吖。的同步比例系数。电气传动同步控制根据主从电机的实际转速差，并根据系 统的同步控制要求，设置适合的同步l g f f l l 系数，从而实现从动机与主动机协调运行，满足系 统的比值同步要求。 这种调节器具有结构简单，可靠性高的优点 4 1 。通过调整比例系数( 、盘，、 口，) ，可保证系统稳态工作时的调速精度。但也存在如下缺点：动态时各电机难以满足恒张 力恒线速度限定条件下的同步驱动，系统受较大扰动或参数、结构发生变化时不能保证比值 同步驱动的速度关系。而且p i d 控制器对非线性系统的控制性能较差，并且在系统参数或结 构发生变化时，需要对p i d 控制器参数重新调整。此外，如果生产工艺的要求变化，如被加 工对象的材质或线经、规格变化，必须人工调整比例同步系数。卷取( 或卷出) 过程中要保 持恒线速度或恒张力运行，又要引入卷径变量控制；使系统自动化程度降低，参数调节频繁， 操作更为复杂，甚至会变得难以掌握h j 。因此，用传统的p i d 方法进行控制的效果往往很不 理想。 目前实际系统中较为先进的控制方式是在系统中对各电机的实际速度进行同步监测【6 j 【”， 并针对主一从电机问存在的转速差确定同步补偿量进行补偿控制【2 】。实际系统中，同步补偿 量首先根据各台电动机的工艺允许的转速比确定比例同步速误差带，当不同电机间的转速偏 差在允许的误差带内时，认为系统正常同步，否则进行同步补偿调整，在系统严重不同步时 还应控制电动机紧急刹车并发出报警。上述同步控制器在实际系统中通常采用单片机、p l c 或工控p c 机来实现【8 1 。本论文所研究的实际生产对象直线式拉丝机生产线就属于此类设 备。 1 2 2 带张力补偿的转速开环控制的多电机同步驱动系统 在1 2 1 节中介绍了传统多电机同步驱动系统的控制原理和结构。由于没有引入张力信 号，导致在动态过程或系统参数变化时此类系统不能满足控制和工艺要求。为了获得较为满 意的动态和静态特性，引入张力信号进行恒张力前馈补偿调节。张力调节器般采用比例调 节器。当各道电机的比例同步速设定精确的满足工艺要求时，在系统进入稳定运行后，张力 调节器的输出补偿量为零。这时系统的实际张力就等于设定张力，实际转速等于设定转速。 张力前馈补偿的作用主要有两点：一是根据生产工艺的要求设定不同等级的张力，保证钢 丝加工的精度；二是对扰动的快速恢复，保证动态过程中拉丝机各道转速的比例同步【4 】。 采用这种方式的多电机同步驱动系统的组成结构如图1 2 所示。一般取最后一台卷筒电 江南大学硕士学位论文 机的转速为基准，前n 1 道电机的转速按工艺要求以一定比例与其同步，比例同步转速由各 电傻器选择，在穗态时满足各暹卷篱鲍出口秒滚量相等鳃蹶则。取张力辘静实际张力鲣与张 力绘定傻麓镶差缀魄镶放大后 擘为蔚续脊缮调：誊信号，帮髓n i 道电枫豹控割是戳瓣：铡丽步 速控制为主，张力补偿为辅的控制原则。如果需要调整工艺参数，则可以通过改变张力的没 定值和前n l 道电机的同步比例系数实现。 网1 ，2 拉丝机比值同步控制结构图 图1 2 可知，采用带有张力补偿的转速开环控制的多电机同步驱动系统，由于引入了 张力蘩号，在魂态娃筏方蘧有了较大提裹。德出予采用懿是转速开环控薏攫，在系统爨悫运行 时存在静态误差；如果生产工艺参数变纯着( 如钢丝直径改变) ，要求入工调整比例阔步系数 ，系统自动化程度较低。 1 2 3 本论文的控制对象和控制任务 本论文所讨论的拉丝祝蹙翻前技术最为先迸的直线式拉丝机。与传统的拉丝枫糯比，直 线式挝丝机采用的是交流异步电机，而传统照筒式拉丝机所采用的是调速电机( 电磁转差离 合器) ，前者比后糟控制效果要离；且与后者相比直线式搬熊机所拉成的钢丝在拉拔过程中不 援麴，菠产品蔟鬟褰镪丝肉应力 ! 譬裂露靠豫疆。 宜线式拉丝机生产工艺过稷如图1 3 所示。将整卷的钢丝开卷校毂，经过n 道潦筒拉拔 ，靠备卷筒之间的张力辊控制张力和同步速偏差量。由于疆将原料线材拉伸成所需的规格， 钢丝成型需经过披攘，两各邀挝模的出丝口镪不同，造成桷邻卷筒的转速各不相同，因此各 遥卷筒阚豹强力辘掰承受豹张力馕氇不耱闲。最后经j 童一个张力捡测及缓渖装嚣屠蠡l 毅卷辍 进彳亍恒张力收卷。其生产流程如图1 3 所示： 卷筒l端简2卷筒n 。 鼬p 。 张力辊 收卷糍 圈1 3 直线式拉栏机的生产流校示意图 可见，想要将钢丝拉拔成一定的规格，必须严格控制备道电机的转速比，从而由控制各 道电机之问的转速麓来控制对钢丝产生的拉力。而各道电机之间的转速的变化会引趣相邻之 6 第一章绪论 间张力辊位置的变化。由此可知，张力辊的位置是相邻卷筒对钢丝拉力的标志。要获得较高 的加工精度，就要求电气传动系统在高速运行时具有良好的张力控制和相应的比例同步转速 协调控制性能。除应保证相邻卷筒之间的张力值恒定外，还要求驱动各道卷筒的电机在静态 和动态过程中其转速必须保持精确的比例同步，以实现各道卷筒问出口秒流量相等的控制原 则，即式( 1 1 ) 成立： s 1 v 1 = = s i v = = s 。v 。 其中s 、v 分别是第i 道卷筒出口处钢丝的截面积和线速度。 e 式在稳态过程中，只要调整好合理的比例同步系数，各道间的比例同步驱动是比较容 易实现的。但在过渡过程中( 如启制动或受较大扰动后的恢复) ，式( 1 1 ) 难以成立。因此 必须利用张力调节，尽快地补偿偏差，使系统动态亦满足式( 1 1 ) ，并在过渡过程中尽可能 的减小各道张力的波动，实现快速恢复【4 】。 1 3 本论文的主要工作和创新点 由于直线式拉丝机的工艺本质e 属于金属轧制范围，因此在金属轧制的理论基础上，跟 据系统的控制特点和生产工艺的特殊要求，达到系统运行稳态时无静态误差：动态时响应快、 抗扰性能好；当工艺或系统参数变化后，系统能辨识和自动校正，实现完全的自动控制。与 前述分析的传统系统比较进行了如下几方面工作和创新设计： 1 3 1 主要工作 ( 1 ) 建立基于张力恒定的多单元同步驱动数学模型； ( 2 ) 本系统利用可编程控制器，通过其多点接口( m p i ) ，将计算机( 上位机) 和变频器连接成 一个工业控制网络。由上位机实现系统的控制算法和实时监控，由p l c 实现系统的启动、 停止、稳态运行的控制和保护等逻辑控制任务： ( 3 ) n 用实验室现有的设备，构造一个与生产现场类似的实验环境。其中的关键控制装置均采 用实际系统中可直接使用的设备，如可编程控制器是s i e m e n s 的s 7 3 0 0 ，变频器是s i e m e n s 的m m v ，并采用m p i 通讯方式。上位机监控软件及界面采用s i e m e n s 的w i n c c 组态软件 编程实现b p 神经网络控制器和自适应控制器，并利用编制在p l c 的用户程序实现单神经元 p i d 控制算法。 1 3 2 主要创新点 ( 1 ) 设计一个b p 神经网络控制器，利用采集到的现场张力和速度指令，在加工对象的工艺 参数或系统参数变化后，使各电机比列同步速按工艺要求实现智能化自动调整，始终保证整 个系统动态过程满足式( 1 1 ) 的比例同步驱动； ( 2 ) 对每个单元驱动设计单神经元p i d 控制器，构成基于转速反馈控制的智能调速系统，实 现各驱动单元的稳态无差和动态快速响应： ( 3 ) 设计一个基于最小二乘算法的自适应控制器，满足卷取过程恒线速度及恒张力的控制要 求。 江南大学硕士学位论文 1 4 本章小节 本章介绍了课题的背景和发展现状。在说明了控制对象的生产工艺原理后，提出了控制 要求，即本论文要完成的控制任务。最后基于控制对象的原理和控制任务的要求，说明了本 论文所要完成的主要工作和创新点。 第二章摹于恒张力的多单元同步驱动系统的组成及方案确定 第二章基于恒张力的多单元同步驱动 系统的组成及方案确定 2 1 同步驱动系统的组成 整个控制系统由现场控制级和决策指导级两个层次构成。在现场控制级，利用变频器驱 动交流电机调速控制。在决策指导级，由一台p c 机作为总的监控操作站，生产现场的控制 信息交流电机的实h , 1 转速和张力传感器的测量值通过一台具有通信功能的可编程控 制器( p l c ) 发送给上位p c 机，p c 机根据得到的数值进行控制运算，并将运算结果( 控制 量) 再通过可编程控制器下达到现场控制级的各个变频器。其系统结构图如图2 1 所示： 多蕊沁弧 一! 。i 。一。一一j 一一一i 一一一 咋j 哐刍哐刍哐3 嶝制图图圉 ，图 一一一一一：二：。，。一j 二。一一；二二一一。2 - ，一二二：二一一一 r 事 图2 1 控制系统的组成结构示意图 其中，可编程控制器作为连接现场控制级和决策指导级两个层次的桥梁。它根据系统控 制要求的需要组成主从( m a s t e r s l a v e ) 控制方式。由上位p c 机和p l c 作为整个系统的 控制主站，变频器作为分布控制从站。控制从站只能响应主站的询问应答，将数据发往主站 或者从主站得到数据指令，如图2 2 所示： 图2 2 控制系统的功能结构图 虽然目前已有许多变频器支持远程控制，增加附选件亦可直接作为主机控制多台其它设备， 但使用可编程控制器不仅可以优化系统结构、简化系统通讯、合理分配系统资源；而且可以 完成系统绝大多数的逻辑控制任务，使p c 机和变频器的工作分流，达到任务分散、控制集 中的效果，可以有效地提高控制的实时性和安全性。 系统实际实现时，变频器和可编程控制器分别采用德国s i e m e n s 公司的m m v 变频器 和s 卜一3 0 0 系列可编程控制器。上位机选择范围较大，为获得较高抗扰性能多采用工控机。 9 互怵 江南大学硕士学位论文 2 1 1s l e m e n ss i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 9 1 s i e m e n ss i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 是s i e m e n s 公司生产的适合用于中等规模性能要 求的模块化p l c 系统，它具有模块化、分布式、易安装、无风扇结构等特点，使其成为实现 各种中、小规模系统的廉价而方便的解决方案。全系列共有8 个基本型号的c p u ，分别是 c p u 3 1 2 i f m 、c p u 3 1 3 、c p u 3 1 4 、c p u 3 1 4 i f m 、c p u 3 1 5 、c p u 3 1 6 、c p u 3 1 8 - 2 ，此外还可根 据不同规模的性能要求，扩展其他的功能模块。 s i e m e n ss 7 3 0 0p l c 具有高速的指令处理能力，可有效实现复杂算术运算的浮点数运 算能力，带有可方便地进行参数赋值的标准用户接口软件，在操作系统中组成方便的人机界 面服务，并集成了一个智能化的可连续监控系统功能是否正常的诊断系统。此外，s 7 3 0 0p l c 可以方便地通过通讯口或p r o f i b u s 总线与变频器等设备相连，构成工业控制系统。利用p l c 控制变频器，可以在p l c 内部进行实数运算，实现完全的数字量控制，与其他控制方式相比， 具有较大的优势。 集成在s i m a t i cs 7 3 0 0p l cc p u 中的多点接口( m p i ) ，可以用于同时连接编程器、 计算机、人机界面系统和其他s i m a t i c $ 7 m 7 c 7 等自动化控制系统。s i m a t i cs 7 3 0 0p l c 也可以通过扩展通讯处理器实现联结点到点的通讯系统，并具有a s i 接口、p r o f i b u s 和工 业以太网总线系统。多点接口( m p i ) 通讯口集成在c p u 模块上，可以用于简单联网，是公 司专为s 7 系列p l c 开发的通讯协议。物理上采用r s _ 4 8 5 信号电平，p l c 默认工作于该方 式。通过双绞屏蔽线可最多同时连接3 2 个站，每个c p u 最多有8 个动态通讯连接用于 s i m a t i c $ 7 m 73 0 0 4 0 0 、c 7 进行标准通讯：每个c p u 最多有四个静态通讯连接用于编程器、 p c 机、h m l 人机界面系统和s i m a t i c $ 7 m 73 0 0 4 0 0 、c 7 进行扩展通信。数据传输速度达 1 8 7 5k b p s 。在任意两个给定的m p i 节点之间可串联最多1 0 个中继器来跨越长距离进行通讯。 其硬件连接只需通过编程电缆即可实现。软件编程采用中文环境、内部系统协议，设计人员 只需通过软件配置参数而无须考虑数据交换方式，可使用专用于据进行数据信号传递。网络 上总线口控制权由m a s t e r 采用p p i 协议自动处理，使用网络读和网络写指令通过网络在 p l c 之问传递数据，实现数据共享、群控、分布式控制、远程监控等功能。 2 1 2s i e m e n sm m v 变频器” m m v 变频器是s i e m e n s 公司开发的无速度传感器矢量控制的通用型交流变频器。可 以广泛地用于各种三相交流电动机的转速控制。m m v 变频器启动转矩大、控制精度高、过 载能力强、保护措施安全可靠，安装、设定、调试都很简便。其具备的无速度传感器矢量控 制能力，可以计算出所需的输出电流及频率的变化量以维持所期望的电机转速、转矩等，使 其不受负载条件变化的影响。m m v 变频器可通过串口( r s 4 8 5 或r s 一2 3 2 ) 实现远程控 制，使用u s s 通讯方式可控制多达3 l 台变频器。输出频率( 也即是电机转速) 可由操作面 板数字给定，也可由外部电位器给定，或由高分辨率的电压或电流控制信号模拟量以及串行 口给定，控制方式灵活多样。 m m v 变频器可以方便的通过m p i 和s 7 - - 2 0 0 3 0 0p l c 相连接，这也是选择时所考虑的 一个重要因素。在这种连接情况下，只需通过专门软件对计算机、p l c 、变频器的m p i 网络 通信地址进行简单地分配，甚至无须编写通信协议，即可组成一个专用工控网络。变频器内 1 0 第二章基于恒张力的多单元同步驱动系统的组成及方案确定 部结构框图如图2 3 所示。 图2 3s i m e n t i c 删v 变频器内部结构与接线端子框图 2 1 3 双机热备方案 由于要实现的运算方法较为复杂，单纯用p l c 很难完成，必须用p c 机( 上位机) 来实 现。一般来说，个人计算机很难象工控机( 如p l c ) 一样稳定可靠，无论从硬件设施还是从 操作系统上来看，系统崩溃的可能性远较工控机为大。而一旦出现系统崩溃的情况，生产将 被迫停顿，造成很大经济损失。考虑到高级控制方法的需要和实际生产现场的情况，在生产 现场可采用“双机热备”的形式来确保系统的可靠运行。 2 2 同步驱动系统的控制方案与控制策略 2 2 1 基于张力控制的对象数学模型 从最简单的情况出发，先来考虑如图2 4 所示的工艺。 卷筒1卷筒2 可 图2 4 两卷筒间材料的张力示意图 设卷筒l 线速度为v 。，卷筒2 的线速度为v ：，且v ： v ，。l 是卷筒l 和卷筒2 之间未被 拉伸的钢丝长度。p ，、p 2 分别是卷筒l 、卷筒2 之间的钢丝密度和卷筒2 之外的钢丝密度。 l 是相对于原长度的伸长量，q 。、q 2 是输入到卷筒1 、卷筒2 之间和从卷筒2 输出的钢丝 坚堕查堂堡主堂焦堡苎 的重量。 在时间d t 内进入两卷筒间的金属重量为d q l = v l p i d t ，输出的重量为d q2 = v 2 p 2 d t 。卷筒1 、 2 区间的重量减少为： d q = d q2 一d q l = ( v 2 p 2 一v l p l ) d t ( 2 1 ) 钢丝的伸展总量为： d q = p 2 d a l ( 2 , 2 ) 舭k 害p = 盟0 盟2 = 卜v ，旦! 0 2j a t 皿。， 2l 等= ( v 2 _ v ，爿 眨。， 如果在时间d t 内钢丝被拉伸了l 长度，则其密度p 将减小，其数值应当与相对伸长成 正比： 盱p 2 ( 1 + 竿) 亿s ， 将2 4 式代入，近似有： 百d a l = v 2 - - v ( - + 爿 s ， ( p + 亡 帆 钢丝的弹性变形满足胡克定律，则钢丝张力为： 于是卷筒l 、卷筒2 之间钢丝张力方程为： ( - + 净f 一帆 岍嘲a e a v l ( 2 7 ) ( 28 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 另外，还要考虑钢丝由于在拉伸方向上的形变所产生的张力。 拉丝机的工艺在本质上属于金属轧制的范围，因此可以使用轧制理论。在轧制理论中 通过相邻入口和出口侧的轧件在轧制方向上的前张力为： q ，= 导f “：- v l 为t ( 2 1 1 ) 1 2 笙三竖楚三堕堑生塑妻璺盟型生翌垫墨篓魁塑堕丝互墨塑星 由力平衡关系求出的后张力为： 2 素q f ( 2 1 2 ) 其中，e 是杨氏模罱，0 两邋卷简的间距，r 是前一道卷筒的输出半径，r 是后一道卷筒的输 出半径。将式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 写成算子形式则为： q ，= 兰( v ：一v ；) ( 21 3 ) l j p 镶“= 盖( v ：飞) ( 2 1 4 ) 至此已经建立起了两个相邻卷筒之问的钢丝的张力数学模型。只鼹知道两个卷简的速度 差，就可求出钢照的伸长量和张力。 但是在实际生产现场，往往采爝张力辗米进行张力的捡测和调节，如图2 5 职示： 图2 5 带张力辊的张力示意图 为了便于讨论，且不失其般性，可以忽略各处的滑动摩擦力，并简化为图2 6 。 _ i 于张力辊两侧钢丝所受张力不同，其差使张力辊发生转动。因此张力辊也相当予一个旋转 镧传。可以假设簿嚣个传动点阕鲍锻丝只产生弹性形变，利用翦瑟黪遴浆方法可熨是有关方 程如下： 、 ( p + 甜- 旷h 飞， 亿，s ， 1 1 3 。网v - - v 3 ) 圆1 6 ) ( p + 期，叫 v 3 ) ( 2 1 7 ) 江南大学硕士学位论文 1 2 3 一嘲v - - v 3 ) 张力辊的旋转方程如下，因为有： j辈=(fauo+(q。一qbl取ot 所以确 c o r = v v 1 f a f b = a e ( a l ：，一a 1 3 ) v 3 r 2 ，a e ( 、a 1 2 3 一l l3 ) j p 三( v ：_ v 3 ) i2 t p ，r 2 e f1 1 _ i i 【i ( 2 1 8 ) ( 21 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 22 2 ) r 2 2 3 ) 张力辊的平动方程如下： m 鲁= f a + f b + q b ，一f e ( 2 2 4 ) 则有： v ，2 篙( 1 2 3 + a 1 13 ) + 击去+ 去j _ 去v - 一去v z 卜c ：2 s ， 张力辊在垂直方向上的位移为： b j ：vs d t = 毒( a e a l 2 3 + a e z x l - 3 - f , ) + 毒h 告+ 告j _ 告v t 一丢v z c z 卫s ， 至此，在使用张力辊情况下的张力检测环节的数学模型也已建立起来。从中可以看出， 张力辊的垂直位移和前后两个卷筒的转速有关。在系统运行过程中，可以使用传感器对张力 辊的垂直位移进行检测，因为张力辊的垂直位移更易于观测且直接反映了钢丝张力的变化。 但同时从上式也可以看出，张力辊的垂直位移与前后两卷筒的转速并不是线性关系，且上式 本身是做了很多近似之后得到的，只能粗略地反映张力辊的垂直位移与前后两卷筒的转速之 间的大致关系。且对于不同规格型号的产品，数学模型中的系数也不相同，需要作相应的变 化。因此，此模型缺乏广泛的适应性，不能广泛满足系统对于不同规格线径的产品具有参数 自适应能力的要求。 2 2 2 基于恒张力的多电机同步驱动系统的控制策略 本课题的控制任务为：在生产工艺参数调整和改变后，为满足不同规格产品的加工生产， 、 蔓k + 1 k一) ，ll” e p 一 卜， 墨三童茎生鲞查竺兰望垂堕生墨垫墨竺塑塑垡墨变薹塑塞 控制系统应能识别和适应品种的变化，保持产品的加工精度达到预定的要求。针对此控制要 求，本论文设计了一个基于b p 神经网络的智能控制器，用于动态地分配各道卷筒的比列同 步转速。为分析方便，考虑两道卷筒的简单控制模型情况下，系统的结构框图如图2 7 所示： 图2 7 一号电机速度控制结构框图 图中v 2 为2 号电机( 办即基准) 速度指令，v 1 为1 号电机同步速度，其值取决于v 2 和两 电机间的张力检测值，核心是基于b p 网络的智能控制器，确定方法如下： 在实际生产现场测得前后两道卷筒的转速和相应张力值的数据( 现场采集拉丝机或具有 相同工作原理的其它生产线工艺数据) ，根据这些数据，在m a t l a b 环境中训练一个b p 神经网 络。此神经网络可以很好的跟随经过处理的原始数据，可以认为是一个对于前后两道卷筒的 转速和相应张力值之间非线性函数的拟合函数，得到相应的权值和阈值。利用得到的权值和 闽值值就可以在上位机上编程，用相应的计算机语言实现此智能控制器。在多于两道的生产 线上，可以视每一道卷筒与主令电机为一个单元，分别采用智能控制器完成各道电机之间的 速度比例分配。 在采用基于b p 神经网络的智能控制器确定各道转速值的情况下，采用单神经元p i d 控制 器来对单台电机进行控制，以确保各道电机均在分配好的转速下运行。单神经元p i d 算法相 对简单，均为开关量信号，不牵涉复杂的计算，用p l c 即可实现。这样既保证了系统稳定运 行，又减轻了上位机的运算量，从而提高了整个系统的响应速度，实现了系统的集散控制。 在收卷时，考虑到收卷辊要配合生产线，卷取过程要保持恒线速度以保持产品规格精度， 并提高生产效率。因此用基于最小二乘算法的自适应控制器来控制收卷辊的转速。其控制框 图如图2 8 所示： 图2 8 收卷辊的控制系统框图 由于卷取辊持续进行收卷工作，因此其卷径也随时间不停的变化。只要知道当前的卷径， 即可计算出在设定恒线速度情况下当前收卷辊所应当具有的转速。我们采用基于最小二乘的 辨识方法，设计一个自适应控制器，可以及时地辨识出当前的卷径值，因此可确定当前收卷 辊所应有的转速【5 j 。 本系统选用的s i m a t i cm m v 变频器可通过对其参数的设置来得到被其控制的电机的当 前转速值，并且其数据具有相当高的精度，所以可以利用其速度输出信号值作为反馈速度值。 在采用了如上所述的控制方法后，系统的整体结构图如图2 9 所示。 综上所述，控制策略如下： 滞拉 蜀 江南大学硕士学位论文 ( 1 ) 采用b p 神经网络的智能控制器，获得各道电机之间的同步转速指令分配链 ( 2 ) 采用单神经元p i d 控制器，使每单元分配的速度指令与转速输出构成闭环控制 ( 3 ) 采用自适应控制器，使收卷过程保持恒线速度恒张力复卷。 放卷卷简l 卷筒2 卷茼i枯简n收卷 图2 9 采用智能控制器的整体系统图 2 3 本章小结 本章说明了基于张力恒定的控制系统的组成结构，介绍了可在现场及实验室采用的相关 器件，如s i e m e n ss i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c ，s i m a t i cm m v 变频器，并说明了在生产现场实 际应用时可采用的双机热备方案，以确保系统的安全运行。在讨论了相关工艺原理，并建立 了控制对象的张力数学模型后，确定采用如2 2 2 所述的“基于恒张力的多电机同步驱动 系统的控制策略”的3 种控制策略。 6 第三章基于b p 神经网络的多电机同步驱动控制器 第三章基于b p 神经网络的多电机同步驱动控制器 3 1 多电机同步原理 在实际生产线上，没有物理连接的多电机同步驱动系统的速度分配一般采用按比例调节。 以拉丝机的实例来说，是按照各道卷筒问出口秒流量相等的原则，根据各道卷筒出口铜丝直 径的比例来确定。即由于要保证式( 3 1 ) 的成立 s i v l = = s i v = = s 。v 。 ( 3 1 ) 因此确定各道电机之间的转速比要由各道卷筒的出口钢丝直径比来计算。传统的多电机同步 驱动系统采用如图3 1 所示的方法来分配各道电机转速【4 】，即：取某个值为主令速度给定，然 后根据各道卷筒的出口钢丝直径比来确定其所应分配到的转速比值，按照此比值来给各道电 图3 l 传统的多电机同步驱动速度分配示意图 机分配转速，再将次转速值送给各道电机的转速控制器，以将各道电机的转速维持在分配的 水平上。这种方法的优点是原理简单，操作方便。但缺点也是显而易见的：根据这种方法确 定的转速分配，只能针对一种产品型号，如果需要改变产品型号，则转速比需要重新分配， 而其下的转速控制器参数一般来说也需要重新调整参数。在满足产品多样性上，具有较大的 局限。 如果速度分配能够自动进行，而不需要根据式( 3 1 ) 来调整，就解决了上述问题。在多 种控制方法中，考虑到智能控制不需要过多人为参予，只要有足够的经验来确定某些规则， 即可达到相当不错的控制效果，本论文采用了基于b p 神经网络的智能控制器来解决速度分 配的问题。其原理为：在正常的金属轧制过程中，金属丝或线在产生形变导致出口径变化的 情况下，跟据主令电机的转速值，以及线径( 即材料形变) 的不同，每道电机的张力检测装 置所检测到的张力值都有所不同。如果能将这些值记录下来并找出其中所蕴含的函数关系， 根据当前主令电机转速值和张力值这两个能够检测到的值，来确定当前某道电机所应具有转 速，就实现了速度分配的智能化，在一定范围内无需人工调整各道转速比。采用这种速度分 配方法的示意图如图3 2 所示，根据当前主令电机的转速设定值和当前第i 道卷筒的张力值， 第l 道诛度输出第i j 茸凉席输出 值 圉3 2 采用智能控制器的多电机同步驱动速度分配示意图 由智能控制算法来确定该道电机所应有的速度值，再将此速度值传送给驱动该道卷筒电机的 速度控制器，使其保持在这个输出值。如果主令电机的设定转速值或张力值发生变化，则各 坚堕奎兰婴圭兰堡垒塞 道电机的输出转速值会自动随之而变化，能够满足在一定范围内无需人工调整各道转速比的 要求。 3 2 基于b p 神经网络的智能控制器的设计和控制策略 3 2 1b p 神经网络简介1 神经网络的基本单元称为神经元，它是对生物神经元的简化与模拟。神经元的特性在某 种程度上决定了神经网络的总体特性。大量简单神经元的相互连接构成神经网络。一个典型 的具有r 维输入的神经元模型可用图3 1 来加以描述。 图3 3 神经元模型示意图 由图3 3 可见，一个典型的神经元模型主要有以下五个部分组成 ( 1 ) 输入：p l 、p 2 、p r 代表神经元的r 个输入。 ( 2 ) 网络权值和闽值：w f ，w r 代表网络的权值，表示输入与神经元间的连接强 度；b 为神经元阈值。不论是网络权值还是阂值都是可调的。正是基于神经网络权值和闽值 的动态调节，神经元乃至神经网络才表现出某种行为特性。网络权值和闽值的可调性是神经 网络学习特性的基本内涵之一。 ( 3 ) 求和单元：完成对输入信号的加权求和，使神经元对输入信号的第一个处理过程。 ( 4 ) 传递函数：f 表示神经元的传递函数或激发函数，它用于对求和单元的计算结果进行函 数运算，得到神经元的输出，一般来说有线性函数、对数函数、正切函数等几种。 ( 5 ) 输出：输入信号神经元加权求和及传递函数作用后，得到最终的输出为：口= f ( w p + b ) 神经网络的类型多种多样。从功能特性和学习特性来分，主要包括感知器、线性神经网 络、b p 网络、反馈神经网络等。当神经元的模型确定后，一个神经网络的特性及其功能主要 取决于网络的拓扑结构及学习方法。 b p 神经网络通常指基于误差反向传播算法( b p 算法) 的多层前向神经网络，它是 d e r u m e l h a r t 和j l m c c e l l a n d 及其研究小组在1 9 8 6 年研究并设计出来的。b p 算法已经成 为目前应用最广泛的神经网络学习算法，据统计有近9 0 的神经网络应用是基于b p 算法的。 与感知器和线性神经网络不同的是，b p 神经网络的神经元采用的传递函数通常是s i g m o i d 型 可微函数，所以可以实现输入和输出之间的任意非线性映射，这使得它在诸如函数逼近、模 式识别、数据压缩等领域有着更加广泛的应用。 本论文使用神经网络控制器的目的是找出前卷筒的转速、张力测量值和后卷筒转速之间 的关系并模拟此种关系，本质上属于函数拟合范围，b p 网络符合需要，因此选用b p 网络。 一个b p 神经网络的模型一般为：第1 层为输入层，第q 层为输出层，中间备层为隐含 第三章基于b p 神经网络的多f 乜机同步驱动控制器 层。设第q 层( q _ 1 ，2 ，q ) 的神经元个数为n 。，输入到第q 层的第i 个神经元的连接权 系数为w ? ( i = 1 2 ，；j _ 1 2 ，一，) 。该网络的输入输出变换关系为： 。：芝。扩。g ”：彬w ，w 粤：一1 ) ( 3 2 ) x 灶厂3 南 ( 3 3 ) ( 扫1 2 卅。= l 2 ，一。q = 1 2 ，q ) 设给定p 组输入输出样本x ? = x ：z 掣 j ! j 。】，d ，= 【d ，。d ，：d 。r ( p 2 1 2 ，p ) 利用该样本集首先对b p 网络进行训练，也 即对网络的连接权系数进行学习和调整，以使该网络实现给定的输入输出映射关系。经过训 练的b p 网络，对于不是样本集中的输入也能给出合适的输出。该性质称为泛化( g e n e r a l i z a t i o n ) 功能”1 。从函数拟合的角度，它说明b p 网络具有插值功能。 其学习算法如下： 阡0 9 ( 七+ 1 ) = w 协) + 口d ( i ) ，a 0 ( 3 4 ) d = rj 妒x ( 3 5 ) 圳= 曙砖枷叫肼* 圳 b a ， 磺= 妇矿x 箸k 箸( 1 一x 鲁) ( 3 7 ) ( q = q ，q - 1 ，li _ 1 ，2 ，h 。j = l 2 ，) 由于该算法是反向递推( b a c kp r o p a g a t i o n ) 计算的，因而通常称该多层前馈网络为b p 网络。该网络实质上是对任意非线性映射关系的一种逼近，由于采用的是全局逼近的方法， 因而b p 网络具有较好的泛化能力i l ”。 总括起来，b p 网络的主要优点是：只要有足够多的隐层和隐节点，b p 网络可以逼近任 意的非线性映射