CN101655704A - 电脑横机摇床运行的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电脑横机技术领域，特别是涉及一种电脑横机中摇床运行的控制方法。包括以下步骤：采集伺服电机实时运行的信息；将获得的伺服电机运行信息输入信息处理器进行运算处理；用自适应模糊PID控制算法计算步骤(2)中的偏差值，获得当前的修正数据，并将修正数据输入程序控制器；利用模糊自整定规则运算出当前的Kp、Ki、Kd值，通过增量式的PID运算，并进行离散化处理；程序控制器按控制程序向伺服电机输出控制信号，实现自动修正运行误差，控制摇床的精准运行；避免翻接针偏差，使电脑横机始终工作在最优状态，解决了电脑横机运行过程中摇床精度不稳定的问题。

Description

电脑横机摇床运行的控制方法

技术领域

本发明属于电脑横机技术领域，特别是涉及一种电脑横机中摇床运行的控制方法。

背景技术

在现有技术中，电脑横机编织过程需要由选针器、压板、纱嘴、机头、压针电动机、卷布电动机及摇床机构协调工作才能完成。在电脑横机中，摇床马达与滚珠丝杆用同步齿形带联结，针床横移一般采用伺服或步进电机——滚珠丝杆螺母副传动来实现，由控制系统根据位移情况发出电脉冲信号，经电机后端的光电编码器进行信号反馈，通过同步带轮及丝杆螺母副传动，从而拉动针床进行左右移动。

摇床控制精度在很大程度决定了一台电脑横机的性能和品质，摇床的精度性能主要取决于伺服电机的位置控制精度(定位精度)、位置跟踪精度(位置跟踪误差)和跟踪速度(动态跟随性能)上，为使系统输出以一定精度跟随指令变化，伺服驱动电机运行速度常常处于不停变化的状态，与一般电机调速系统相比，其对转矩、速度的动静态控制特性要求要严格得多。摇床精度不够会导致翻接针偏差，从而使得电脑横机不能完成花样或在针织衣物上留下瑕疵。国内外同行普遍采用开环控制摇床，此办法简单易行，但却失于精准。此外，由于磨损、老化等原因，其机械特性也会发生变化，这种复杂多变的特性，很难用数学模型加以描述，它是人们控制摇床精度迫切需要解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计合理、运行稳定、能及时调整伺服电机工作状态、保障电脑横机以最佳状态运行的控制电脑横机摇床运行精度的方法。

本发明的目的是采用这样的技术解决方案实现的：所述电脑横机摇床运行的控制方法包括以下步骤：

(1)采集伺服电机实时运行的信息；

(2)将获得的伺服电机运行信息输入信息处理器进行运算处理；

(3)用自适应模糊PID控制算法计算步骤(2)中的偏差值，获得当前的修正数据，并将修正数据输入程序控制器；

(4)利用模糊自整定规则运算出当前的Kp、Ki、Kd值，通过增量式的PID运算，并进行离散化处理；

(5)程序控制器按控制程序向伺服电机输出控制信号，实现自动修正运行误差，控制摇床的精准运行。

本发明采用光电编码器对摇床的实际位移量进行监测，将摇床运动的位移量实际值送入到DSP与给定值进行比较后产生位置偏差e和偏差的变化率ec，再经论域变换后转换为模糊变量K和ΔK，通过查询模糊控制表即可得到输出控制模糊变量，最后根据相应的量化因子即可求出确切的输出控制值方法，实现摇床精度的准确控制，避免翻接针偏差，使电脑横机始终工作在最优状态，解决了电脑横机运行过程中摇床精度不稳定的问题。

附图说明

图1为本发明的控制方法流程图

图2为本发明的伺服电机的控制原理示意图

图3为本发明的自适应控制原理图

图4为本发明参数模糊PID控制系统结构图

图5为本发明的模糊PID控制程序流程图

具体实施方式

参照图1：本发明所述电脑横机摇床运行的控制方法包括以下步骤：

(1)采集伺服电机实时运行的信息；采用光电编码器对摇床的实际位移量进行监测；

(2)将获得的伺服电机运行信息输入信息处理器进行运算处理；将摇床运动的位移量实际值送入到DSP与给定值进行比较后产生位置偏差e和偏差的变化率ec；

(3)用自适应控制方法的模糊PID控制算法计算步骤(2)中的偏差值，获得当前的修正数据，并将修正数据输入程序控制器；采用模糊推理的方法实现参数Kp、Ki、Kd的在线自整定，即，PID参数的模糊自整定是找出PID三个参数Kp、Ki、Kd与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断的监测e和ec，根据模糊控制原理对三个参数进行在线的整定，以满足不同e和误差变化率de(t)/dt对控制器参数的不同要求，而使摇床控制达到期望要求；

(4)利用模糊自整定规则运算出当前的Kp、Ki、Kd值，通过增量式的PID运算，并进行离散化处理；实现数字PID技术的DSP控制，实现对位置和速度的校正；

(5)程序控制器按控制程序向伺服电机输出控制信号，实现自动修正运行误差，控制摇床的精准运行。

在图2中，在发明所述摇床伺服电机控制方法中，将驱动器设为速度控制模式，在驱动器内实现内环的控制，位置环的控制则在DSP控制器上通过智能算法实现；伺服电机驱动器接收控制系统发出的位置指令信号(脉冲/方向)，送入脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号(由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生)比较后形成偏差信号；位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号；速度指令信号与速度反馈信号相比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由SPWM输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行，最终驱动摇床执行机构运动；控制方法在速度和位置控制环采用了人工智能算法、自适应算法等现代控制方法进行系统参数辨识和自动整定解决这一问题并进一步提高了系统动态特性以及对扰动的鲁棒性，在此基础上实现的伺服系统能在大的调速范围和负载波动范围内平稳运行。

在图3中，本发明所述的自适应控制方法是通过读取反馈脉冲，并与输出脉冲相比较，运用人工智能在系统内部得出学习曲线(Learning Curve)，从而自动修正横机的机械误差，保证了摇床的精准；其中，专家知识库是参数自适应控制的基础，在知识库中，包括对被控对象的先验知识，系统要求的性能指标，控制参数的可调范围及校正规则，经验公式及数据；运算推理环节的任务是根据专家知识库和信息处理后的信息，决定选择控制规则；专家知识库是以控制理论和电机拖动知识为基础，依托大量实验以及积累的一定实践经验，通过整理分析实验结论，从而得出较为全面的专家知识集；在知识库的基础上，根据指令给定，输出反馈，性能要求，系统内部状态等信息，在允许参数范围内，选择最优或较优的控制规则。

在最终的控制规则上，采用参数自适应模糊PID算法调节规则；针对摇床伺服位置系统被控对象，采用模糊自适应PID控制器的比例系数进行在线调节，以减小摇床伺服位置系统中参数摄动等引起的超调和振荡；同时为简化控制器，采用变积分系数的方法来消除负载扰动以及机械变形等外部不确定因素给系统带来的稳态误差，使系统具有较快的动态响应，整个系统具有很好的鲁棒性。

在图4中，本发明所述的参数模糊PID控制是指PID参数自适应模糊控制在常规控制器基础上以误差e和误差变化率ec作为输入，采用模糊推理的方法实现参数Kp、Ki、Kd的在线自整定，以满足不同e和误差变化率de(t)/dt对控制器参数的不同要求，而使摇床控制达到期望要求；模糊控制结构参数自整定PID控制器的系统结构主要由参数可调PID和模糊控制系统两部分组成，根据系统在受控过程中对应不同的e和de(t)/dt大小，对PID参数进行自整定，系统实现模糊控制；PID三个参数的模糊规则库建立好以后，就可以根据模糊控制理论进行参数的自调整；模糊推理系统是基于专家知识或控制工程师长期积累的技术知识和实际操作经验，从伺服系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面总结出的推理规则；PID参数的模糊自整定是找出PID三个参数Kp、Ki、Kd与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断的监测e和ec，根据模糊控制原理对三个参数进行在线的整定。

把积分调节器引入控制器中，这无疑可以改善系统的稳态性能，但积分因子的引入，会使系统动态响应变慢，破坏典型PD控制系统所具有的响应快的特性，因此，考虑到积分系数Ki可变性，通过以下参数的整定规则，使系统的响应开始是PD控制，快进入稳态响应的时积分因子起作用，这样本系统在保证系统快速性和稳态精度的同时，大大降低了控制器的复杂性。

PID参数的整定原则归纳如下：

1)当e较大时，取较大的Kp与较小的Kd，使系统具有较好的跟踪性能，同时为避免出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取Ki＝0；

2)当e处于中等大小时，为使系统响应超调较小，Kp应取小些。该情况下，Kd的取值对系统响应影响较大，Ki的取值要适当；

3)当e较小时，为使系统具有较好的稳定性，Kp与Ki均应取大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，Kd值的选择根据de(t)/dt值较大时，Kd取较小值，通常Kd为中等大小；

根据以上原则，由模糊推理可分别得出修正参数ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊量；通过模糊推理得到的结果是模糊量，将模糊量转换成清晰量；本发明采用重心法求取整个模糊量信息精确值的公式如下：

ΔK3＝∑[ΔK(ΔKn)×ΔKn]/∑ΔK(ΔKn)

式中，ΔK3为清晰化后的精确值，ΔKn为模糊值，ΔK(ΔKn)为模糊值的隶度。

摇床伺服控制系统中，通过光电编码器对摇床的实际位移量进行监测，将摇床运动的位移量实际值送入到DSP与给定值进行比较后产生位置偏差e和偏差的变化率ec，再经论域变换后转换为模糊变量K和ΔK，通过查询模糊控制表即可得到输出控制模糊变量，最后根据相应的量化因子即可求出确切的输出控制值。在这里采用的是最大隶属度法来进行解模糊判决，实时性好，在平衡点附近时，采用PID控制来提高系统的控制精度。

在图5中，本发明所述的模糊PID控制主要是通过采样当前值计算摇床运动的偏差值，通过模糊自整定规则运算出当前的Kp、Ki、Kd值，最后通过PID运算，实现对位置和速度的校正，输出控制量，最终达到精准地控制摇床的运动。为实现数字PID技术的DSP控制，需对上述PID算法进行离散化处理。位置式PID控制算法的控制精度较高，但考虑到位置式PID控制算法每一次输出都是全量输出，一旦出现故障可能会导致控制器的输出信号有较大幅度的输出变化，可能对驱动系统造成损害，为此，采用下列增量式的PID算法：

ΔM(k)＝M(k)-M(k-1)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)

                     +Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中：M(k)-控制器输出信号；e(k)-控制器输入信号；Kp-控制器比例增益；Ki-控制器积分增益；Kd-控制器微分增益。

基于伺服电机控制的摇床控制系统采用了模糊自适应PID控制方法，由于实现了在线整定PID参数，有效地提高了伺服系统的控制性能，提高了对干扰和参数变化的适应性，既保证了摇床系统运动控制的精度和稳定性，又缩短了动态调整时间，取得了较好的控制效果。

Claims (8)

1、电脑横机摇床运行的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)采集伺服电机实时运行的信息；

(2)将获得的伺服电机运行信息输入信息处理器进行运算处理；

(3)用自适应模糊PID控制算法计算步骤(2)中的偏差值，获得当前的修正数据，并将修正数据输入程序控制器；

(4)利用模糊自整定规则运算出当前的Kp、Ki、Kd值，通过增量式的PID运算，并进行离散化处理；

(5)程序控制器按控制程序向伺服电机输出控制信号，实现自动修正运行误差，控制摇床的精准运行。

2、根据权利要求1所述的电脑横机摇床运行的控制方法，其特征在于所述采集伺服电机实时运行的信息，是指采用光电编码器对摇床的实际位移量进行监测。

3、根据权利要求1所述的电脑横机摇床运行的控制方法，其特征在于所述将获得的伺服电机运行信息输入信息处理器进行运算处理是将摇床运动的位移量实际值送入到DSP与给定值进行比较后产生位置偏差e和偏差的变化率ec。

4、根据权利要求1所述的电脑横机摇床运行的控制方法，其特征在于所述用自适应控制方法的模糊PID控制算法计算步骤(2)中的偏差值，获得当前的修正数据，并将修正数据输入程序控制器；是指采用模糊推理的方法实现参数Kp、Ki、Kd的在线自整定，即，PID参数的模糊自整定是找出PID三个参数Kp、Ki、Kd与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断的监测e和ec，根据模糊控制原理对三个参数进行在线的整定，以满足不同e和误差变化率de(t)/dt对控制器参数的不同要求，而使摇床控制达到期望要求。

5、根据权利要求1所述的电脑横机摇床运行的控制方法，其特征在于所述利用模糊自整定规则运算出当前的Kp、Ki、Kd值，通过增量式的PID运算，并进行离散化处理；能够实现数字PID技术的DSP控制，实现对位置和速度的校正。

6、根据权利要求4所述的电脑横机摇床运行的控制方法，其特征在于所述自适应控制方法的模糊PID控制算法主要由参数可调PID和模糊控制系统两部分组成，根据系统在受控过程中对应不同的e和de(t)/dt大小，对PID参数进行自整定，系统实现模糊控制；PID三个参数的模糊规则库建立好以后，就可以根据模糊控制理论进行参数的自调整；模糊推理系统是基于专家知识或控制工程师长期积累的技术知识和实际操作经验，从伺服系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面总结出的推理规则；PID参数的模糊自整定是找出PID三个参数Kp、Ki、Kd与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断的监测e和ec，根据模糊控制原理对三个参数进行在线的整定。

7、根据权利要求5所述的电脑横机摇床运行的控制方法，其特征在于所述PID参数自整定的原则如下：

1)当e较大时，取较大的Kp与较小的Kd，使系统具有较好的跟踪性能，同时为避免出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取Ki＝0；

2)当e处于中等大小时，为使系统响应超调较小，Kp应取小些。该情况下，Kd的取值对系统响应影响较大，Ki的取值要适当；

3)当e较小时，为使系统具有较好的稳定性，Kp与Ki均应取大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，Kd值的选择根据de(t)/dt值较大时，Kd取较小值，通常Kd为中等大小；

根据以上原则，由模糊推理可分别得出修正参数ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊量；通过模糊推理得到的结果是模糊量，将模糊量转换成清晰量；本发明采用重心法求取整个模糊量信息精确值的公式如下：

ΔK3＝∑[ΔK(ΔKn)×ΔKn]/∑ΔK(ΔKn)

式中，ΔK3为清晰化后的精确值，ΔKn为模糊值，ΔK(ΔKn)为模糊值的隶度。

8、根据权利要求5所述的电脑横机摇床运行的控制方法，其特征在于所述模糊PID控制系统主要是通过采样当前值计算摇床运动的偏差值，通过模糊自整定规则运算出当前的Kp、Ki、Kd值，最后通过PID运算，实现对位置和速度的校正，输出控制量，最终达到精准地控制摇床的运动；为实现数字PID技术的DSP控制，需对上述PID算法进行离散化处理；采用增量式的PID算法如下：

ΔM(k)＝M(k)-M(k-1)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)

+Kd[e(k)-2e(k～1)+e(k-2)]

式中：M(k)-控制器输出信号；e(k)-控制器输入信号；Kp-控制器比例增益；Ki-控制器积分增益；Kd-控制器微分增益。

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