基于模糊PID的凹印機套準同步控制研究

1、基于模糊PID的凹印機套準同步控制研究萬鵬飛，王莉（中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙，410075）摘要：無軸傳動技術在凹版印刷上得到的廣泛的應用。本文以凹印機套準系統(tǒng)的多電機同步問題為研究對象，采用基于補償原理的模糊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)，來進行多電機同步控制的研究。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。關鍵字：無軸傳動;模糊PID;同步控制;伺服電機;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、微電子、控制理論、計算機技術以及傳感器技術的發(fā)展，均為交流傳動控制提供了廣闊的前景，為設計出高精度、快速響應的交流傳動系統(tǒng)奠定了基礎，同時也使多電機同步控制研究成為可能。傳統(tǒng)的多電機同步控制策略有等狀態(tài)方式、主從方式等1。無軸傳動技術是多電機同步控制的一種應用。它是指印刷機中每個機組，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，按照運動控制器發(fā)出的程序指令進行驅動，從而保證各機組間同步運轉的傳動方式2。其設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 凹印機生產(chǎn)線示意圖2 自動套準系統(tǒng)的多電機同步問題對于高速的凹版印刷，大多數(shù)凹印機都采用自動套準控制系統(tǒng)，套準系統(tǒng)是凹印機的重要組成部分，其主要功能是對于印刷各色組的套印情況進行實時跟蹤、檢測和調(diào)節(jié)，套準控制裝置主要由光電掃描器、橫向套準調(diào)節(jié)機構和縱向套準調(diào)節(jié)機構等組成，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，則會嚴重影響套準精度。所以，在設定合理張力后，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，研究自動套準系統(tǒng)關鍵就在于多電機的同步控制。目前，使用工業(yè)現(xiàn)場總線是解決多電機同步的最佳方案。常用的現(xiàn)場總線有SERCOS、PROFIBUS等4。在文中采用的西門子S7-300PLC具有強大的功能，可以完成各種先進的算法，通過算法實現(xiàn)對多電機的同步控制，不采用現(xiàn)場總線。3 同步設計方案對于套準控制系統(tǒng)來說，主要要解決解決的問題是整個連續(xù)運轉下情況下，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，進行位置微調(diào)5。本文所設計的自動套準系統(tǒng)為主從式結構

8、,采用直接速度差補償?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)過補償器計算出補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)主從軸速度的準確同步。系統(tǒng)設計如下：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和一臺從電機，兩臺電機都帶有編碼器反饋轉速，編碼器反饋轉速給變頻器的同時也反饋給PLC,PLC根據(jù)反饋的轉速做相應的處理。以兩臺電機為例,主電機根據(jù)指令啟動通過安裝在電機上的測速裝置反饋電機的轉速,此轉

9、速反饋給PLC和驅動器1,在驅動器中進行主電機的PID運算,對主電機進行閉環(huán)控制。同時,從電機根據(jù)此轉速啟動,并反饋給轉速給驅動器2和PLC,驅動器2進行從電機的PID運算控制電機的運轉速度。但是隨著工藝精度的要求,驅動器2中簡單的PID運算顯然達不到控制的精確性。為達到從電動機高速響應主電機的速度變化及迅速排除從電機中的擾動,在PLC中設計一個補償器進行運算從而得到相應的補償信號。首先在PLC中設計一個轉速比較器將主從電機反饋的轉速再進行比較后得出轉速差。然后再設計一個模糊PID控制器,在其中進行運算后得出一個補償值,從而實現(xiàn)整個多電動機同步運行控制。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)與之間的模糊關系。在運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出的整定原則。根據(jù)三個參數(shù)的調(diào)整原則，并結合可得到的調(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）其模糊蘊含采用最小值法()= （）（）（）; 模糊合成采用最大法，即最終結論是由綜合,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, , 是模糊推理的結果，即參數(shù)的校正量。而為參數(shù)設置初值。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進行仿真，具體參數(shù)如下：磁鏈=0.175wb,=805Mh,=8.5Mh, p=4,轉動慣量為J=0.001;額定電磁轉矩Tm=30Nm;圖4為采用常規(guī)PID同步控制算法下系統(tǒng)響應曲線，圖5為采用模糊PID同步控制算法下系統(tǒng)響應曲線。比較兩種仿真結果可以看到，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)輸出響應曲線圖5 采用模糊PID控制算法系統(tǒng)輸出響應曲線6結論本文以凹印機自動套準系統(tǒng)的多電機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、來對多電機同步系統(tǒng)進行研究。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1張海燕,王偉.無軸傳動控制策略及仿真分析.自動化技術與應用J,2007,5(2)：3738.2呂礪.獨立驅動技術的發(fā)展及其在凹版印刷上的應用前景.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.無軸傳動技術在凹版印刷機中的應用.微電機J，2006,5（39）：6972.5陳德傳，盧玲.組合式凹版印刷機彩色套準控制系統(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)中的應用及其仿真.電機電器技術J，2003，2（9）：3840.7崔巍，張文休.一種基于PLC的模糊控制方法.機電一體化J，2001，3（6）：2224.作者簡介：萬鵬飛，男，（1983-）