基于模糊PID的凹印機(jī)套準(zhǔn)同步控制研究

1、基于模糊PID的凹印機(jī)套準(zhǔn)同步控制研究萬鵬飛，王莉（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙，410075）摘要：無軸傳動技術(shù)在凹版印刷上得到的廣泛的應(yīng)用。本文以凹印機(jī)套準(zhǔn)系統(tǒng)的多電機(jī)同步問題為研究對象，采用基于補(bǔ)償原理的模糊PID的同步控制算法，并搭建了以西門子S7-300 PLC為控制器的主從式同步控制系統(tǒng)，來進(jìn)行多電機(jī)同步控制的研究。仿真表明，這種方案魯棒性、快速性優(yōu)良、動態(tài)過程同步誤差小，能夠較好地滿足被控對象對高精度同步控制的要求。關(guān)鍵字：無軸傳動;模糊PID;同步控制;伺服電機(jī);中圖分類號：TP271+.4The Research of Gravure printers registr

2、ation synchronization Control Based On Fuzzy-PIDWAN Peng-fei ，WANG Li（School of Information Science and Engineering，Central SouthUniversity,Changsha, 410075）Abstract: The shaftless drive technology has been widely applied on gravure printing. In this paper ,the gravure printer registration systems m

3、ulti-motor synchronization problem is regarded as the research object.For the purpose of research of multi-motor synchronization control ,the algorithm of Fuzzy-PID synchronization based on compensation principle is adopted and the Master-slave synchronization system based on SIMENS S7-300 PLC was d

4、esigned. The simulation results indicate that the proposed method has stong noise immunity and robustness and the rapidity is good and dynamical synchronous error is low .So this control method can satisfy the demands of the controlled subject for the high precision applicatios.Keyword:shaftless dri

5、ve ;Fuzzy-PID ;Synchronization control ;Servo motor;1 引言由于近代電力電子技術(shù)、微電子、控制理論、計算機(jī)技術(shù)以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，均為交流傳動控制提供了廣闊的前景，為設(shè)計出高精度、快速響應(yīng)的交流傳動系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，同時也使多電機(jī)同步控制研究成為可能。傳統(tǒng)的多電機(jī)同步控制策略有等狀態(tài)方式、主從方式等1。無軸傳動技術(shù)是多電機(jī)同步控制的一種應(yīng)用。它是指印刷機(jī)中每個機(jī)組，甚至是每個滾筒或輥子的動力都是相互獨立的，分別采用單獨的伺服電機(jī)，按照運(yùn)動控制器發(fā)出的程序指令進(jìn)行驅(qū)動，從而保證各機(jī)組間同步運(yùn)轉(zhuǎn)的傳動方式2。其設(shè)備主要由三部分組成：放卷部分、印刷

6、部分、和收卷部分，其中印刷部分包括若干個色組。如圖1所示。圖 1 凹印機(jī)生產(chǎn)線示意圖2 自動套準(zhǔn)系統(tǒng)的多電機(jī)同步問題對于高速的凹版印刷，大多數(shù)凹印機(jī)都采用自動套準(zhǔn)控制系統(tǒng)，套準(zhǔn)系統(tǒng)是凹印機(jī)的重要組成部分，其主要功能是對于印刷各色組的套印情況進(jìn)行實時跟蹤、檢測和調(diào)節(jié)，套準(zhǔn)控制裝置主要由光電掃描器、橫向套準(zhǔn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和縱向套準(zhǔn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，對套印誤差的跟蹤、檢測由光電掃描來完成3。印刷過程中，承印物張力變化范圍小，套印精度就容易控制。反之，如果張力變化頻繁，則會嚴(yán)重影響套準(zhǔn)精度。所以，在設(shè)定合理張力后，還要保持最小范圍的張力波動，即保持張力穩(wěn)定，各電機(jī)間的位置和速度同步問題是影響張力一個重要因素。

7、因此在不考慮其它因素的前提下，研究自動套準(zhǔn)系統(tǒng)關(guān)鍵就在于多電機(jī)的同步控制。目前，使用工業(yè)現(xiàn)場總線是解決多電機(jī)同步的最佳方案。常用的現(xiàn)場總線有SERCOS、PROFIBUS等4。在文中采用的西門子S7-300PLC具有強(qiáng)大的功能，可以完成各種先進(jìn)的算法，通過算法實現(xiàn)對多電機(jī)的同步控制，不采用現(xiàn)場總線。3 同步設(shè)計方案對于套準(zhǔn)控制系統(tǒng)來說，主要要解決解決的問題是整個連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下情況下，保證每個印刷套色單元在任何相同的時刻都是位置同步的，要實現(xiàn)這一功能對于無軸套色系統(tǒng)來說，就是通過“電子軸”完成各獨立印刷單元的同步傳動，同時還要分別控制各色偏差修正，進(jìn)行位置微調(diào)5。本文所設(shè)計的自動套準(zhǔn)系統(tǒng)為主從式結(jié)構(gòu)

8、,采用直接速度差補(bǔ)償?shù)耐椒椒?，文中僅以兩軸為例。如圖2所示，就是將主軸與從軸的反饋速度之差，經(jīng)過補(bǔ)償器計算出補(bǔ)償量加到主從軸的速度給定上。因為主從軸的速度之差可以反映主從軸速度的差異，將此量經(jīng)過補(bǔ)償器以后分別加到主從軸的速度給定上，從而實現(xiàn)主從軸速度的準(zhǔn)確同步。系統(tǒng)設(shè)計如下：采用西門子S7-300作為主控單元,通過RS485總線通訊跟兩臺西門子440變頻器相連接。這兩臺變頻器分別控制一臺主電機(jī)和一臺從電機(jī)，兩臺電機(jī)都帶有編碼器反饋轉(zhuǎn)速，編碼器反饋轉(zhuǎn)速給變頻器的同時也反饋給PLC,PLC根據(jù)反饋的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的處理。以兩臺電機(jī)為例,主電機(jī)根據(jù)指令啟動通過安裝在電機(jī)上的測速裝置反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速,此轉(zhuǎn)

9、速反饋給PLC和驅(qū)動器1,在驅(qū)動器中進(jìn)行主電機(jī)的PID運(yùn)算,對主電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。同時,從電機(jī)根據(jù)此轉(zhuǎn)速啟動,并反饋給轉(zhuǎn)速給驅(qū)動器2和PLC,驅(qū)動器2進(jìn)行從電機(jī)的PID運(yùn)算控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。但是隨著工藝精度的要求,驅(qū)動器2中簡單的PID運(yùn)算顯然達(dá)不到控制的精確性。為達(dá)到從電動機(jī)高速響應(yīng)主電機(jī)的速度變化及迅速排除從電機(jī)中的擾動,在PLC中設(shè)計一個補(bǔ)償器進(jìn)行運(yùn)算從而得到相應(yīng)的補(bǔ)償信號。首先在PLC中設(shè)計一個轉(zhuǎn)速比較器將主從電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速再進(jìn)行比較后得出轉(zhuǎn)速差。然后再設(shè)計一個模糊PID控制器,在其中進(jìn)行運(yùn)算后得出一個補(bǔ)償值,從而實現(xiàn)整個多電動機(jī)同步運(yùn)行控制。圖 2主從式同步控制原理圖4 模糊PID

10、控制算法文中應(yīng)用模糊推理的方法實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自調(diào)整，使系統(tǒng)動態(tài)過程各階段的PID參數(shù)處于最佳狀態(tài)，以獲得滿意的控制效果。參數(shù)自調(diào)整模糊控制的思想是找到PID控制器的三個參數(shù)與之間的模糊關(guān)系。在運(yùn)行中通過不斷檢測模糊輸入量和，再根據(jù)模糊控制規(guī)則對三個輸出參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同和對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動靜態(tài)性能6。按照這種思想構(gòu)成的控制系統(tǒng)由兩部分組成，即常規(guī)PID部分和模糊推理的參數(shù)校正部分如圖3所示。圖3 參數(shù)自調(diào)整模糊控制器框圖在偏差論域和偏差變化論域上分別定義7個模糊子集NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB，且輸出量的模糊子集也為NB,NM,NS,Z

11、O,PS,PM,PB。同時隸屬度函數(shù)均采用對稱三角函數(shù)，通過總結(jié)以往工程實際操作經(jīng)驗，針對不同的速度誤差和速度誤差變化率總結(jié)出的整定原則。根據(jù)三個參數(shù)的調(diào)整原則，并結(jié)合可得到的調(diào)節(jié)規(guī)則表。模糊推理與解模糊選用Mamdani法7。對于控制規(guī)則 IF AND THEN is （i=1,2,49）其模糊蘊(yùn)含采用最小值法()= （）（）（）; 模糊合成采用最大法，即最終結(jié)論是由綜合,得到的，推理法則為()= () () (); 在一次采樣時刻，的值可由模糊輸出的重心確定。= 式中 (j=1,2,49)是的隸屬度。同理可以得到輸出量，。 其中, , 是模糊推理的結(jié)果，即參數(shù)的校正量。而為參數(shù)設(shè)置初值。5

12、 實驗仿真本文在空載情況下，采用兩臺參數(shù)相同的永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真，具體參數(shù)如下：磁鏈=0.175wb,=805Mh,=8.5Mh, p=4,轉(zhuǎn)動慣量為J=0.001;額定電磁轉(zhuǎn)矩Tm=30Nm;圖4為采用常規(guī)PID同步控制算法下系統(tǒng)響應(yīng)曲線，圖5為采用模糊PID同步控制算法下系統(tǒng)響應(yīng)曲線。比較兩種仿真結(jié)果可以看到，采用模糊PID方法時，系統(tǒng)的同步性能、抗干擾能力優(yōu)于采用常規(guī)PID的性能。 圖4 采用傳統(tǒng)PID控制算法系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線圖5 采用模糊PID控制算法系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線6結(jié)論本文以凹印機(jī)自動套準(zhǔn)系統(tǒng)的多電機(jī)同步問題為研究對象，并搭建了主從式同步控制系統(tǒng)，采用基于模糊PID的同步控制算法

13、來對多電機(jī)同步系統(tǒng)進(jìn)行研究。由實驗仿真表明，與常規(guī)PID同步控制算法相比，采用模糊PID同步控制算法的系統(tǒng)同步性能更好，速度響應(yīng)能力和魯棒性能也都得到了顯著的提高，能夠較好地滿足被控對象高精度的要求。參考文獻(xiàn)1張海燕,王偉.無軸傳動控制策略及仿真分析.自動化技術(shù)與應(yīng)用J,2007,5(2)：3738.2呂礪.獨立驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展及其在凹版印刷上的應(yīng)用前景.印刷雜志J，2002,47(5):67-70.3彭建華.淺談影響凹印套色的常見因素及注意事項.今日印刷J，2004,26（9）:4546.4唐蘇亞.無軸傳動技術(shù)在凹版印刷機(jī)中的應(yīng)用.微電機(jī)J，2006,5（39）：6972.5陳德傳，盧玲.組合式凹版印刷機(jī)彩色套準(zhǔn)控制系統(tǒng).控制系統(tǒng)J，1999，6（3）:4245.6劉鐵湘，陳林康.模糊控制在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用及其仿真.電機(jī)電器技術(shù)J，2003，2（9）：3840.7崔巍，張文休.一種基于PLC的模糊控制方法.機(jī)電一體化J，2001，3（6）：2224.作者簡介：萬鵬飛，男，（1983-）