（控制理论与控制工程专业论文）无轴系统同步控制的研究.pdf

at h e s i si nc r e s e a r c h 一 l ) 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：芷 忌。 学位论文作者签名：孑滂涝 日期：伊毋牟7 闷g 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年一年半口两年口 学位论文作者签名：孑葬七 导师签名： 签字日期：乙劫夸7 月幽 签字日期： i i ，i ， j，i 东北大学硕士学位论文摘要 无轴系统同步控制的研究 摘要 无轴传动印刷机具有传动精度高、结构简化、传动比范围宽、调整方便等优点，它 已逐步取代传统机械长轴印刷机并成为未来印刷业的发展趋势。经过多年的研究，许多 学者都提出了一些应用于无轴传动系统的同步控制策略，至今为止，对于无轴传动印刷 机同步控制系统的研究仍是热点与难点。面对各种因素造成的不同步现象，寻求多轴高 性能的同步运动仍是一个急待解决的问题。本文针对无轴传动印刷机同步控制中所存在 的难题进行了探索性的研究。 本文首先以无轴传动印刷机为研究对象，在剖析无轴传动技术优势和学习无轴传动 印刷机同步控制的基础知识之后，研究了目前常见的几种多电机的同步控制方式，为无 轴传动印刷机同步控制系统设计了电子虚拟总轴同步控制策略，仿真结果说明了电子虚 拟总轴控制策略能够满足多轴( 大于两轴) 系统速度同步和位置同步的要求，适合应用 于无轴传动印刷机的同步控制系统。 其次，本文在研究了滑模变结构控制算法的基础上，为无轴系统设计了滑模变结构 控制器，以提高系统的跟踪性能和鲁棒性；并且针对实际运行过程中，驱动电机负载转 矩变化等因素对同步精度造成的影响，设计了基于积分切换函数的自适应滑模变结构控 制器。 最后，对整个无轴传动印刷机同步控制系统进行了设计，并在m a t l p 出环境下对 系统进行了仿真研究，仿真结果表明本文所提出的控制策略不但能够实现无轴传动印刷 机的同步控制，而且能够有效地抑制系统参数变化等对系统位置同步造成的影响，达到 了研究目的。 关键词：无轴系统；同步控制；电子虚拟总轴控制；滑模变结构控制；积分自适应滑模 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo fs h a f t l e s ss y s t e m a b s t r a c t s h a f t l e s sd r i v e np r i n t i n gm a c h i n eh a v ea l r e a d yt a k e np l a c eo ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm a s t e r d r i v e np r i n t i n gm a c h i n ed u et oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nh i g hp r e c i s i o n ，s i m p l i f i e d s t r u c t u r e ，w i d eg e a rr a t i o ，c o n v e n i e n ta d j u s t m e n t ，e t c d u r i n gt h el a s tf e wy e a r s ，m a n y s c h o l a r sh a di n t r o d u c e ds o m en e wc o n t r o lt h e o r i e si n t os y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ，h o w e v e r ， r e s e a r c ho nt h es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fs h a f t l e s sd r i v e np r i n t i n gm a c h i n ei s s t i l la p u z z l eu n t i ln o w h o wt oc o m p o s e ag o o d a l g o r i t h m t h a tc a nm a k em u l t ia x e sr u n s y n c h r o n o u s l ys t i l lr e m a i n st ob er e s o l v e df a c i n gk i n d so ff a c t o r st h a t m a k et h es y s t e m a s y n c h r o n o u s e x p l o r a t o r yr e s e a r c hi st a k e no ns o l v i n gt h ep r o b l e mi n t h es y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ls y s t e mo fs h a f t l e s sd r i v e np r i n t i n gm a c h i n ei nt h i st h e s i s f i r s t l y ，r e s e a r c hi s f o c u s e do nt h es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fs h a f t l e s sd r i v e n p r i n t i n gm a c h i n ei n t h i st h e s i s a f t e rm a k i n ga n a l y s i so fa d v a n t a g e so fs h a f t l e s sd r i v e n t e c h n o l o g ya n ds t u d y i n gt h eb a s i ck n o w l e d g eo fs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo ft h e s h a f t l e s s d r i v e np r i n t i n gm a c h i n e ，s e v e r a ls y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lm e t h o d so fm u l t i m o t o r sh a sb e e n c o m p a r e d t h e n ，e l e c t r o n i cv i r t u a ll i n es h a f t i n gc o n t r o lt h e o r yi sd e s i g n e df o rs y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ls y s t e mo ft h es h a f l l e s sd r i v e np r i n t i n gm a c h i n ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a t t h ee l e c t r o n i cv i r t u a ll i n es h a f t i n gc o n t r o lt h e o r yc a ns a t i s f yt h ed e s i r eo fs p e e da n dp o s i t i o n s y n c h r o n i z a t i o nf o rm u l t i - a x e s ( m o r et h a nt w oa x e s ) s y s t e m s e c o n d l y ，u n d e rt h er e s e a r c ho nv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la l g o r i t h mw i t hs l i d i n gm o d e s ， s l i d i n gm o d e sc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oe v e r ya x i si n o r d e rt om a k et h es y s t e mo w n st h e c h a r a c t e ro fr o b u s t a n da d a p t i v ei n t e g r a ls l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e di no r d e rt o i n h i b i tt h ed i s t u r b a n c eo fl o a da n dp a r a m e t e r sc h a n g eo nt h ew h o l es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m f i n a l l y ，t h ew h o l es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n ds i m u l a t e di nm a t l a b ， t h er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v et h a tt h ec o n t r o lt h e o r yo ft h i st h e s i sc a nn o to n l yr e a l i z e st h e g l o b a ls y n c h r o n i z a t i o nb u ta l s oi n h i b i t st h ed i s t u r b a n c eo fl o a da n dp a r a m e t e r sc h a n g eo nt h e w h o l es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mw h i c hc a nf i tt h et a r g e to ft h er e s e a r c h k e y w o r d s ：s h a f t l e s ss y s t e m ；s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ；e l e c t r o n i cv i r t u a l l i n es h a f t i n g ； s l i d i n gm o d ec o n t r o l ；a d a p t i v ei n t e g r a ls l i d i n gm o d ec o n t r o l i i i ，。 ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明。i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的背景和意义。1 1 2 印刷机的发展概况1 1 2 1 印刷机概述1 1 2 2 传统印刷机的传动技术一2 1 2 3 无轴传动取代机械传动的必然趋势3 1 3 无轴传动印刷机系统控制技术简介4 1 3 1 无轴传动印刷机系统控制技术的发展4 1 3 2 无轴传动印刷机系统控制技术的特点一5 1 3 3 无轴传动印刷机系统控制中存在的技术难点8 1 4 论文的主要工作9 第2 章无轴传动同步控制基础1 1 2 1 伺服传动原理概述1 1 2 2 伺服电机数学模型1 3 2 2 1 三相永磁同步电机模型1 4 2 2 2p m s m 电机控制方式1 6 2 3 伺服传动在无轴传动印刷机中的应用1 7 2 3 1 无轴传动系统架构1 7 2 3 2 多主轴形式1 9 2 4 无轴传动同步控制原理2 0 2 4 1 电子轴传动系统同步原理2 0 2 4 2 无轴系统的同步控制结构。2 1 2 5 本章小结2 4 一t v 东北大学硕士学位论文 目录 第3 章无轴传动同步控制策略的研究2 5 3 1 多电机同步控制概述2 5 0 1 1 速度与位置同步的关系2 5 0 1 2 动态刚度2 6 3 0 1 3 电机拖动系统模型2 7 3 2 多电机同步运动常用控制策略2 8 3 3 电子虚拟总轴控制策略的研究2 9 3 3 1 参数设置3 0 3 3 2 仿真分析3 1 3 4 同步主参考控制策略的研究3 7 3 5 本章小结3 9 第4 章滑模变结构控制理论的研究4 1 4 0 l 滑模变结构控制的基本概念j 4 1 4 2 滑模存在及到达条件4 2 4 3 等效控制及滑模控制的动态品质4 3 4 3 1 等效控制4 3 4 3 2 滑模控制的动态品质4 4 4 4 滑模面的设计4 5 4 5 滑模控制器的设计方法4 6 4 6 滑模变结构控制的抖振问题4 7 4 6 1 抖振因素分析4 7 4 6 2 抖振的削弱和抑制4 8 4 7 滑模变结构控制在无轴系统的应用前景4 9 4 8 本章小结5 0 第5 章无轴传动同步控制系统的设计5 l 5o l 单轴系统设计5 1 5 2 单轴系统的积分自适应滑模变结构控制器设计5 3 5 2 1 积分型滑模控制器的设计5 3 5 2 2 自适应滑模控制器的设计 一v 一 东北大学硕士学位论文 g l 录 5 3 多轴同步控制系统的设计5 5 5 4 多轴同步控制系统的仿真研究5 6 5 4 1 仿真模型建立5 6 5 4 2 仿真结果分析5 8 5 5 本章小结6 1 第6 章结束语6 3 参考文献6 5 致谢一6 9 一v i j - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着对商品精美化要求的提高，人们对印刷行业提出了更高的技术要求，尤其科学 技术日新月异的今天，更对印刷生产提出了高印刷速度、高印刷精度的要求【1 1 。但是当 前印刷行业主要还是采用以机械轴传动为主的传统印刷方式，e p 届k j 效率和精度都相对较 低。然而现代计算机技术、信息技术、新传感技术以及驱动技术的迅猛发展，必将推动 印刷技术走向高智能化、高效能化，而无轴印刷技术正是代表着印刷技术的发展方向。 所谓无轴是指印刷机中每个机组，甚至是每个滚筒或辊子的动力都是相互独立的， 分别采用单独的伺服电动机，按照运动控制器发出的程序指令进行驱动，从而保证各机 组间同步运转的传动方式。近几年来，独立驱动技术在许多传统印刷设备，如轮转印报 机、凹印机和柔印机上的应用，引起了许多业内人士的关注。有人说，这一技术是印刷 机上近3 0 年来最伟大的技术革新【2 j o 同时，无轴印刷系统的多电机同步协调控制是在制造与生产过程中经常用到的一种 重要的控制，协调控制的问题在多变量控制系统中广泛存在。在多电机同步协调控制的 实践中，有很多场合要求变量之间保持某种同步协调的关系，使整个系统处在技术上合 理，经济上合算的协调工作状态中。其中有些场合要求多台电机严格同步传动，有的要 求达到准同步运行或达到位置同步，有的则要求多台电机转角或转速比值按一定比例规 律连续变化。在这些系统中多电机之间的协调结果直接影响生产的效率及产品的质量。 因此多电机协调同步控制一直是人们不懈研究的课题，具有非常重要的现实意义。例如 在印染机械中，要求速度上升均匀，同步协调运行，使织物通过各加工机械部分的张力 恒定。因此，多电机的协调控制问题直接影响系统的可靠性和控制精度。 当前，无轴系统的电气同步控制还是- - 1 3 新兴的跨学科的综合性科学技术，是电力 电子技术、电气传动技术、信息自动化技术和机械技术的有机结合1 3 l 。另外无轴同步系 统是非线性、强耦合的多输入多输出协调控制系统，具有一定的复杂性和理论研究价值， 而且其潜在的经济效益和社会效益是巨大的【4 1 ，因此研究无轴传动系统电气同步协调控 制，具有重要的实际意义。 1 2e p , | 昂l j 机的发展概况 1 2 1 印刷机概述 所谓印刷机就是借助印刷压力或其他方式将印版等载体表面上的图文信息以油墨 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 或其他显示媒介的形式转移并牢固地附着在纸张或其他承印物上的一种自动机器1 5 1 。 印刷术发明于中国，而印刷机则首创于欧洲。自1 4 5 0 年由德国人谷登堡发明的第 一台垂直手版印刷机问世以来，印刷机呈快速发展的趋势。当前，印刷机主要呈现以凸 版、平版( 胶印) 、凹版印刷机为主，丝网印刷、柔性版印刷等印刷机种为辅的局面。 从印刷技术来看，印刷机已经走过了从简单到复杂，从单- n 多样化，从手工操作到数 j 字化自动控制的历程。 随着社会的不断发展，人们对印刷品的需求不断增加。在2 0 0 5 年5 月举办的第六l 届北京国际印刷技术展览会上，来自世界2 3 个国家和地区的8 8 0 多家企业纷纷展示了 其生产的印刷设备所具有的强大竞争力；五彩缤纷的商品包装、千姿百态的招贴广告、 形形色色的报刊书籍等，给人们带来了极大的视觉冲击，这些都充分体现了印刷品在人 民生活中的重要作用。 根据世界印刷技术的发展方向，印刷市场发展的基本趋势是“多色、高效化”。高 效的基本含义是速度高、辅助时间短、质量稳定可靠。用高新技术和先进实用技术改造 传统设备，使其结构简单，提高自动化、智能化控制水平，提高效率，注意环保，人机 对话，操作舒适方便，是基本的发展方向。高新技术特别是信息技术如计算机技术、光 纤通讯技术、微电子技术等在印刷机中的应用，使印刷技术发生了质的根本性变化。在 商业个性化印刷、标签印刷、防伪e ； j n 、各类专业票证印刷、条形码及可变数据印刷与 传统印刷联线等领域，数字印刷以其高效率处理信息的优势，独占鳌头，大显身手。近 年来，无轴( 电子轴) 、无缝、无墨键以及套筒技术的应用，将为印刷机发展带来革命 性变革。因此，发展高效化的多色机成为今后印刷机市场的主要趋势。 1 2 2 传统i ；p , 届l l 机的传动技术 由于印刷机的种类繁多，用途各异，其组成也各不相同。但总的来看，各种印刷机 基本上由下列几大部分组成：传动系统、输纸系统、规矩系统、印刷系统、输墨系统、 润湿系统、收纸系统、控制系纠6 1 。 尸 一 对于本文所研究的课题而言，传动系统是研究的重点。印刷机的传动系统通常由原 动机、传动系统和执行机构三个部分组成，原动机一般指电动机，由它把电能转变为机 械能。传动系统则是把原动机产生的机械能传递到执行机构上去的中间装置。由它实现 变速( 减速或增速) 以及运动形式的转变，使各执行机构能实现预想的运动，同时把电 动机的输出功率和扭矩传递到执行机构上，使它们能克服各种阻力而做功，执行机构是 利用机械能来实现印刷机对印品的印刷。 传统的印刷机采用机械总轴( 也称共轴、有轴) 同步传动的方式，由主电机驱动一 根长长的机械总轴，所有单元都通过各自的传动齿轮来实现各色组之间动作的协调同步 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 运行。 在这种驱动方式下，所有单元都有来自与总轴相同的输入信号旋转速度和累积 角度。当任一单元由于负载变化而发生转矩变化时，单元内的轴会产生相应的弹性扭矩， 与其连接的齿轮箱将这一扭矩传递到机械总轴上，致使机械总轴的旋转速度随单元转速 朝相同方向变化。同样由于机械总轴的旋转速度的变化，其他单元的速度也跟着变化。 可见负载的扰动不仅使本单元的输出发生变化，也使所有单元的输出都朝着相同的方向 变化。正是这种相互作用，负载的扰动引起的不同步，才能在机械总轴扭矩的作用下快 速回到同步的状态。 机械总轴的这种固有的同步特性，对印刷产品的可重复性的套印至关重要，这也是 至今机械总轴驱动系统被广泛应用于各类印刷机的原因。但这种方式也有许多不足，体 现在： ( 1 ) 需要大量复杂而又昂贵的齿轮传动装置。 ( 2 ) 机械传动系统的黏性系数很小，容易出现共振( 机械谐振) 现象。若谐振频 率较低，就会影响系统的稳定性。 ( 3 ) 机械总轴所能输出的力矩与其截面积成正比，与其长度成反比，因此机械总 轴不可能无限制地加大、加长。 ( 4 ) 增加或减少印刷单元时，需要装卸必要的机械连接部件，因而使机器的操作 复杂化，不够灵活。 ( 5 ) 单个电机的功率有限，限制了每个负载分得的驱动功率，致使单元的负载受 到较大限制。 ( 6 ) 机器的磨损，容易造成多个机器部件、各种故障交织在一起的复杂状态，不 利于故障的分析排除。 由此看出，机械总轴传动方式具有其自身存在的缺陷，在不同程度上限制了大型高 效高性能印刷机的发展阴。 1 2 3 无轴传动取代机械传动的必然趋势 由于各机组间单独驱动，省去了传递动力的机械长轴。无轴传动技术对印刷机的传 动系统、机器构造，特别是大型多色印刷机而言，无疑是一项技术性的突破。 相对于传统机械传动系统而言，无轴传动的优势非常明显，表现为： ( 1 ) 由于各驱动单元由独立的伺服系统构成，节省大量的机械零部件。 ( 2 ) 克服了机械总轴系统容易发生谐振的弊端，还可使系统具有较好的动态性能。 ( 3 ) 采用数字化不受干扰的光纤连接，系统能在较大的范围内j 下常运行，理论上 没有距离限制。 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 系统具有“即插即用”性质。通过简单的操作即可改变系统的拓扑结构，不 像机械总轴那样需要添加或拆除机械部件。 ( 5 ) 每个单元用独立的驱动电机拖动，其容量比采用传统机械总轴方式的系统容 量大得多。 ( 6 ) 各单元的机械构件相对独立，有利于故障的分析排除，也有利于提高印刷产 品质量。 由此可见，无轴传动技术克服了传统机械传动的种种弊端，在信息化、数字化、电 子化、自动化等技术飞速发展的今天，在日益激烈的市场竞争下，实现印刷的高效率、 高品质，追求性能稳定的无轴传动印刷机将逐步取代传统机械传动印刷机，成为今后世 界印刷机市场的主流。 1 3 无轴传动印刷机系统控制技术简介 1 3 1 无轴传动印刷机系统控制技术的发展 无轴传动也称为伺服传动、独立传动、电子轴传动、无机械传动等，其发展是机械 类传动与电子技术广泛应用相结合的产物。自柔版印刷技术开发面世以来，印刷商就不 得不面对着机械零部件，特别是齿轮的一些固有缺点。生产不采用齿轮的印刷机这一构 想在几十年前就已提出。但是直到几年前不采用齿轮的无轴传动印刷机系统的制造才被 正式列为研发项目。另外，提高印刷的效率和质量，减少机器运转时的噪音，提高能耗 效率，增强传动系统空间摆放的灵活性等一系列印刷机械所急待解决的问题已刻不容 缓，迫切的生产需要促使人们必须寻求更加理想适合大型高效特别是多色印刷机的传动 系统【引。 随着独立传动理念的提出以及伺服与矢量控制传动系统被应用于纸包装加工行业 及印刷行业，无轴传动印刷机才终于面世。无轴传动技术是印刷机械制造业的一种新技 术，最早将这一技术推向市场的基本上都是传动控制公司，如德国的力士乐、伦兹，日 本的住友，奥地利的贝加莱等。这些厂商常年专注于对伺服系统的研究与开发，并将性 能卓越技术成熟的伺服产品应用于印刷机械当中，制造出独立驱动的无轴传动印刷机， 克服了机械传动印刷机的诸多缺陷，实现了几代人多年的梦想，是世界印刷技术史上的 伟大变革。另外，电子计算机技术、网络通信技术、自动控制技术、电气传动技术、机 械制造技术等多学科信息类技术的飞速发展也加速了无轴传动技术发展的进程。无轴驱 动、套筒技术在轮转机上的应用已经非常普遍，曼罗兰、k b a 、g o s s 都有多种型号的 无轴驱动的轮转机系列。 在我国，无轴传动的凹版印刷机在2 0 世纪9 0 年代末期已经引起陕西北人印机公 司的高度重视，经过多年的研究丌发，生产的无轴传动凹版印刷机已经达到较高水平。 一4 一 j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 除此之外，上海高斯与美国高斯联合开发、在新世纪推出的具有高水准的u r b h 型高 速轮转胶印机是无轴驱动且具有高水准的印刷系统。在无轴传动设计上，采用德国著名 的r e x r o t hi n d r a m a t 公司电器元件和精湛技术，实现了完美的结合，是我国第一台 可印刷双面彩色二版周长的标志性产品，该设备在高速彩报印刷中可靠性强，自动化程 度高，完全可满足用户多种套色印刷的需求，同时也显示了国内印机企业在应用此项技 术上已取得了进展。 从总的发展趋势来看，无轴传动技术已充分发挥其在印刷技术领域当中的优势，逐 步占据了印刷行业的主导地位。 1 3 2 无轴传动印刷机系统控制技术的特点 对于无轴传动印刷机而言，其最大的特点是采用了高精度、高速度和高动态响应的 伺服系统作为各印刷单元的驱动装置。每个印刷单元都由高性能的交流伺服电机独立驱 动，中间不存在任何机械连接，所有e i l 届t 操作都由中央控制器进行同步控制。以力士乐 s y n a x 2 0 0 无轴传动印刷机系统为例，通过与传统印刷机传动系统的比较，分析无轴传 动技术所具有的特点和优势1 9 1 。 传统机组式印刷机为了保持机组间的同步和有规律的运动，驱动的基本特点是：动 力源通过一根长轴( 如图1 1 ) 带动各机组的传动元件，再通过传动元件带动设备的执 行元件完成设备的输入、输出任务，这是印刷机械传统的“有轴驱动”。在各机组印版 滚筒的传动齿轮与主动轴之间设置差动齿轮箱，通过差动齿轮使印版滚筒转动一定角 度，以此达到改变印版滚筒轴向位置之目的，实现纵向套准误差的调整；系统中大量的 可变传动比齿轮箱、嵌齿轮、联轴节等机构用于保持各印刷辊与机械主轴同步或按一定 的传动比运动；机械凸轮机构则用来实现印刷品的裁断功能。 随着现代伺服传动技术的发展与应用，取消这根长轴的条件已经完全成熟，这就是 每个印刷( 或功能) 机组都有一个或几个伺服电机驱动，同样可以达到印刷的要求( 如 图1 2 所示) 。采用伺服传动系统将用长轴连接整机驱动的方式，改为单机组分别由伺 服电机驱动的方式，设备的结构大大简化，不但取消了长轴，还取消了传动过程中的大 量结构零件1 1 0 j 。 无轴传动印刷机系统为印刷技术带来了巨大变化，其主要特点为： ( 1 ) 无轴传动印刷机是一种开放式结构 对于无轴传动印刷机来讲，模块化设计的独立驱动单元已经使设备不需要通过主轴 将动力传递给每一个单元，不需要通过高精度的齿轮箱传递力矩，也不需要齿箱的润滑 系统，更不会出现由于机械制造安装不准确产生的一些问题，因此就不会产生因为齿轮 传动而形成的影响套印精度的因素，减少了设备运转时的噪音，提高了能耗效率，可以 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 更好的利用空间。目前无轴传动技术大多采用了符合国际数字传动接口标准的串行实时 通信系统( s e r c o s ) ，通过无噪音光纤电缆同步协调每个传动装置，大大简化了人员 培训、生产管理和设备维护。 图1 1 传统机械传动印刷机概貌 f i g 1 1o v e r v i e wo ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld r i v e np r i n t i n gm a c h i n e 图1 2 无轴传动印刷机概貌 f i g 1 2o v e r v i e wo fs h a f t l e s sd r i v e np r i n t i n gm a c h i n e ( 2 ) 虚拟总轴代替机械总轴拥有极高的同步协调性 虚拟总轴，就是应用数字化驱动控制技术，模拟出机械总轴的物理特性，因而虚拟 总轴具有与机械总轴相似的固有同步特性。 每个驱动器跟踪的是经过总轴作用的参考信号，因此当负载产生扰动时，一方面受 扰单元的速度向减小该轴与其他轴之间速度差的方向变化；另一方面参考输入信号也发 生变化，在此参考输入信号的作用下，其他单元轴的速度也向减小轴之间速度差的方向 一6 一 量 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 变化。这两方面的作用能使系统快速同步，故虚拟总轴系统具有机械总轴方式固有的同 步特性。每个驱动单元光电信号的获取及传输，都是通过无噪音光纤电缆来完成的，不 再使用主轴及齿箱传递力矩。驱动单元张力调节辊的同步协调性的提高，为调节速度提 供了很大的方便。每个驱动单元具有独立的套准系统，套准控制反应快，控制信号直接 作用于交流伺服电机，而电机直接作用于调节印版滚筒的相位，这就为快速反应提供了 可靠保证。 ( 3 ) 最大限度的降低成本 对于设备的制造商来说，无轴驱动设备的概念首先意味着开发、生产和运行成本的 降低。而对于用户来讲，与通过电机、主轴、齿轮传动、离合器传动的传统印刷机相比， 无轴传动印刷机大大地降低了由于印刷机机械结构影响而产生的废品，从而最大限度的 降低成本。由于每组印刷单元都具备了预套准功能，减少了初期调整套准时产生的废品。 在换卷时，由于每个印刷单元独立性的驱动，从而大大降低了由于换卷时的张力变化而 产生的印刷废品。由于驱动系统交流伺服电机具有极其灵敏的动态响应特性及其数字化 的调节机构，只要改变参数就可以适应不同活件的生产要求；而传统印刷机则需要改变 机械结构，以适应不同活件的生产要求。这样既减少机械的加工成本，也更大限度的减 少了由于改变这些结构所需要的非生产性准备时间。电子轴的应用使用户只要输入一个 参数值，数字化的控制系统就能够保证准确的重复再版，从而降低了废品率和成本。 ( 4 ) 灵活性 无轴传动的印刷机可以对现有的设备加以扩展，大大提高了设备的可用性，同时由 于模块化的设计单元，以及对设备进行理想的组合，既降低了采购成本，又节约了宝贵 的资源。传动机构的减少，使操作者更易接近印刷机，操作、维修更方便灵活。印刷单 元之间的距离减少走料距离的缩短，出现错误的几率就会降低。 ( 5 ) 1 远距离的技术支持 伴随着计算机技术和网络技术的广泛应用，缩短了企业与企业间的距离，使印刷机 的远程诊断和技术服务成为可能。而无轴传动印刷机数字化控制系统的应用，又使这种 可能变成现实。无论在地球上的任何一个角落，只要告知无轴传动印刷机生产企业，几 乎在你机器出现问题的同时，无轴传动印刷机制造商就可以为用户进行技术服务，从而 可以最大限度的减少停机时间。 如果仅从无轴驱动印刷机的机构上看，我们也会发现一些很明显的优越性： ( 1 ) 电机每转动一圈有好几百万脉冲f l o j ，可以借此作非常精密的定位，更好地控 制比例和速度，配上智能型驱动器及高速微处理器，对套准精度的控制可大幅度提高。 此种以电子线路代替轴杆传动的系统( 采用直接安装在电机内的超高分辨率编码器和高 速微处理器，来指定系统内每一转轴的正确位置，并能精确地复位) 使分机组驱动的概 一7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 念得以实现。 ( 2 ) 在采用齿轮及轴杆传动系统时，所不可避免的扭力不稳定性及齿轮的滞后性， 都会导致套准有所飘移，尤其是在加速或减速时更甚。如果传动轴越多、越长，齿轮越 多、越大，其积累误差系数就越大，这种误差在新的传动与控制系统中就可避免。何况 齿轮在使用过程中难免发生机械磨损，误差就会加大，而齿轮还是印刷中出现条纹( 或 矗 称杠子) 故障的主要因素。 ( 3 ) 不用齿轮印刷机上滚筒的转动，就不再受齿轮节距的限制，印刷品的重复长 t 度就没有固定的局限，而可以随意加以调节，这在适应包装印刷品规格多样化需要的柔 性版印刷机上尤其受欢迎。只要把印版滚筒的周长调换到要求，并把重复长度数据输入 控制中心就可以了。 ( 4 ) 除了可省大功率的驱动电机、降低电力消耗外，同时还取消了一系列机械传 动机构，包括：印版滚筒、压印滚筒的驱动齿轮、齿轮箱、皮带盘、皮带、传动轴等， 结构简化后，零备件储备锐减，维修停机时间减少，而且交流伺服电机与同步电机均为 无刷型结构，其维护比有刷型电机简单省事。 ( 5 ) 伺服电机与同步电机在整个运行过程中，提供高度恒定的转矩，在快捷的变 速时，惰性或滞后性低。因此，由此而产生的废次品也就大为减少，生产效益提高。尤 其在短版活多的情况下，更显出其优越性。 总的说来，无轴传动印刷机在工业现场的生产中得以应用，会以更高的生产力、加 工质量、灵活性和较短的产品加工周期、简单的操作、较低的生产成本、可靠的系统资 源，让使用者受益匪测1 1 】。 1 3 3 无轴传动印刷机系统控制中存在的技术难点 从本质上讲，无轴技术就是伺服系统的一种表现形式。m a n n e s m a n nr e x r o t h 公司 i n d r a m a t 分部的一位高级主管吉米福尔曼说：“无轴技术，也就是一种伺服系统”。 对于无轴传动印刷机而言，其核心控制对象是伺服电动机。而从控制参数看，保持多台 - 伺服电动机的位移( 相位) 、速度的精确同步是采用无轴传动技术的关键。所谓“同步”， 就是要求每台伺服电机的回转轴有接近相同的速度或有相同的相位，这类问题一般统称 为多轴传动系统同步问题。要实现无轴传动印刷机系统的同步，就需要对系统进行控制。 在实际中，由于系统本身的复杂性，使得影响系统同步的因素较多。从机械方面考虑， 由于机械系统加到各电动机的负载不均，这会导致各电动机不同步。从电动机方面看， 电源的波动、由环境湿度和温度的变化引起的电动机参数的变化等等，都将会引起系统 中各电动机之间的不同步。因此，采取适当的同步控制策略，使系统中多个电动机能够 克服导致不同步的干扰因素和不确定性因素，按要求的同步性指标运行，便成为无轴传 一8 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 动印刷机系统中的技术难点。 1 4 论文的主要工作 本文以无轴传动印刷机为研究对象，将电子虚拟总轴同步控制策略和滑模变结构控 制算法相结合并应用于无轴传动印刷机，从而使无轴传动印刷机能够保证良好的同步效 果，较好的抑制外界干扰，保持良好的鲁棒性。 全文共分为六个主要部分： 第一章介绍了印刷机和无轴传动技术的发展概况。通过无轴传动印刷机与机械传 动印刷机在实际应用中性能特点的比较，阐明在印刷机领域，无轴传动技术相对于传统 机械传动技术的巨大优势，并说明无轴传动取代有轴传动是发展的历史必然。 第二章学习了无轴传动印刷机同步控制的基础知识。因为伺服驱动设备是无轴传 动印刷机同步控制系统的执行机构，所以从单轴驱动的角度入手，对执行电机与控制回 路进行建模分析及原理阐述，确定无轴系统中p m s m 电机的控制方式；然后基于单轴 模型的特点，进行多轴同步控制结构的分析与选择，并对确定的同步控制结构进行同步 传动精度分析。 第三章研究了多电机同步控制的基本理论，比较了几种同步控制策略的优缺点， 通过定性的仿真分析，得出结论，认为电子虚拟总轴同步控制策略最适合印刷机械的同 步控制，从而选用电子虚拟总轴控制策略作为后续对无轴传动印刷机同步控制系统的研 究基础。 第四章研究了滑模变结构控制理论，包括滑模变结构控制的基本原理，滑模面的 选取，滑模变结构控制器的设计方法，在无轴系统中的应用等，为无轴传动印刷机同步 控制系统滑模变结构控制器的设计提供理论基础。 第五章在电子虚拟总轴控制策略保证了多电机同步运行的基础上，为每个轴设计 了滑模变结构控制器，以实现良好的跟踪性能，提高了对干扰的抑制作用；并且针对印 刷机械中经常出现的系统扰动上界不确定这一情况，设计了基于积分切换函数的自适应 滑模变结构控制器；最后对整个无轴同步系统进行了仿真分析。 第六章对整个论文进行了总结。 一9 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 东北大学硕士学位论文 笫2 章无轴传动同步控制基础 第2 章无轴传动同步控制基础 无轴系统应用的广泛性决定了无轴系统本身的多元性和应用的灵活性。2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代变频调速技术的发展促进了交流伺服技术的发展。交流电机材料与结构 与控制理论及方法的发展，使交流伺服系统的性能得到大大提高，并有逐渐取代直流伺 服系统的趋势，至今已广泛地应用于实际生产中【1 2 1 【1 3 】【1 4 l 。因此，利用伺服技术或变频 技术实现无轴系统的多轴驱动已成为目前公认的主要控制方法。伺服系统的执行单元主 要是高执行精度的伺服电动机，主要控制参数是位移( 相位) 、速度，及其它一些变量 ( 如张力和转矩等) ，这些都符合无轴系统应用的条件。从本质上讲，无轴系统就是伺 服系统的一种表现形式。 无轴传动印刷机系统控制的技术核心是对多轴伺服系统的控制，无轴传动的同步控 制也是以伺服系统中各电机的位置、速度、或加速度的同步控制为基础。因此，研究无 轴印刷机的同步控制必须以研究多轴伺服系统为前提。 2 1 伺服传动原理概述 伺服系统又称作随动系统。广义上来讲，系统的输出量以一定的精度复现其输入量， 这样一类系统都称作随动系统【1 2 】。 伺服系统常见类型有位置伺服系统和速度伺服系统，速度伺服系统通常采用两环结 构，即电流内环和速度外环；而在速度环外增加一个位置环就变成带有位置控制的三环 伺服系统，即位置伺服系统【1 4 】。图2 1 为经典的位置伺服系统的结构框副1 4 】。 位置 输出 图2 1 位置伺服系统原理图 f i g 2 1p o s i t i o ns e l v os y s t e md i a g r a m a p r 位置调节器；l r e f 二4 立置给定；p _ f b k 位置反馈：v 二r e f l - i 塞度给定 位置随动系统中的位置指令一般是随机量，并要求输出量能快速、灵活、准确地跟 随给定量的变化做出响应，即跟随性能是位置伺服系统的主要性能指标1 1 5 1 ，采用多环结 构保证了位置伺服系统的准确跟随性能。为了实现控制的高精度，一般选用如图2 2 所 示的多环矢量控制模式。多环控制在结构上相当于过程控制中的串级控制系统。当系统 一1 1 东北大学硕士学位论文 第2 章无轴传动同步控制基础 工作时，多环的计算顺序是先内环调节器后外环调节器，电流调节器a c r 一般整合于 驱动器环节。位置伺服系统的三闭环内部的控制策略一般都是p i 型，这是因为速度表 示了位置的变化趋势、加速度表示了速度的变化趋势，因此从整个系统来看，微分控制 策略也是存在的。这种多环的控制方式，当内环所受到的干扰，当还未影响到该环的被 控量时，就得到内环的控制。内环中参数的变化，由内环给予控制，对被控制量的影响 大为减弱，内环的惯性由内环