摘要：本文介紹28個(gè)單元A.C電機(jī)同步傳動(dòng)智能控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法。主要介紹卷繞過(guò)程數(shù)學(xué)模型" title="數(shù)學(xué)模型">數(shù)學(xué)模型。基于數(shù)學(xué)模型，完成了控制系統(tǒng)組態(tài)。在控制算法方面，應(yīng)用了參數(shù)自適應(yīng)、信號(hào)自適應(yīng)、多模態(tài)控制和專(zhuān)家控制等先進(jìn)控制策略。使用IPC和歐姆龍" title="歐姆龍">歐姆龍CJI型PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)。系統(tǒng)已投入生產(chǎn)使用，用戶(hù)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞： 28單元A.C電機(jī) 卷繞數(shù)學(xué)模型 參數(shù)/信號(hào)自適應(yīng) 多模態(tài)控制 專(zhuān)家控制 智能控制 IPC 歐姆龍PLC
Abstract:This paper introduces Intelligent control system with 28 units A.C motor of synchronous-driving, It has introduced the method of the system analysis and design. Mainly, the paper has introduced the mathematical model of the take-up process. Basing on the mathematical model, the configuration of control system has been founded. In aspect of the control algorithm, Advanced Control Strategy which are include parameter adaptive, signal adaptive, multi-mode control or expert control has been applied in the system. The control system is designed with IPC and OMRON CJ1 PLC. The system has been used in production, which the customer has benefited both economically and socially.
Key words： 28 units A.C motor Mathematical model of the take-up process Parameter/Signal adaptive Multi-mode control Expert control Intelligent control IPC OMRON-PLC
1.引 言
1.1 應(yīng)用行業(yè)
本文以印染行業(yè)中的多單元設(shè)備（連續(xù)軋染機(jī)）為例，介紹28單元交流變頻電機(jī)同步傳動(dòng)智能控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法。這種分析和設(shè)計(jì)方法也適用于塑料、造紙、膠片、橡膠、金屬薄膜等帶材和線(xiàn)材加工制造行業(yè)。
1.2 使用的產(chǎn)品
本系統(tǒng)使用了歐姆龍公司的NS8-TV01B-V2型可編程終端（觸摸屏）、歐姆龍 PA205R（電源單元）、CJ1G-CPU42P（CPU單元）、CT021（高速計(jì)數(shù)單元）、AD081-V1（模擬量輸入單元）、DA08C（模擬量輸出單元）、ID211（晶體管
輸入單元）、OC211（接點(diǎn)輸出單元）、IC101（I/O控制單元）、II101（I/O接口單元）、E6B2-CWZ5C型旋轉(zhuǎn)編碼器等產(chǎn)品。
1.3 應(yīng)用的主要工藝點(diǎn)及要解決的主要問(wèn)題
印染行業(yè)中28單元傳動(dòng)系統(tǒng)的工藝難點(diǎn)是28個(gè)獨(dú)立的傳動(dòng)單元和織物所構(gòu)成的既要解耦又要跟隨協(xié)調(diào)的工藝要求。每個(gè)單元都是由一對(duì)（或一組）導(dǎo)輥、減速機(jī)、變頻電機(jī)、變頻器、角位移傳感器、氣動(dòng)加壓擺式松緊架等組成。對(duì)于開(kāi)卷（退繞）和收卷（卷繞）單元，還要增加旋轉(zhuǎn)編碼器和張力傳感器。就數(shù)學(xué)模型而言，開(kāi)卷單元和收卷單元是非線(xiàn)性、時(shí)變環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量" title="轉(zhuǎn)動(dòng)慣量">轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j和布卷半徑r都是隨時(shí)間而變的，為了保持織物的動(dòng)態(tài)張力恒定，必須對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和卷經(jīng)進(jìn)行智能自適應(yīng)補(bǔ)償控制。
對(duì)于軋車(chē)、透風(fēng)架、預(yù)烘箱、焙烘箱、烘筒、蒸洗箱、水洗箱中的傳動(dòng)單元，由于介質(zhì)、環(huán)境和織物工藝路徑的不同，加之導(dǎo)輥直徑、減速機(jī)的減速比以及電機(jī)功率的不同，要實(shí)現(xiàn)任意車(chē)速設(shè)定下，28個(gè)單元在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的嚴(yán)格同步升、降速，且各個(gè)松緊架均應(yīng)處于零位附近，必須采取智能變參數(shù)" title="變參數(shù)">變參數(shù)解耦控制和智能變參數(shù)跟隨協(xié)調(diào)控制。以上是主要工藝點(diǎn)和要解決的主要問(wèn)題。
1.4 應(yīng)用方案簡(jiǎn)介
目前的同類(lèi)設(shè)備，采用微型PLC控制開(kāi)關(guān)量，采用單片機(jī)組成同步器，但因?yàn)橹挥幸唤M系數(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)解耦和快速跟隨協(xié)調(diào)鎮(zhèn)定控制。為了滿(mǎn)足工藝要求，解決控制上的技術(shù)難題，需要分析退繞單元工作過(guò)程、兩個(gè)相鄰單元之間織物的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和卷繞工作過(guò)程，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)。將基于模型的控制算法和智能控制算法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了智能變參數(shù)解耦控制和智能變參數(shù)跟隨協(xié)調(diào)鎮(zhèn)定系統(tǒng)。設(shè)備傳動(dòng)部分的框圖如圖1所示。應(yīng)用方案主要包括兩部分：第一是智能變參數(shù)全解耦控制，其中主要是變比值控制；第二是智能變參數(shù)跟隨協(xié)調(diào)控制，其中主要是變?cè)鲆妗⒆兎e分時(shí)間控制。
2.應(yīng)用方案詳細(xì)介紹
2.1 系統(tǒng)組成
28單元傳動(dòng)部分框圖如圖1所示，其中未畫(huà)出的部分是蒸洗箱、水洗箱、烘筒及軋車(chē)。控制系統(tǒng)由1.2中介紹的歐姆龍產(chǎn)品組成，NS8型觸摸屏用于28個(gè)單元的比值系數(shù)設(shè)定、車(chē)速設(shè)定、車(chē)速顯示、28個(gè)同步狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示、布長(zhǎng)顯示、卷繞層數(shù)顯示、設(shè)備的開(kāi)車(chē)、停車(chē)觸摸按鈕以及報(bào)警等。本系統(tǒng)的各種控制功能均由CJ1系列PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.2 數(shù)學(xué)模型
2.2.1 卷繞過(guò)程數(shù)學(xué)模型
卷繞裝置由卷繞軸、減速器28、變頻電機(jī)28、變頻器28、編碼器28、張力輥以及相關(guān)機(jī)件等組成。為了有效地對(duì)卷繞過(guò)程進(jìn)行控制，需要建立卷繞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。有關(guān)公式如下：
式中： 28——單位寬度織物的質(zhì)量密度；q28——占積率；r28——卷繞軸半徑；r28.0 ——卷繞軸空軸半徑；28——織物的比重；g——重力加速度；b28——織物的寬度；K28。1——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變換系數(shù)；M28d ——動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；M28z ——阻轉(zhuǎn)矩；μ28 ——變速比；J 28 ——折算到電動(dòng)機(jī)軸上等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J28d ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J28K ——空軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J 28b—— 卷繞軸上織物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω28——變頻電機(jī)M28 的角速度；β28 ——折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效粘性摩擦系數(shù)；δ 28——每層織物的厚度；r28.0——卷繞軸空軸半徑；N28——卷繞軸上織物卷繞的層數(shù)；T ——織物張力；v27 ——牽引線(xiàn)速度" title="線(xiàn)速度">線(xiàn)速度；v28e——等效卷取線(xiàn)速度；kf ——張力系數(shù)；K28.2——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換系數(shù)；K28.3 ——卷繞軸半徑變化轉(zhuǎn)換系數(shù)。
以上，式（1）～（13）描述了卷繞過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征，為非線(xiàn)性、時(shí)變數(shù)學(xué)模型。據(jù)此，可制定卷繞張力控制方案并進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。
2.2.2 相鄰單元之間織物的數(shù)學(xué)模型
以第26單元烘筒和第25單元軋車(chē)這兩個(gè)相鄰單元為例，烘筒和軋車(chē)分別為獨(dú)立的傳動(dòng)點(diǎn)，工藝上要求夾持在這兩個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)之間的織物張力在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中均保持恒定并等于設(shè)定張力。為此，需要建立這兩個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)之間織物的數(shù)學(xué)模型。相關(guān)的表達(dá)式如下：
式中， 25、26 是軋車(chē)25、烘筒26 處織物單位長(zhǎng)度重量；w25、w26 是軋車(chē)25、烘筒26 處分別傳送的織物重量； 25、26 是軋車(chē)25、烘筒26 處織物的線(xiàn)速度； l 是相對(duì)于原長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量； 是時(shí)間常數(shù)；T 是織物張力；帶“～”的量是標(biāo)稱(chēng)（標(biāo)幺）量。由式（14）至（21）可知，兩個(gè)相鄰單元之間織物的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)特性可用一階微分方程來(lái)描述。這一區(qū)間織物的張力取決于兩個(gè)相鄰單元的速度差或織物伸長(zhǎng)量，據(jù)此，可制定控制方案并進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。
2.2.3 卷繞張力控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)
（1）系統(tǒng)分析
由式（1）至（13）可知，由于卷繞輥的卷繞半徑和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都是變量，這就導(dǎo)致了卷繞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是時(shí)變、非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型。通常的張力閉環(huán)控制難于滿(mǎn)足即響應(yīng)塊又無(wú)超調(diào)的要求。
（2）卷繞張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
a）張力閉環(huán)控制張力閉環(huán)控制系統(tǒng)是使用張力傳感器直接檢測(cè)織物張力所
構(gòu)成的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。
b）智能卷繞控制 — 應(yīng)用技巧之一為了提高張力閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，需要解決以下三個(gè)問(wèn)題：
（3）變比例系數(shù)控制
卷繞線(xiàn)速度28 應(yīng)與單元27 的線(xiàn)速度27 成比例關(guān)系，為此，變頻器28 的速度設(shè)定信號(hào)必須與卷徑成反比變化，即變比例系數(shù)控制。
（4）卷徑補(bǔ)償控制
根據(jù)卷繞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，卷繞半徑r28的變化是對(duì)織物張力T的內(nèi)部擾動(dòng)，為此，采用卷徑補(bǔ)償控制，消除卷徑變化對(duì)張力的影響。
（5）變?cè)鲆妗⒆兎e分時(shí)間常數(shù)控制
為了改善系統(tǒng)的性能，需要根據(jù)誤差的大小自動(dòng)改變?cè)鲆嬷岛头e分時(shí)間常數(shù)，達(dá)到響應(yīng)快、抑制超調(diào)和無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差的目的。為了解決上述三個(gè)問(wèn)題，本系統(tǒng)采用了參數(shù)自適應(yīng)、信號(hào)自適應(yīng)、多模態(tài)控制和專(zhuān)家控制等先進(jìn)控制策略。本系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)、控制規(guī)則集和推理機(jī)構(gòu)均由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。
（6）靈活使用歐姆龍PLC指令 — 應(yīng)用技巧之二
具體實(shí)例是使用BCMP（068）塊比較指令，將誤差劃分為32級(jí)，即32個(gè)范圍，使用2個(gè)BCMP（068）指令，當(dāng)誤差落在某個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，相應(yīng)的位變?yōu)镺N，自動(dòng)調(diào)出相應(yīng)的增益值和積分時(shí)間常數(shù)，共有32級(jí)增益和32級(jí)積分時(shí)間常數(shù)可供自動(dòng)調(diào)用，即規(guī)則集包括32條規(guī)則，根據(jù)誤差大小自動(dòng)改變控制器的參數(shù)。智能控制的應(yīng)用，有效地減輕了張力閉環(huán)控制的負(fù)擔(dān)，明顯地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。
2.2.4 同步控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)
（1）系統(tǒng)分析
相鄰兩個(gè)單元之間織物的數(shù)學(xué)模型如式（14）至（21）所示。為了保持織物張力恒定，就要保持兩相鄰單元的線(xiàn)速度差為定值或織物伸長(zhǎng)量為定值。為此，需要構(gòu)成高精度速度跟隨控制系統(tǒng)或位置控制系統(tǒng)。當(dāng)采用三輥擺式松緊架作為同步檢測(cè)裝置時(shí)，松緊架的簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)為：
由以上數(shù)學(xué)模型可知，通常的閉環(huán)控制難于滿(mǎn)足快速跟隨和多單元同步的要求。
（2） 同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
a） 采用松緊架的同步控制利用松緊架構(gòu)成線(xiàn)速度跟隨系統(tǒng)，可分別設(shè)定線(xiàn)速度和松緊架位置。
b） 智能解耦控制 — 應(yīng)用技巧之三以均勻軋車(chē)1為主令單元，采用變比值控制，共有32級(jí)比值系數(shù)，知識(shí)庫(kù)有32×28個(gè)比值系統(tǒng)，保證了在任意車(chē)速設(shè)定下，動(dòng)態(tài)升速和降速過(guò)程中各個(gè)單元嚴(yán)格同步，表現(xiàn)為所有的松緊架擺輥均處于設(shè)定位置（零點(diǎn)附近）。
2.3 應(yīng)用方案取得的效果
本設(shè)備已在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行15個(gè)月，28個(gè)單元的同步狀態(tài)良好，即在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，各個(gè)松緊架均處于零位附近，其數(shù)值均在?1ā范圍內(nèi)，消除了織物張力波動(dòng)所造成的起折和染疵，用戶(hù)取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2.4 應(yīng)用方案的示范性
本文的分析和設(shè)計(jì)方法也適用于塑料、造紙、膠片、橡膠、金屬薄膜等帶材和線(xiàn)材加工制造行業(yè)。
2.5 對(duì)歐姆龍公司的建議
歐姆龍公司與本校建有聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，多年來(lái)，在各項(xiàng)工作中得到歐姆龍公司的大力支持和幫助，在此深表謝意！希望今后進(jìn)一步加強(qiáng)合作，特別是歐姆龍產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例的介紹和推廣工作。
參考文獻(xiàn)
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