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糊口机运动控制的研究及实现 摘要 转速同步是运动控制中最重要的性能指标之一，尤其是多电机分部传动 情况下主从电机之间的转速同步，对糊口包装袋生产质量起着决定性的作 用。因此，在糊口包装机电气控制系统中，对电机转速同步控制的精度要求 与其它设备相比是最高的。本论文以青岛创新机械制造有限公司生产的 s b 7 0 a 糊口包装机为背景，就糊口包装机电机转速同步的控制算法和电气 控制系统展开理论和应用技术研究，针对在诸如开车、停车、车速改变或者 抗扰动的过程中要求各传动电机能够及时地同步运行、既响应快又抑制超调 且无稳态误差这一要求，提出了基于专家p i d 控制算法的多电机同步控制 方案。此方案既利用了p i d 控制算法结构简单、实现方便、适应性强等特 点，又克服了其在转速同步控制应用中所体现出来的调节缓慢、抗干扰能力 弱、稳定性差等不足，从而提高了转速同步控制的精度，提升了糊口包装袋 的生产质量。本文主要贡献是： ( 1 ) 专家p i d 控制算法的研究 在处理多电机转速同步控制时，文章提出了一个新的转速同步控制策 略，即将四台交流异步电机设定成主从关系，同时采用专家p i d 控制算法， 根据误差的大小采用不同的比例系数和积分时间常数，从而实现p i d 参数 的实时调整。考虑到p i d 算法和专家控制的结合，专家控制器着重处理一 些意外情况，通过对p i d 控制参数的调整使控制回路尽可能快地摆脱意外 情况的干扰，以减轻对控制品质的影响。通过归纳现场操作人员处理意外情 况的经验，并把这些经验用专家规则的形式表述出来从而构成专家控制器。 建立好的专家控制器结合电机变频调速模型在m a t l a b 下进行仿真，其仿真 结果曲线充分证明了专家p i d 较之传统p i d 在提高系统响应速度、增强抗 干扰能力等特性上有优势。 ( 2 ) o g 气控制系统的实施 本控制方案在西门子s 7 3 0 0 系列p l c 平台上进行了编程实现，与西门 子t p 2 7 0 触摸屏和a b ba c s 8 0 0 系列变频器相结合构成了电气控制系统的 主体。该设备已经出口到孟加拉国、印度尼西亚、尼日利亚等多个国家，本 论文所述控制系统在印度尼西亚p t y a n a p r i m ah a s t a p e r s a d at b k 公司位于 e a s tj a v a ，s u r a b a y a ，s i d o a r j o 的生产工厂进行了现场安装调试。其实时控制曲 线和仿真曲线一样再次证明了本论文采用的算法是切实可行的。本设计提高 了转速同步的控制效果，明显提升了糊口包装袋的生产质量，达到了用户的 要求。 关键词：糊口包装机，转速同步控制，专家p i d 控制，p l c ，p r o t o o l ，s t e p 7 r e s e a r c ha n d = i m p l e m e n t a t i o no fm o t i o n c o n t r o lf o rs t i c k i n g m o u t h b a gm a c h i n e a b s t r a c t t h es y n c h r o n o u ss p e e di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s o ft h em o t i o nc o n t r o l ，e s p e c i a l l yt h es y n c h r o n o u ss p e e do fm a s t e r - s l a v em o t o ra t t h ec a s eo fm u l t i m o t o rd r i v ed i v i s i o n ，w h i c hd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo f s t i c k i n g m o u t hb a g s oi m p o r t a n tt h es y n c h r o n o u ss p e e di s ，t h e r e q u i r e m e n to f s y n c h r o n o u ss p e e dc o n t r o li st h es t r i c t e s tt h a n t h eo t h e rp a r t so ft h ee l e c t r i c c o n t r o ls y s t e m t h es b 7 0 as t i c k i n g m o u t hb a gm a c h i n ew h i c hw a sm a d eb y q i n g d a oc h u a n g x i n gm e c h a n i c a l m a n u f a c t u r ec o ，l t dw a st a k e na st h e b a c k g r o u n da n dt h e t h e o r e t i c a la n da p p l i c a t i o nt e c h n i c a lr e s e a r c ho ft h e s y n c h r o n o u ss p e e dc o n t r o la l g o r i t h ma n dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rt h e m a c h i n ew e r ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fa c h i e v i n gb o t ht h e q u i c kr e s p o n s ea l s os u p p r e s s i n go v e r s h o o ta n dn os t e a d y s t a t ee r r o rf o rt h e c o n t r o ls y s t e md u r i n gt h ep e r i o do f s t a r t i n ga n ds t o p p i n ga n d t h ea n t i d is t u r b a n c e p r o c e s s ，t h em u l t i - m o t o rs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lp r o g r a mb a s e do nt h ee x p e r t p i dc o n t r o la l g o r i t h mw a ss u g g e s t e d t h i sp r o g r a mn o to n l ym a d eu s eo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fp i dc o n t r o la l g o r i t h ms u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，e a s yr e a l i z a t i o n a n dg o o da d a p t a b i l i t yb u ta l s oo v e r c a m es o m ed i s a d v a n t a g e st h r o u g hu s i n gi n t h es y n c h r o n o u ss p e e dc o n t r o l ，s u c ha ss l o wr e s p o n s i b i l i t y , b a da n t i d i s t u r b a n c e a n ds t e a d y t h i sp r o g r a mi m p r o v e dt h ep r e c i s i o no f s y n c h r o n o u ss p e e dc o n t r o l a n de n h a n c e dt h eq u a l i t yo ft h es t i c k i n g m o u t hb a g t h em a i nc o n t r i b u t i o no f t h i sa r t i c l ei sa sf o l l o w s ： ( 1 ) e x p e r tp i dc o n t r o la l g o r i t h mr e s e a r c h t h i sa r t i c l ep r o p o s e dan e ws y n c h r o n o u ss p e e dc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hi s m a k i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o u ra s y n c h r o n o u sm o t o r si sm a s t e r s l a v ea n d u s i n ge x p e r tp i dc o n t r o la l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h es i z eo ft h ee r r o r , d i f f e r e n t p r o p o r t i o nc o e f f i c i e n ta n di n t e g r a l t i m ew e r eu s e di no r d e rt oa c h i e v et h e r e a l t i m ea d j u s t m e n to fp i d p a r a m e t e r s t a k i n gt h e c o m b i n a t i o no fp i d a l g o r i t h ma n de x p e r tc o n t r o li n t oa c c o u n t e x p e r tc o n t r o li nm o t i o nc o n t r o l s y s t e mw i l lf o c u so ns o m eu n f o r e s e e nc i r c u m s t a n c e sa n dm a k ec o n t r o l i o o po u t o ft h eu n e x p e c t e di n t e r f e r e n c ea ss o o na sp o s s i b l eb ya d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so f p i dc o n t r o li no r d e rt or e d u c et h ei m p a c to nc o n t r o lq u a l i t y e x p e r tc o n t r o l l e ri s f o r m e db ys u m m i n gu pt h ee x p e r i e n c ew h i c hi sh o wt ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e s a tt h ea c c i d e n tf r o mt h eo p e r a t o r s t h ee x p e r tc o n t r o l l e rc o m b i n i n gw i t ht h e v v v fm o t o rm o d e lw a ss i m u l a t e db yt h es o f t w a r eo fm a t l a b ；t h er e s u l ts h o w s t h a te x p e r tp i dh a sa d v a n t a g e so ni m p r o v i n gt h ea b i l i t yo fa n t i d i s t u r b a n c ea n d t h er e s p o n s es p e e do ft h es y s t e mt h a nt h et r a d i t i o n a lp i d ( 2 、) i m p l e m e n t a t i o no ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h i sc o n t r o lp r o g r a mw a si m p l e m e n t e da tt h ep l a t f o r mo fs i e m e n ss 7 3 0 0 s e r i e sp l cc o m b i n e dw i t ht h es i e m e n st o u c hp a n e lt p 2 7 0a n da b ba c $ 8 0 0 a n d5 5 0s e r i e si n v e r t e r s a l lo ft h e s ec o n s t i t u t e dt h em a i nb o d yo ft h ee l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e m t h ee q u i p m e n th a sb e e ne x p o r t e dt ob a n g l a d e s h ，i n d o n e s i aa n d n i g e r i aa n dw eh a v ef i n i s h e dt h ei n s t a l l a t i o na n dc o m m i s s i o n i n go ft h ec o n t r o l s y s t e md e s c r i b e dj nt h i st h e s i sa tt h ef a c t o r a r yo fp t y a n a p r i m ah a s t a p e r s a d a t b ka ts i d o a r j o s u r a b a y ai ni n d o n e s i a t h er e a l t i m ec o n t r o lc u r v ep r o v e st h a t t h ea l g o r i t h mu s e di nt h i st h e s i si sp r a c t i c a b l eo n c ea g a i nj u s ta st h es i m u l a t i o n c u r v ed o e s t h i s d e s i g nn o to n l yi m p r o v e st h er e s u l t o fs y n c h r o n o u ss p e e d c o n t r o la n dt h ep r o d u c t i o nq u a l i t yo ft h es t i c k m o u t hb a gm a r k e d l yb u ta l s o m e e t st h er e q u i r e m e n t so fc u s t o m e r s k e yw o r d s ：s t i c k i n g m o u t hp a c k a g i n gb a gm a c h i n e ，s p e e ds y n c h r o n o u s c o n t r o l ，e x p e r tp i dc o n t r o l ，p l c ，p r o t o o l ，s t e p 7 ， i v 陕眄科技大学硕十学佗论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：撬博 日 期： 20 07 年月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：橇 莩导师签名：童j 翅? ：2 。年白 糊口机运动控制的研究及实现 1 绪论 1 1 课题来源与意义 包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。包 装机械为包装工业提供装备机械，影响着各类包装制品工业的技术水平和产品档次，制 约着包装工业的发展速度。随着时代的发展，技术的进步，包装机械在包装领域中j 下起 着越柬越大的作用。 本课题来源于“青岛创新机械制造有限公司生产的s b 7 0 a 糊口包装机电气控制系 统”。该设备填补国内空白，被评为国家级新产品，获青岛市科技进步一等奖，全新启用 了糊底糊口、阀口方底袋的新工艺，适用于粉、粒、片状物品自动灌装生产线。在粉粒 物品包装“弃缝改糊”和与国际包装市场接轨上更具明显的竞争优势。 糊口机械是包装工业的一大门类产品，在包装工业中有着举足轻重的地位和作用， 它给行业提供必要的技术设备，以完成产品的包装工艺过程。尽管糊口机械的产值在整 个包装工业中所占的比重不如包装材料大，不属于经常性消耗品，但对包装工业的现代 化却是不可缺少的支撑，可保证产品的包装质量高、生产效率高、品种多、生产环境好、 生产成本低、环境污染小，因而具有较强的生命力，可带来巨大的社会效益和经济效益。 糊口包装机是一种高效连续包装机械，能完成多种物品的包装，定位准确，包装速度高。 自动化水平在制造工业中不断提高，应用范围正在拓展，包装行业中自动化操作正 在改变着包装过程的动作方式和包装容器及材料的力n - r _ 方法。实现自动控制的包装系统 能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差，有 效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗。 中国的包装工业正向着高速化、流水化的方向发展，而中国的传统包装业以手动或 半自动为主，大大阻碍了高速化发展。随着中国实行改革丌放和加入w t o ，世界包装强 国会凭借其集中的资本、优势的丌发创新能力在我国降低关税后大举进入我国的包装机 械市场，如果引进国外产品，除了价格昂贵外也不利于本国的发展。因此研制高速糊口 包装机并为其配套自动控制系统已成为社会发展的必然1 3 - 5 1 。 1 2 国内外自动化包装机械及电机拖动系统发展概况 1 2 1 自动化包装机械发展概况 自动化包装机械是机械、电气、光电、强弱电控制等为一体的综合性较强的机械产 品，目前正朝着速度更快、性能更强、自动化程度更高的方向发展。相对于包装制品工 业，包装机械是我国包装工业的弱势。我国包装机械行业在上世纪9 0 年代后由于包装制 品工业发展的需要而出现了高速度发展，年平均增长率为3 0 1 ，但由于起步迟，起点 陕阳科技人学硕十学位论文 低，规模小，我国包装机械总体水平要比发达国家落后2 0 年。国内目前需求量的6 0 7 0 ，尤其是技术含量高的成套装备仍依赖进口。 美国、同本、德国、意大利等世界包装机械强国为适应市场不断变化的要求，努力 提高设计质量，缩短设计周期，广泛采用了先进的设计方法和设计技术，以高、大、精、 尖产品居多，机械与计算机紧密结合，实现机电一体化控制。已普遍采用的先进设计方 法有：优化设计，可靠性设计，工业造型设计和并行设计( 并行工程) 等；先进设计技 术有：计算机辅助设计( c a d ) ，即国内称为“甩图板工程”；正在推广应用的是计算机 仿真设计技术。为使新产品开发速度不断加快，德国包装机械设计己普遍采用了计算机 仿真技术，即将各种机器元素以数据库方式存入计算机，把图纸数字化后输入计算机， 计算机即可自动合成为三维模型。再把实际生产时的数据和指标输进去，把各种可能发 生的故障输进去，计算机三维模型即可依照真实工作情况进行操作，演示出能达到的生 产率是多少、废品有多少、生产线各环节是否能匹配生产、瓶颈在何处等等，并可根据 客户的意见修改模型。计算机合成速度很快，因此修改工作迅速方便，直到使客户或设 计者满意。采用计算机仿真设计技术，大大缩短了包装机械的丌发设计周期。包装机械 设计不仅要重视其功能和效率，也要注重其经济性，但是经济性不完全是机械设备本身 的成本，更重要的是运转成本，因为设备折旧费只占成本的6 8 瞳1 ，其它的就是运 转成本。 国外制袋充填包装机的控制系统具有如下主要特点： 1 结构设计标准化、模组化。在用一台包装机完成对不同物料的包装时，利用原有 机型控制系统的模组化设计可在短时间内迅速地进行规格更换或转换为其它包装形式。 2 包装速度高速化。目前，国外的小袋包装机单列包装速度一般为3 0 8 0 袋分。 3 结构运动高精度化。由于采用各种新技术，如通过伺服电机、编码器及数字控制 ( n c ) 、动力负载控制、p l c 等高精密执行机构来控制各种动作，使整机的制袋精度都 有所提高。 4 控制智能化、弹性化。国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上的菜单式 应用软件对机器的各种参数进行跟踪调整、数码显示切袋长度、包装速度等，标准的色 标光电跟踪系统能保证包装产品的印刷图案正确。另外，机器可对工作过程进行在线状 态监测和故障诊断分析，一旦发生问题，自动停机，并显示故障原因及解决方法。 1 2 2 电机拖动的发展概况 直流电机拖动和交流电机拖动在1 9 世纪先后诞生，在2 0 世纪的大部分时间罩，约 占整个电力拖动容量8 0 的不变速拖动系统都采用交流电机，而只占2 0 的高控制性能 可调速拖动系统则采用直流电机。因为调节直流电动机的电枢端电压或励磁电流就可方 便地获得较好的调速特性口叫1 。但是，在电力调速传动系统中使用交流电动机具有更大的 2 糊口机运动控制的研究及实现 吸引力，因为交流电动机与直流电动机相比具有系列显著的优点： ( 1 ) 交流电机不存在换向器圆周速度的限制，也不存在电枢元件中电抗电势数值的限 制，其转速可以设计的比相同功率直流电机的转速更高，因而单位功率重量指标较低。 例如，直流电机的单位功率重量指标般均在5 k g k w 以上，而鼠笼式异步电动机仅在 ( 1 5 - 4 ) k g k w 之间。 ( 2 ) 交流电机的电枢电压和电流的数值都不受换向器的限制，因而，其单机功率可以 比直流电机的单机功率更大。 ( 3 ) 由于交流电机的结构简单，没有换向器那种复杂、精密、耗费制造工时的部件， 又由于单位功率重量指标较低，因而其制造成本低廉。 ( 4 ) 直流电机在高速范围运行时，由于电抗电势数位的限制，般不能发挥其额定功 率，既便是有补偿绕组的直流电动机，就是在最高转速时的输出功率也仅能达到额定功 率的8 0 ，对无补偿绕组的电机就更低，而交流电动机没有这种限制，高速时仍可发挥 较大功率，甚至能以额定功率作恒功率运行c s ，。 ( 5 ) 交流电机没有换向器之类需要经常保养、维修的部件，在安装地点受到限制，不 易接近的场合下也能可靠地工作，维修费用低廉。虽然交流电机与直流电机相比具有以 上许多优点，可是，由于交流电机的调速一直比较困难，所以，长期以来交流电机只能 作恒速运行，而在要求精确、灵活、连续调速的传动系统中，直流电机调速传动一直占 主要地位。近年来，一方面随着大功率可控电力电子元件和变频技术的迅速发展，用交 流电机调速传动系统代替直流电机调速传动系统己成为可能，另一方面从节能的观点也 要求把原来作恒速运行的交流电机传动系统改为调速传动系统。因而，在电力传动领域 里正在同益重视发展交流电机的调速传动1 6 】。 下面列举近代交流调速控制技术发展的八个方面，它们相互之间既有联系又有区别， 形成了各自的控制特点，现j 下在不断丰富、充实和发展中 8 - 1 8 o ( 1 ) 相位控制，它主要应用于“交一交”变频器和“交一直一交变频器中的整流控 制器，同一般整流控制原理一样，采用相位控制原则。 ( 2 ) v v v f 控制，为保持恒磁通变频控制( 或恒转矩控制) 原则，要求变压变频控制( 即 v v v f 控制) ，这是协调控制条件所要求的。通常把这种变频装置也称为v v v f 装置。 ( 3 ) 转差频率控制，在调速过程中保持有限的转差频率值进行控制，可以获得高效调 速方式。这种方式系统简单，需要测速机检测，是当前常用的高性能转差频率矢量控制 的基础。 ( 4 ) 脉宽调制( p w m ) ，控制脉宽调制型变频器由于具有功率因数高和输出波形好的 特点，近年来发展较快。 ( 5 ) 矢量变换控制，矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术，其控制思想是设 陕曲科技人学硕十学位论文 法模拟直流电机的控制特点对交流电机进行控制。它分有磁场定向式矢量控制和转差频 率式矢量控制两种模式，前者调速精度高，需要磁通检测准确；后者只用测速机控制， 系统简单，调速精度不如j 订者，两者均属高性能交流调速系统。 ( 6 ) 磁场控制，近年来，从磁场的观点控制交流电动机，同p w m 控制一样有所发展， 它分有磁场轨迹法和异步电动机的磁场加速法。 ( 7 ) 微机控制，微型计算机、微处理机用于交流调速的控制系统及单元，使交流调速 系统除具有控制功能外，还向着多功能( 包括监视、显示、保护、故障自诊断及自复原等) 方向发展。 ( 8 ) 现代控制理论的应用，原来认为现代控制理论用于交流调速传动是比较遥远的事 情，现在看来不仅成为现实，而且发展很快。 近代电力电子技术、微电子、控制理论、计算机技术以及传感器技术的发展，均为 交流传动控制提供了广阔的前景，为设计出高精度，快速响应的交流传动系统奠定了基 础，同时也使多电机协调控制研究成为可能。多电机的协调控制主要有多电机的非耦合 控制和交叉耦合控制。机械系统的同步控制是机械技术、电力电子技术和信息技术有机 结合的一门新兴的跨学科的综合性科学技术。它与相关技术的发展密切联系在一起，主 要的控制对象是电动机，主要的控制参数是位移、速度和相位。 随着工业的发展，对机械性能和产品质量的要求逐渐提高，单单控制一台电机在某 些场合己经不能满足现代高科技发展的要求，而是需要人们控制多电机，让其更好地协 调运行。近年来，国内外的学者对多电机同步技术进行了广泛的研究，在理论和实践上 都取得了一定的进展u 引。 实现机械系统同步的方法瞳们随着科学技术的发展也不断发展，其发展过程大致分为 三个阶段： 第一阶段：刚性传动( 如齿轮传动) 或柔性传动( 如链或带传动) 实现同步； 第二阶段：振动同步( 如对于双激振动器式振动机) 或电轴同步( 对于一般机械) ； 第三阶段：控制同步或控制同步与振动同步相结合的复合同步； 随着控制理论和方法的迅速发展，实现同步不仅己成为现实，而且也获得了良好的 控制效果，实现同步的方法也逐渐过渡到第三阶段。 多电机非交叉耦合控制涉及到的控制策略均是针对每一轴( 每一电机) ，也就是对该 电轴针对的电机具有的不可见性，虽然采用有效的控制在某种程度上能够提高控制效果， 而对于整个多电机系统的协调控制，还是有很大的局限性。非耦合控制的一个共同的难 点是由于各电机( 各电轴) 之间的动态性能不可能完全一样，并且由于受到负载干扰和噪 声干扰等许多因素的影响，各电机的动态性能也是在不断变化。因此针对提高每一台电 机控制精度，而对其它电机具有不可预见性的多电机非交叉耦合控制策略显然不能达到 4 糊口机运动控制的研究及实现 多电机驱动的高精度控制系统的要求。针对这种情况，k o r e n 于1 9 8 0 年提出交叉耦合补 偿控制策略。交叉耦合控制是解决多轴系统由于干扰因素造成的各轴动态特性不匹配这 问题的轴同步反馈控制。交叉耦合的实现一般是将其中某轴的输出变换作为其它轴的 参考输入。 由于同步控制涉及到多个电机，因此多变量控制就成为同步控制的基本控制算法。 这种同步控制主要有两种结构方式盥：一是对等控制方式，即要求多个电动机的转子跟 踪同一个指令性指标，如速度、相位等；二是主从控制方式，即选择系统中的一个电动 机为主动机，而其余电动机为从动机，使从动电机跟踪主动电机的转速。 自从k o r e n 于1 9 8 0 年提出交叉耦合补偿控制策略以后，许多科学工作者围绕“多电 机协调控制”展开了进一步的研究，特别是9 0 年代，已深入到速度、转角( 位置) 双重同 步的多电机协调控制理论的研究，k u l k a r m i 和s r i n i v a s a n 详细地分析了交叉耦合补偿控 制策略引，并于1 9 8 9 年引进了最优控制方案船引。g u o 等人把线性理论应用到多电机控制 上心引，t o m i z u k a 等又把自适应前馈控制策略用到交叉耦合控制器中瞳5 1 ，以提高瞬间响应 和抗干扰能力。针对实际物理系统的不确定性，许多研究还把鲁棒控制理论、h o o 理论、 最优化理论等应用到多电机的直接协调控制中。 多电机的同步控制在国外已经有长足的发展，国内在这方面也取得了相当的成绩： 通过弹性耦合轴来进行同步控制的方案嘶1 ；双机和多机驱动的机械系统同步控制的变结 构复合控制模型心引；多个直流电动机同步控制的模型参考自适应方案脚1 ；具有弱磁的三 台电机比例同步连轧同步控制系统3 ；轧机压下双侧同步控制中的自适应调节方法隔”。 同时在国内的各个工程中同步控制技术亦得到了大量的应用，如：三峡工程永久船 闸人字门开门同步控制技术应用；北京西客站主站钢门楼整体提升同步控制技术应用； 中华世纪坛也是一个典型的同步控制技术应用等等。通过同步控制技术在这些重大工程 中的研究和应用，可见同步控制技术在我国得到了很大的发展，并取得了显著的经济效 益和社会效益。 1 2 3 多电机转速同步控制的方法 在多电机同步控制系统的研究中，多种控制方法得到了采用，如传统的p i d 控制、 变结构自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。交流电机是一个多输入输出的非线性 系统，它一方面具有较为确定的数学模型，另一方面又具有非线性和参数变化的特点。 传统的电机调速系统大多采用结构简单、性能稳定的p i d 控制技术，但这种方法局限于 线性系统，并过分地依赖于控制对象的模型参数，鲁棒性差。对于模型参数大范围变化 且具有较强非线性环节的系统，p i d 调节器难以满足控制精度和快速响应的要求，常不 能有效克服负载、模型参数大范围变化及非线性因素的影响。现在的控制方法包括矢量 控制都是建立在系统数学模型的基础上，旦模型偏离了实际的系统，控制系统的性能 陕似科技人学硕+ 学位论文 就会大大降低；而且负载特性各不相同，使得设计和调节都很困难。为了改进交流高精 度电动机的控制方法，国内外学者运用现代控制理论中几乎所有的方法对其进行了大量 的研究。将己有的控制方法与智能控制手段相结合，是研究高性能交流调速系统的基本 思想。 智能控制是控制理论发展的高级阶段，用于解决那些传统方法难以解决的复杂系统 的控制问题。作为一个边缘交叉学科，无论在理论上还是实践上都还不成熟、不完善， 需要进一步探索和开发。最近2 0 多年来，智能控制得到了迅速的发展和应用，在同步控 制过程中获得了满意的效果。它是被控系统的高度复杂性、高度不确定性以及人们要求 越来越高的控制性能的产物。一般说来，典型的智能控制系统应具有下述功能特点： 1 联想记忆和学习能力，系统具有对一个过程或未知环境所提供的信息进行识别、 记忆、学习并利用积累的经验进一步改善系统性能的能力； 2 动态自适应能力，系统具有针对外界环境变化及不确定性修正或重构自身结构和 参数的能力： 3 组织协调能力，对复杂任务和分散的传感信息具有自组织和协调能力，使系统具 有主动性和灵活性。 随着控制界对智能控制的定义、基本特征和结构特点等问题的深入探讨，实现智能 控制的基本方法已形成，其中最有发展潜力的是下列三个分支：基于模糊逻辑的模糊控 制系统、基于神经网络的神经控制系统和基于知识的专家控制系统。 ( 1 ) 模糊控制系统 自1 9 6 5 年z a d e hl a 教授创立模糊集合以来，模糊控制系统得到了较快的发展和实 际应用，成为智能控制领域中的一个重要组成部分。7 0 年代中期以m a m d a n i e h 为代表 的一批学者提出了模糊控制的概念，标志着模糊控制的正式诞生，模糊控制的基本思想 是将有经验的操作者对特定被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“i ft h e n ”产 生式的形式表示的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。 模糊控制是智能控制较早的形式，它借鉴了人的思想具有模糊性的特点，从广义上讲， 模糊逻辑控制指的是应用模糊集理论，统筹考虑系统的一种控制方式，模糊控制不需要 精确的数学模型，是解决不确定性系统的控制问题的一种有效途径。在交流传动系统中， 模糊控制主要指的是对速度的控制1 3 。 ( 2 ) 神经网络控制系统 神经网络控制系统是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术 系统，它是一种大规模并行的非线性动力学系统。其主要特点在于对信息的分布式存储、 并行协同处理以及自组织和自学习等方面。它具有模拟人的形象思维的能力，反映了人 脑功能的若干基本特征，但并不是人脑的逼真描述，而只是它的某种抽象、简化和模拟。 6 糊口机延动控制的研究及实现 神经网络从结构上分为自订馈网络和动态网络。这些网络模型已被广泛用于复杂非线性系 统的控制和辨识中。比较典型的神经网络控制系统有：神经元自适应控制系统、自学习 神经控制系统、神经内模控制系统、神经非线性预测控制系统等。 ( 3 ) 基于知识的专家控制系统 智能控制是在人工智能及自动控制等多学科基础上发展起来的新兴交叉学科，因此 它和人工智能技术的发展是密切相关的。专家系统是人工智能学科中发展最为成熟的领 域之一，主要由知识库、控制规则库、推理机和特征识别与信息处理等部分组成。基于 知识的专家控制是指专家系统的原理和技术同控制理论方法与技术相结合，在未知环境 下，模仿专家的智能，实现对系统的控制。基于知识的专家控制系统的设计与实现关键 在于复杂、多样的控制知识获取、知识表示和知识推理的技术。因此如何获取完备的领 域知识一直是困扰系统设计者的“瓶颈 问题。另一方面，过多的知识会影响系统的推 理速度，造成系统的实时性差，为此需寻求更加简单有效的知识表示方法。随着人工智 能技术研究的深入，目前人们正在寻求构造知识库的新方法，包括实时动态知识表示、 启发式知识、不确定和不精确信息等各种知识的处理方法。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文以青岛创新机械制造有限公司生产的糊口包装机为研究背景，针对糊口包装机 的特性及其同步运行过程特点，将专家控制策略与常规p i d 控制相结合，设计出一套结构 简单且控制效果良好的专家p i d 控制系统，以西门子s 7 3 0 0p l c 作为控制单元，构建出 实际的控制系统并应用于工程项目，为包装机械的运动控制提供了一种切实可行的方法。 其主要研究的内容与方法包括： ( 1 ) 简单介绍了自动化包装机械及其控制现状，提出多电机同步控制的必要性及其重 要意义，查阅大量资料，了解国内外学者在多电机同步控制方面所作的工作以及进展情 况； ( 2 ) 介绍该厂糊口包装机的工艺特点、变频调速的原理及优点； ( 3 ) 针对糊口机运动控制的转速同步控制问题，结合实际项目，明确系统对转速同步 控制的要求； ( 4 ) 学习专家控制系统的原理，将其应用于转速同步的控制回路，采用专家p i d 控制 策略，通过仿真并与传统的p i d 控制作比较，确定其优越性； ( 5 ) 进行运动控制的专家p i d 控制系统的设计并应用于实际工程； ( 6 ) 就所做项目的理论研究及工程实现等工作进行总结，通过实际的运行曲线验证方 案的可行性。 陕两科技人学硕十学位论文 2 糊口机运动控制系统的构成 2 1 糊口机工艺简介 s b 7 0 a 塑编布糊口包装机广泛应用于粉、粒、片状物体的自动灌装生产线，其生产 的糊口袋具有坚固结实、美观大方、防漏抗潮湿的特点，利于贮藏和运输。对改进产品 包装、提高包装质量、提高产品附加值和国际市场竞争力具有很大的帮助。 ( 1 ) 制袋工艺 塑编面料( p p 、p e ) 卷筒在印刷机构中由支架上卷机械展开，经过着墨辊完成四至 六色( 由用户要求决定) 的双面印刷。印刷机构采用了自动供墨、网纹辊传墨、面料表 面电晕处理技术，可保证着墨量均匀，使印刷的效果清晰鲜艳。印刷后的面料经过旋转 切断部切割成用户所需要的长度并且已经具备包装袋的雏形了，只是袋子的上下没有封 口，我们称之为袋简。袋筒离丌印刷部后进入糊口部，经过转向机构的处理，可使切断 后的袋筒从纵向运行状态旋转9 0 度后变为横向运动，这里将涉及到印刷部电机和糊口部 主电机的同步控制问题。通过纠偏校对和前沿定位机构可对面料的位置和姿态进行调整， 经涂胶、烘干、开底后进入袋底校f 机构。指状叉式袋底校正机构可对已经打丌的袋口 的前后角进行校正，使每个袋底打丌工整对称。袋筒继续自订进，由阀口贴片装置在固定 的位置对设备上运行的每一个袋筒贴阀口后完成阀口成型。此后进入贴附加底的过程， 贴附加底机构使设备上运行的每一个袋筒按照固定的长度进行准确地粘合，然后经过反 折压实变为成品出袋堆码。 ( 2 ) 适用范围 1 包装物适用范围：水泥、面粉、饲料、炭黑、化工原料等粉、粒、片状物品。 2 适用制袋材料范围：聚丙烯编织布( p p ) 、聚乙烯薄膜( p e ) 等材料。 3 适应材料重量：聚丙烯覆膜塑编布( p p ) = 1 0 0 9 m 2 以上，聚乙烯薄膜厚度0 1 5 0 2 m m 或其它塑料制袋材料。 4 适用袋型：阀口袋、敞口袋。 5 适用制袋规格：袋长4 3 0 9 6 0 m m 任意调节；袋宽3 8 0 7 0 0 m m 任意调节；袋底宽 9 0 一1 6 0 m m 任意调节。 6 适用制袋印刷要求：4 - 6 色套色印刷，柔性树脂模板、液压网辊升降、油墨自动循 环、光电自动纠偏。 2 2 交流异步电动机变频调速原理口幻 电动机调速是各行各业中电动机应用系统的必需环节。交流异步电动机结构简单却 因其磁链与电流强耦合，而且是多变量非线性系统，调速难度大，长期以来在调速系统 糊口机运动控制的研究及实现 的应用受到限制。直到近三十年来，一系列新型的传动调速技术的出现才开始了交流传 动的新篇章，常用的方式主要有u f 控制、电压空问矢量控制、直接转矩控制等几种。 由电机学的知识可知，交流电动机的转速公式为： n o = 6 0 f p ( 2 1 ) r 旷电机同步转速 卜供电电源频率( h z ) r 电机定子磁极对数 异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出： n - - - n o ( 1 一s ) - 6 0 f ( 1 一s ) p ( 2 - 2 ) n _ 电机实际转速 r 转差率( 同步电动机时，s = 0 ) 电势和转矩公式为： e i = c e f l ( i ) ( 2 3 ) t = c t l 2 c 1 )( 2 - 4 ) 式中e l 一定子相电势( 若忽略定子绕组漏抗，e l 等于定子相电压u 1 ) ； f l 一定子供电频率； 少一每极气隙磁通； c e 一电势常数( c e = 4 4 4 k l 1 ) ； c 广转矩常数； 1 2 一转子电流。 从以上公式看出，在频率增加而电压u l 保持不变的情况下，随着转速的升高，气隙 磁通西中将相应地减少。气隙磁通的减少将会导致电流允许输出的转矩下降，严重时会 出现堵转现象。反之，在频率减少而电压u l 保持不变的情况下，随着转速的下降，气隙 磁通m 会相应地增多，气隙磁通的增多势必导致电机磁路的饱和，励磁电流上升，于是 会急剧增加损耗，恶化运行条件。由式( 2 3 ) 可知，值由e l 和f l 共同决定，只要对两 者进行适当的控制，就可以使气隙磁通保持不变。 当在台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋 转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将 切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受 到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电 动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机 的转向也将发生改变。 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通 9 陕阳科技人学硕十学位论文 太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而 导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。 2 3 变频调速的优点 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术 和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行 调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围 内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的f 反转切换，可以进 行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。电机带动较大 负载启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流， 解决大负载的启动问题。完善的保护功能：变频器保护功能很强，在运行过程中能随时 检测到各种故障，并显示故障类别( 如电网瞬时电压降低、电网缺相、直流过电压、功率 模块过热