基于模糊PID的穿丝机张力控制系统设计

1 7 4 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 9期 2 0 1 4年 9月 基于模糊 P I D的穿丝机张力控制系统设计 闰娟 杨慧斌 程武山 上海工程技术大学 机械工程学院 上海 2 0 1 6 2 0 摘要 穿L r 艺是陶瓷熔断器生产过程 中重要的一个环节 穿丝机是 实现对熔断器 自动 穿丝的 自动化设备 穿丝机 工 作的重要环节是保证碾轮和丝卷之间的康铜丝具有 定张力 对穿丝机的张力控制原理进行了分析 设计了一种基于模 糊 P I D控制算法的张力控制系统 实现了P I D控制参数的自 适应在线整定 并利用L a b V I E W控制设计与仿真工具箱进 行模糊 P I D控制器设计以及 系统仿真 仿真和实验结果表明模糊 P I D控制 系统 比常规 P I D控制 系统相应快 调整能力 强 鲁棒性好 有效的改善了控制效果 关键词 穿丝机 张力控制 模糊 P I D控制 参数 自整定 仿真分析 中图分类号 T H1 6 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 9 0 1 7 4 0 4 Th e De s i g n o f Th r e a d i n g Ma c h i n e Te n s i o n Co n t r o l Sy s t e m Ba s e d o n F u z z y P I D Co n t r o l l e r YA N J u a n YANG Hu i b i n C HE NG Wu s h a n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 C h i n a A b s t r a c t T h r e a d i n g p r o c e s s i s a n i m p o r t a n t s t e p i n t h e m a n u f a c t u r e p r o c e s s o f p o r c e l a i n 厂 s e T h r e adi n g m a c h i n e is a u t o m a t i o n e q u ip m e n t b y w h i c h t h e a u t o m ati c t h re adi n goff e c a n b e ach i e v e d An i m p o r t a n t p a r t o ft h e m ach i n e is t o k e e p a c e r t ai n t e n s i o n b e t w e e n t h e g r i n d i n g w h e e l and t h e c o n s t a n t an w i r e c o i L I t ana l y z e s t h e p r i n c i p l e of t e n s i o n c o n t r o l i n t h r e adi n g m a c h i n e A new t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n y z z y P I D c o n t r o l is d e s i g n e d and t h e P I D c o n t r o l p ar a m e t e r s o n l i n e s e lf t u n i n g i s r e aliz e d T h e des i gn and s i mu l a t i o n a r e ach i e v e d b y t h e c o n t r o l des i gn a n d s i mu l ati o n T o o l k i t of L a b V I E W T h e s i mu l atio n r e s u l t i n d i c at e s t h at f u z z y P I D c o n t r o l h as b e t t e r res p o n s e g o o d adj u s t m e n t a b i l i t y a n d e x c e l l e n t r o b u s t nes s c o m p ar e dt o t r adi t i o nP I D c o n t r o l s y s t e m The c o n t r o l e ffe c t is i m p r o v e d e f f e c t i v e l y b yt h e n e w s y s t e md e s i gne d Ke y W o r d s Th r e a d i n g M a c h i n e Te n s i o n Co n t r o l F u z z y P I D Co n t r o l P a r a me t e r S e l f Tu n i n g S i m u l a t i o n An a l y s i s 1 引言 张力控制系统是为了 保障卷材在卷取和开卷过程中保挣匣 定 张力的控制系统 在工业生产 机械加工等方面应用极其广泛I 在熔断器生产的穿丝过程中 为了保证牵引辊 碾轮 和放卷辊 丝卷 之间的康铜丝具有一定的张力 提高穿丝成功率 采用张 力控制方法对穿丝机的穿丝过程进行控制 由于穿丝系统属于 非线性 时变且受随机干扰的系统 传统的P I D控制器易实现 方便 但是在控制非线性 大扰动的系统时不能获得最佳的控制 效果 为使穿丝机的康铜丝在穿丝过程中的均匀性能够得以保 证 设计了模糊 自适应 P I D控制器 具有较好的动态性能和 自适 应性 保证了熔断器生产的产品质量和生产效率 经过生产线实 际运行 达到很好 的效果 2穿丝机恒张力控制系统 2 1穿丝机的结构与张力产生原理 穿丝机主要完成对指示器的穿丝 焊接 断丝等功能 将 0 2 mm的康铜丝穿人金属帽 0 3 ra m的小孔中 依靠储能焊机将 康铜丝和指示片点焊住 最后将丝切断 穿丝机的基本结构为 康铜丝缠绕在塑料卷桶上形成丝卷 丝卷与穿过其中的轴固定 形成放卷辊 康铜丝通过张力传感器 穿过上下两个碾轮 牵引辊 中间 引向熔断器的穿丝孔 两个碾 轮靠压紧机构紧紧压在一起 每个碾轮上都有一齿轮与其固定连 接 碾轮电机驱动其中一个碾轮 就能靠摩擦力拖动康铜丝向熔 断器方 向运动 达到穿丝的目的 碾轮电机和丝卷之间的康铜丝必须具有一定的张紧度 原 来稿 日期 2 0 1 5 0 2 2 0 基金项目 上海市高等学校科学技术发展基金一 上海市高校实验技术队伍建设计划项目 A 2 一 B 一 8 9 5 0 1 3 0 7 1 4 作者简介 闫娟 1 9 7 8 一 女 甘肃静宁人 硕士研究生 讲师 主要研究方 向 智能控制 机电一体化 杨慧斌 1 9 8 3 一 男 上海人 硕士研究生 讲师 主要研究方向 智能控制 机械电子工程 第 9期 闫娟等 基于模糊 P I D的穿丝机张力控制 系统设计 1 7 5 因是 1 从丝卷放出的康铜丝具有一定的弯曲度 将会影响穿丝 成功率 康铜丝通过张紧后即进行了校直 可以保证穿丝成功率 2 如果从丝卷放出来的丝没有张紧 可能产生缠绕 在碾轮处淤 积等情况 造成设备运行故障 严重时会损坏设备机械结构 通过在丝卷轴上加磁粉制动器 使得其在放卷过程中产生 一 定的制动力矩 就能形成一定的张力 穿丝机的简化系统结构 原理 如图 1 所示 图 1穿丝机简化系统结构原理图 F i g 1 S i mp l i fie d S y s t e m S t r u c t u r e Di a g r a m f o r Th r e a d i n g Ma c h i n e 根据胡克定律 康铜丝的张力 为 d t 式中 y 康铜丝的杨氏模量 A 康铜丝的截面积 L 传动点之 间的距离 穿丝速度 V 康铜丝出卷速度为 卜 系统 启动时间 由 1 可知 为了得到恒定的张力 必须使线速度差 一 恒定 在穿丝过程中 由于工艺需要 穿丝速度 保持恒定 所以 只要控制丝卷的开卷速度 使得 一 恒定 丝卷内就产生恒 定的张力 若在放卷过程中磁粉制动器的制动力矩保持不变 则随着 放卷半径的减小 张力不断增大 最终导致康铜丝被拉断 因此系 统设计的关键点在于根据开卷过程中张力的变化不断调节磁粉 制劫器的制动力矩 2 2穿丝机张力控制系统原理 综上分析 即要设计一套开卷部分的张力控制系统来控制 穿丝机康铜丝的张力恒定 其控制过程描述为 张力检测器将检测到的康铜丝的张力 信号送人张力控制器 控制器根据控制策略综合给定的张力和反 馈回来的张力 输出控制信号来控制磁粉制动器的驱动电流 从 而控制连接制动器的辊轴 构建成完整的张力闭环系统 5 6 1 由式 1 可知要保持放卷过程中的张力恒定 在康铜丝达到 系统要求的张力后 需要稳定放卷棍的速度 但是由于放卷系 统是时变的 非线性的 当放卷棍的半径逐渐变小时 其转动惯量 也随之发生变化 所以在运行的过程中 系统通过控制策略随时 调整磁粉制动器的激磁电流来整定磁粉制动器的输出阻力矩 使 其随着放卷棍半径的减小而减小 才能使康铜丝的张力 引呆 持恒 定 对放卷辊做受力分析 T R M M Mf 2 式中 康铜丝的张力 R 丝卷半径 尬一丝卷惯性力矩 一 磁粉制动器阻力矩 尬一系统的摩擦力矩 影响过小可忽 略 根据阿基米德螺线原理 可写出半径 随时间 变化的方 程如下 R R D i V x t一 3 式中 风 丝卷初始半径 D 一康铜丝直径 r一 丝卷匝数 丝卷 陨性 力矩 可用下式表示 4 式中 产 放卷辊的转动惯量 速 主要由放卷辊的转动惯量 以及丝卷的转动喷量 组成 即 1 r f p 尺 4 r 4 r 4 5 式中 f 丝卷长度 P 康铜丝密度 p 厂卷筒材料密度 一 卷筒 半径 角速度变化率由下式确定 芏 6 一 一 f 1 0 d t d t 2 n r R 将式 5 式 6 代入式 4 再代入式 2 得 豫 r 4 7 其中 丝卷实时半径 R式 3 确定 可看作系统的一个干扰 量 磁粉制动器的输出转矩 J l 与激磁电流i 也可近似看成由下 式确定的比例关系 Ms K i 8 式 3 式 7 式 8 构成了穿丝机开卷张力控制模型 3穿丝机恒张力模糊 P I D控制器的设计 3 1模糊 P l D控制器结构 由于穿丝机的康铜丝恒张力控制系统是一个典型的非线 性 时变系统 采用传统的控制策略无法实现对康铜丝的精密控 制 很难达到理想的控制效果 为搭建高精度 快速响应的控制系 统 采用自适应模糊 P I D控制策略实现 其基本原理是通过计算当前康铜丝张力的偏差 e和偏差变 化率 e 建立适当的模糊规则表 得到针对 k 分别整定的模 糊控制表 将新的k p k k 作为传统 P I D控制器的参数 获得对 控制对象的输出控制量 使系统获得更好的控制性能t7 8 1 穿丝机恒张力模糊 P I D控制系统由变量模糊化 建立模糊 规则库 模糊推理 解模糊组成 控制系统结构 如图 2 所示 图 2张力模糊 P I D控制系统结构图 Fi g 2 Te ns i o n F u z z y PI D Co n t r o l Sy s t e m S t ru c t u r e Di a g r a m 在系统运行过程中 模糊 P I D控制器不断对偏差 e和偏差 1 7 6 机 械 设计 与 制造 No 9 S e p t 2 01 5 变化率 e 进行检测 根据设定的模糊规则和解模糊在线计算出 P I D参数的修正量 d 则 P I D参数可由式 9 式 1 1 确定 k p k p o A k 9 F J 1 0 k a k a o A k d 1 1 式中 k p o k k 使用传统 P I D参数整定方法得到的初值 各 自 加上由模糊控制器得出的修正量 J J J 得到新的 k p k k 实现 P I D参数的自适应调整 3 2语言变量模糊化 选取张力偏差 e和其变化率 e 作为模糊控制器的输入变 量 P I D参数修正量 J 作为模糊控制器的输出变量 设 输入输 出变量的模糊语言集均为 N L N M N S O P S P M P L 即 负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 将输入输出变量量化 为 一 6 一 5 4 一 3 一 2 1 0 1 2 3 4 5 6 3 3隶属度函数选择 控制特性分辨率高 灵敏度高的隶属度函数曲线较尖锐 控 制特 生稳定 性能平稳的隶属度函数曲线平缓 因此 在误差较大 的区间亦采用较平缓的隶属度函数曲线 在误差较小的区间采用 较高分辨率的隶属度函数曲线 通过大量的实验选择计算较简单的三角形隶属度函数作为 隶属度函数 E E C及 P A K I 的隶属度函数 如图 3 所示 I n p u t v a ria b l e me mbe r s h i p f u n c t i o n s l l l l l f l t t t f t f I 一6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 Ra ng e a E E C的隶属度函数 曲线 Ou t p u t v a r i ab i eme mb e r s h i pf u n c ti o n s l t 1 f j 巨 臣 匠 足 芝 囚 臣 眨 囚 臣 困 圆 一6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 6 Ra n g e b A K p 的隶属度函数曲线 图3各参数隶属度函数曲 线 Fi g 3 Th e P a r a me t e r s o f Me mb e r s h i p F u n c t i o n Cu r v e 3 I 4模糊控制规则建立 建立模糊规则表时 要考虑IE I IE C I及 K A K t 之间的 关系 根据大量的实验和专家经验可知 当吲较大时 应使 取较大值 取较小的值 取 A K 0以避免出现较大超调 当L E 1 中等时 取较小 A K t 和 取值适当 当吲较小时 A K I 取较大值 取适当值 I E C I 的取值则与 取值规律相反 根 据以上原则 建立模糊规则表 如表 1 所示 表 1模糊控制规则表 T a b 1 F u z z y Co n t r o l Ru l e T a b l e NL 班 NL NM 孙 NM NM Ns o 0 NL 0 NS NM NM NM Ns P c S V P L NM PL NM P M NS PS NS P S NS P S 0 NS 0 PS NS NL NS NS NS NS NS P M 孙 孙 E 0 蹦 N PS P M 班 P S 0 0 o P S 0 NS o o NM NM P M s s L 嚣 0 0 NS 0 NM P S NM P S NM P M NL PM NL P L P M PM 0 P M P M P S PM 3 5解模糊 采用重心法解模糊策略求取精确量输出量 根据得到的精 确输出量再乘以输出量的比例因子 得到最终的控制量即P I D参 数的修正量 J A k A k 将得到的修正量与控制参数的初值相 加作为最终的P I D控制参数 参见式 9 一 式 1 1 o 4基于 L a b V I E W 的模糊 P I D控制器仿真 为了对模糊 P I D控制策略进行验证 采用 L a b V I E W软件进 行模糊控制器的设 计并 进行 了系统仿 真 运用 L a b V I E W 强大 的数据采集功能模块加上 P I D C o n t r o l T o o l k i t 和 F u z z y L o s i c f o r G T o o l k i t 两个工具箱 简单快速的开发了参数采集 控制量输出及 显示等在内的实时 P I D参数自适应模糊控制算法 1 q 首先使用 L a b V I E W模糊系统设计工具箱进行模糊系统的 设计 设置输入输出变量 并定义隶属度函数 根据表 1 建立模糊 规则 并选择解模糊方法为重心法 并进行测试 设计好的模糊控 制器命名为扩展名为 s 的文件进行保存 其次在程序框图中 使 用控制设计与仿真工具箱建立系统仿真框图 如图4 所示 图4 L a b V I E W系统仿真框图 F i g 4 L a b VI EW S y s t e m S i mu l a t i o n Di a g r a m 图 4中 最外层循环框为控件与仿真循环 在其中的控制框 图将会以设定的仿真循环周期和总时间进行仿真 在波形图上显 示仿真结果 仿真框图的上半部分为模糊 P I D控制 下半部分为 经典 P I D控制 被控对象的输出 信号都连到一个波形图表上 以 便在统一图表上显示模糊 P I D和经典 P I D的仿真结果 并能够 方便地进行 比较 通过控制设计 与仿真工具箱的 F L F u z z y C o n t r o l l e r v i 可以将前面设计的模糊控制器 f s 文件作为模糊系统 的输入 并且通过连接输入输出变量实现模糊控制 前面板中的 波形图表显示了仿真结果 如图5所示 由图5可见 通过模糊规 NO 9 S e p t 2 0 1 5 机械 设 计 与制 造 1 7 7 则对典型 P I D调节的参数进行实时调整 该模糊控制器对原 P I D 控制的效果有了明显的改善 既保留了经典 P I D控制的稳定性和 可靠性 又减少了超调 加快了响应速度 鲁棒性强 抗干扰性能 好 取得良好的控制效果 Wa v do r r aC ha r t 5 经 典 P I D j 艟I 舌 2 一 t r I o J V J L 7 P 6 l f l I L 3 l 2 J J L1 0 Ti m e 图5模糊 P I D控制器仿真结果 Fi g 5 F u z z y P I D Co n t r o l l e r S i mu l a t i o n Re s u l t s 5系统运行 穿丝机的控制器采用 S 7 2 0 0 P L C 由于该 P L C 可以扩展模 拟量输入和输出模块 并且具有 P I D功能 因此 张力控制器可由 其实现 上位机是一台安装有 L a b V I E W 的 P C机 作为人机界 面 完成张力值的给定以及张力曲线的显示 上位机通过 P C P P I 电缆 通过 O P C与 s 7 2 0 0 进行通信 给定张力值 但由于 O P C 方式延时较严重 因此不利于绘制实际的张力曲线 使用数据采 集卡直接采集张力传感器的数据 然后利用 L a b V I E W和数据采 集卡进行通信 从而显示和记录张力变化曲线是目前较合适的一 种方式 使用数据采集卡在 L a b V I E W中显示的实际张力变化曲 线 如图6所示 图 6中显示了当一个张力阶跃信号给定时 磁粉 制动器迅速响应 并迅速建立恒张力的过程 J 一 J l ine 图6张力实测波形 F i g 6 Me a s u r e d Wa v e for m o f T e n s i o n 6结论 为保证穿丝机工作时碾轮和丝卷之间的康铜丝具有恒定张 力 分析了穿丝机的结构和张力控制原理 设计了一种基于模糊 P I D控制器的张力控制系统 由于输入参数实时变化 采用模糊 规则对 P I D参数进行实时在线 自整定 从而控制磁粉制动器激磁 电流的变化而整定磁粉制动器的输出阻力矩 使得康铜丝张力恒 定 利用 1 a b V I E W软件设计了模糊 P I D控制器并进行了实验仿 真和上机实践 仿真结果和实际运行效果表明 模糊 P I D控制策 略能够提高穿丝机张力控制系统的响应速度 降低超调 提高系 统控制精度 增强了系统的鲁棒性和动态 稳差性能 其控制性能 优于常规的 P I D控制系统 参考文献 1 诸静牍糊控制原理与应用 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 1 Z h u J i n g F u z z y C o n t r o l P ri n c i p l e a n d Ap p l i c a t i o n M B e i j i n g Me c h a n i c a l I n d u s t r y P r e s s 2 0 0 1 2 孙瑁如 刘惠康 吴远航 卷取系统的张力模糊控制优化研究 J 机械 设计与制造 2 0 1 3 1 2 1 9 2 1 9 4 S u n J u n m L i u H u i k a n g Wu Y u a n h a n g O p t i ma l d e s i g n f o r w i n d i n g t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n f u z z y c o n t r o l J Ma c h i n e r y D e s i g n Ma n u f a c t u r e 2 0 1 3 1 2 1 9 2 1 9 4 3 周颖 潘志友 王虹 连续退火卷取机张力控制系统 J 自动化技术与 应用 2 0 1 4 7 1 7 2 0 Z h o u Yi n g P a n Z h i y o u Wa n g H o n g C o n t i n u o u s a n n e a l i n g c o i l e r t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m J T e c h n i q u e s o f A u t o m a t i o n a n d A p p l i c a t i o n s 2 0 1 4 7 1 7 2 O 4 张永胜 高宏力 刘庆杰 基于模糊控制理论的同步带恒张力控制系统 J 机械设计与制造 2 0 1 2 6 1 5 1 7 Z h ang Y 0 n g s h e n g G a o H o n g l i L i u Q i n g j i e C o n s t a n t t e n s i o n c o n t r o l s y s t e mb a s e d o n f u z z y c o n t r o l t h e o ry J M a c h i n e ryD e s i gn M anuf a c t u r e 2 0 1 2 6 1 5 1 7 5 王锐 刘惠康 李佳 基于单纯形法的卷取张力模糊控制系统的设计 J 电气传动 2 0 0 9 1 1 4 5 4 7 Wang R u i L i u H u i k a n g L i J i a D e s i gn o f w i n d i n g t e n s i o n f u z z y c o n t r o l s y s t e m b as e d o n s i m p l e x m e t h o d J E l e c t ri c D r i v e 2 0 0 9 1 1 4 5 4 7 6 肖艳军 王旭 陈宏 锌空电池极片张力 P I D控制系统研究 J 机械设 计与制造 2 0 1 3 8 1 3 9 1 4 1 X i a o Ya n j u n Wang Xu C h e nHo n g T e n s i o n c o n t r o l s y s t e mo f e l e c t r o d e o f z i n c a i r b a t t e ry f u zzy P I D c o n t r o l s y s t e m r e s e a r c h J Ma c h i n e r y D e s i gn Manu f a c t u r e 2 0 1 3 8 1 3 9 1 4 1 7 张祺 侯力 蒋维旭 数控机床进给伺服系统模糊自适应 P I D仿真 J 机械设计与制造 2 0 1 1 9 1 4 9 1 5 1 Z h ang Q i H o u L i J i ang We i x u Ad a p t i v e f u zzy P I D s i m u l a t i o n for t