CN101718969A - 无卡旋切机进刀速度伺服控制器 - Google Patents

Abstract

本发明“无卡旋切机进刀速度伺服控制器”涉及一种速度伺服控制系统，该系统应用于无卡旋切机旋切时的进刀速度控制。本发明的无卡旋切机进刀速度伺服控制器包含无卡旋切机旋切模型计算器，自适应模糊控制器，和电机矢量控制单元。通过分析无卡旋切机的旋切过程给出速度控制期望，然后通过控制器实现该速度期望的伺服控制。本发明的特点是控制算法先进实用。通过偏差，偏差变化率等闭环反馈输入实现对无卡旋切机旋切过程的精确控制。由于本发明中采用了自适应模糊控制算法克服了木材旋切时的非线性，无动力学模型等困难。

Description

无卡旋切机进刀速度伺服控制器

技术领域

本发明涉及一种交流异步电动机的速度伺服控制系统(进刀速度伺服控制)，本发明涉及一种木工机床-无卡旋切机，本伺服控制器应用在无卡旋切机的进刀速度的伺服控制上。

背景技术

无卡旋切机以其最小剩余木芯直径小，木材出皮率高等优点在木工领域越来越受到胶合板厂的欢迎，近年来由于交流调速技术的迅速发展，以及无卡旋切机机械结构的不断改进，无卡旋切机切削出的单板的均匀度已经能与有卡旋切机相媲美。本发明涉及的控制器应用于无卡旋切机的进刀速度控制。其本质是一个速度随动系统，通过DSP芯片计算应有的进给速度，做为控制量输入，然后用智能的控制策略，来满足进刀速度要求。由于木头的切削过程变化非常快，所以每一时刻对进刀速度的要求都不一样，整体趋势是木芯越细，进给速度越快。

目前市场上的控制器多种多样，所采用的硬件结构也有多种，包括工控机，PLC，单片机控制板，或者是和交流变频集成在一起。但其控制策略都是开环的，控制器通过D/A，或者是485通讯接口给变频器速度控制信号，然后变频器控制进给电机的转速。其主要特点如下：

第一，采用开环控制策略。图一是目前控制器所采用的控制策略。开环控制简单易实现，但效果也不尽人意。在理想的条件下，例如木质非常均匀，没有硬度偏差，机械本身在不同的工作位置时摩擦阻力均匀无波动，此时开环控制也可以切削出均匀度非常好的单板，但当有外部干扰时，开环控制的效果便非常差，对负载变化非常敏感。当木头硬度不均匀时，在硬木质区切削的单板会偏薄，在软木质区切削的单板又会偏厚。还有当木头直径较大时，整个机器的负载非常大，此时进给阻力矩非常大，也会造成电动机的实际转速与理想转速偏差过大，单板偏薄严重。目前的控制器普遍有此类问题，部分控制器采用经验补偿的方法，由于其补偿量没有与实际偏差结合起来，不能灵活的适应不同的工况，所以效果也不好。

第二，由于木材的切削过程复杂，物理建模比较困难，所以现有控制器的控制初始环节都基于数值逼近思想。即事先用数值方法或实验的方法模拟木头切削过程中的半径-进刀速度规律，把数据做成表格存在控制器中，程序运行时根据刀台的位置在数据表中查找刀台的进刀速度，作为速度控制环节的给定量，这样在源头上就不能保证控制的精确度。其缺点主要有：

1..控制器的存储空间是有限的，所以进刀规律的表格长度受到限制，用有限的离散的点来逼近原本平滑的物理过程曲线，精度受到限制。要提高精度必然要求增大表格的数据量，这给制表和计算机存储都带来很多困难。

2.由于缺乏对无卡旋切机工作时物理过程的准确数学描述，其经验或实验得出来的数据的精确度本身受到实验条件的限制，其准确度很难做到完美无瑕。

3..适用范围窄，由于无卡旋切机进刀时的速度-位移曲线关系是受很多参数影响的。对于不同的单板厚度E，不同机械结构的旋切机就要建立不同的进刀规律表格，如果需要加工多种规格的单板，就必须建立多套表格，而且不同机械厂生产的旋切机机械结构差异很大，驱动棍中心距，驱动棍直径等各不相同，不同的机械结构和不同的厚度都对应不同的表格，因此这种控制器往往只适应某一家机械厂的某一种机器，对不同机械结构的旋切机控制器都要重新设计，这样大大降低了控制器的通用性。

第三，硬件结构复杂，目前的控制器大多要用到PLC或单片机的控制板作为变频器的上位机，中间通过D/A给定环节，或者是485，232的通信接口连接。D/A给定方式由于模拟量信号的固有特点，抗干扰性很差，而其精度也受到变频器A/D输入环节位数的影响，而且目前市场上的主流变频器A/D输入都是10位的，精度不好。通过通讯方式控制变频器时又要受到不同变频器的通信协议的影响。

如上所述，现有的控制器都没有实现对无卡旋切机旋切过程的精确数学描述，控制策略也不够智能，适用范围比较窄，很多控制器只能适应单一参数的机械产品。更重要的是现有的控制器都不能实现进刀速度的精确控制，影响单板的均匀度。

本发明的第一目的是发明一种能精确对无卡旋切过程进行数学描述的无卡旋切机进刀速度伺服控制器，其能用解析的方法精确的对无卡旋切机过程进行建模，从源头上保证无卡旋切机进刀速度的精度。

本发明的第二目的是发明一种参数可调的无卡旋切机伺服控制器，能在修改内置的关于机械结构的参数后适应市场上所有的无卡旋切机。这里所述的很多机械参数在本发明的第一目的中的数学模型中会用到。

本发明的第三目的是发明一种结构简单，功能完善的无卡旋切机进刀速度伺服控制器，该伺服控制器硬件结构简单，没有冗余单元，同时集成控制单元与驱动单元。由单片DSP完成整体控制器和电机矢量控制计算单元的所有计算与控制任务。同时刀台进给驱动环上的编码器实现多路信号的测量，由单台旋转编码器完成两路速度测量和一路位置测量，简化了整个系统的硬件结构，用软件计算虚拟多个传感器。进给传动系中只需要安装一个编码器，按照其在传动系中的位置，向上可以计算出进刀驱动电机的转速，做为电机矢量控制环节的速度反馈。向下可以计算出进给刀台的前进速度，做为整个速度控制的大闭环负反馈，将刀台速度积分后是刀台的位移信号。这样虽然只有一个传感器但同时得到了两路速度信号，和一路位移信号。实现了传感器的最大化利用。

本发明的第四目的是发明一种采用智能控制策略的无卡旋切机进刀速度伺服控制器，该控制策略的特点包括：第一，采用基于负反馈求偏差和模糊自适应控制律，能精确的对无卡旋切机的进刀速度进行控制，使其旋切出的单板均匀度更好。第二该控制律有很强的鲁棒性，在木质软硬不均匀或其圆度不好，机械负载力波动较大时也能保证旋切出的单板的均匀度。

发明内容

为了实现本发明的第一个目的，无卡旋切机进刀速度伺服控制器中包括：无卡旋切机旋切模型计算模块。在该模块中控制器对无卡旋切机当前的旋切过程进行实时分析，给出当前进刀速度的期望。无卡旋切机旋切模型计算模块的物理基础是无卡旋切机旋切过程前后的木料质量守恒和密度守恒，然后结合微积分的知识给出无卡旋切机旋切的解析模型：

$V=\frac{\mathrm{NDE}\·{(D+2l)}^3}{15({4l}^2-D^2+M^2)[{(D+2l)}^2-M^2]}$

无卡旋切机旋切模型计算模块对无卡旋切机进刀速度控制的准确度至关重要。本发明中的无卡旋切机旋切模型计算模块准确的对无卡旋切机的旋切过程进行建模，给下面的速度控制环节一个非常精确的控制目标。

为了实现本发明的第二个目的，无卡旋切机进刀速度伺服控制器中包括：人机交互单元，和控制器参数配置单元。人机交互单元实现控制器与操作人员的人机交互，包括控制指令输入，和配置参数输入。配置参数中包括一组机械结构参数，用于描述伺服控制器所要控制的无卡旋切机的机械结构。通过配置该组参数，该伺服控制器可以应用于几乎所有的无卡旋切机而不需要修改其软硬件。人机交互界面可以采用控制器自带的LED按键面板。也可以采用第三方的人机界面，包括文本显示器和工业触摸屏。采用第三方的人机界面时，第三方人机界面需要联结到控制器的通讯接口上，通过标准MODBUS协议与控制器进行数据交互。

可以设定的控制器参数包括机械结构参数，用户使用喜好的自定义参数，例如手动，自动切换，现将一些主要的参数列表如下，由于功能性参数众多，而其不影响控制器的主要性能，不再列出。

关于机械结构的参数，分别是：

双棍中心距M

驱动棍直径D

丝杠螺距Ls

机械零位坐标点L₀

与进给传动系中旋转编码器有关的参数：

编码器在传动系中的第一传动比，进给驱动电机到安装编码器轴的传动比I₁

编码器在传动系中的第二传动比，安装编码器的轴到进给驱动丝杠的传动比I₂

进给传动系中编码器的脉冲数M₀

驱动棍测速编码器的脉冲数M₁

公式中的切削厚度E也可以在线修改，即在旋切过程中，不需要停机就可以改变单板的切削厚度，修改确认后，单板的旋切厚度马上就会发生变化。

机械的参考零位坐标L₀。即当安装在旋切机上的接近开关起有信号输出时，进给刀台的机械位置，这里的绝对零点选择双棍的外侧竖直切线。该参数设定好后，每次刀台后退经过该位置时，控制内部变量l都会重置为L₀，这是为了防止绝对式编码器的累积误差。之所以不选择在前进时重置变量l，是为了防止变量l的突变造成切削厚度E的突变，影响单板的平整。

为了实现本发明的第三个目的，无卡旋切机进刀速度伺服控制器的测量环节包括进给驱动环节的旋转编码器。该旋转编码器用来获得进刀驱动电机的转速，进刀速度，和刀台的位置。

为了最大化的减少传感器数量，同时得到最多的状态量。通过一些数学运算进给传动系中的编码器获得三路测量参数。

第一：刀台位置坐标l的测量：

设编码器获得的正交脉冲数是X₀，这里X₀的数值为32位带符号长整型。则刀台的位置坐标如下：

$l=L_0+\frac{L_s{X}_0}{{4M}_0{I}_2}$

公式中参数意义如下：

机械零位坐标点L₀

丝杠螺距Ls

编码器的累计脉冲数Xo

编码器每转脉冲数发生数M₀

编码器的轴到进给驱动丝杠的传动比I₂

公式分母上要乘以4，是因为编码器接口工作在4倍频方式，即编码器每个脉冲周期的两个上升沿与两个下降沿都进行计数操作，这样会大大提高编码器的检测精度。

第二：刀台进刀速度v的测量：

v的值做为控制的负反馈送入控制器进行基于偏差的控制。设采样时间为T，采样时间内的脉冲数为X_T，则刀台的进给速度为：

$v=\frac{L_s{X}_T}{4M_0{I}_{2}T}$

第三：驱动电机的转速的测量：

进给驱动电机的转速N₁，N₁做为电机矢量控制的反馈转速，电机矢量控制环节为带转速反馈的矢量控制，这样可以大大提高控制转速的范围，稳态精度，和低速时的稳定性。这里同样要用到采样时间T和采样时间内的脉冲数X_T。其计算公式如下：

$N_1=\frac{X_T{I}_1}{4M_{0}T}$

为了实现本发明的第四个目的，无卡旋切机进刀速度伺服控制器的控制环节包括：一个速度前馈环节，在控制器计算出输出速度期望后，前馈环节给出速度输出的预控制量。本无卡旋切机进刀速度伺服控制器的控制环节还包括一个二维的模糊自适应控制器。该模糊控制器根据速度偏差，和偏差变化率两个输入量经过模糊推理后给出速度偏差的补偿量，该补偿量乘以一个比例系数Ku后加上速度前馈控制量，做为电机矢量控制器的输入控制频率。然后由电机矢量控制环节计算加在电动机上的三项电流的给定信号，这三相电流的给定信号和频率控制信号F一起加到电流控制的变频器上，得到异步电动机所需的三相变频电流。

如上所述，速度前馈环节的速度输出的基本假设是：电动机矢量控制环节和旋切机的机械传动系统为比例环节。在此比例环节的假设基础上，给出速度前馈环节的控制输出。实际系统非常近似比例环节，速度前馈环节的速度输出会非常接近速度期望输出，这样伺服控制器可以在很短时间内进入小偏差状态，极大的加快了系统的动态响应速度，同时提高了其稳定性，而不会产生输出超调。

旋切力作用的对象为木头。而要建立旋切过程的动力学模型是及其困难的，而且不同的树种木质差别很大，需要的旋切机力都不尽相同。即使对于一根木头在木质的外圈和木芯部位材质也是不一样的。所以旋切过程具有复杂性，动力学不确定性，这样的系统用常规的控制方法很难实现精确的控制，在这里我们采基于专家经验的智能控制算法：自适应模糊控制。同时由于控制环节的输出不是完全的比例环节，忽略了很多因素的影响，所以前馈控制虽然大大加快了系统的动态响应，而且使系统迅速进入小偏差状态，但不能实现进刀速度的精确控制。为了修正实际进刀速度与期望进刀速度的误差，本发明还包括一个二维的模糊自适应控制器，该二维模糊自适应控制器包括一个基本模糊控制器和一个模糊自适应机构。基本模糊控制器根据误差，和误差变化率两个输入量，经模糊推理后给出速度偏差的补偿量，该速度偏差的补偿量乘以一个比例系数后做为整个模糊自适应控制器的输出。模糊自适应机构的任务是观测系统状态，根据系统状态变化自适应修正基本模糊控制器输出比例系数的大小。这样控制系统能更好的适应旋切过程的时变性，变参数，非线性。该比例系数Ku由模糊自适应机构根据不同的工作状态进行自适应变化，使控制输出在不同的工作状态下始终能得到最优输出。

附图说明

图1现有无卡旋切机控制器的控制方式

图2无卡旋切机旋切单板过程示意图

图3无卡旋切机进刀速度伺服控制的原理框图

图4自适应模糊控制原理框图

图5模糊控制器中的隶属度函数分布图

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施例进行说明。

附图2是无卡旋切机旋切过程的原理示意图，结合图二，来说明无卡旋切机旋切过程的数学模型该模型所用的数学方法是微积分，根据的基本物理定律是：单板质量守恒、密度守恒。无卡旋切机的旋切模型的基本公式，位移速度公式如下：

$V=\frac{\mathrm{NDE}\·{(D+2l)}^3}{15({4l}^2-D^2+M^2)[{(D+2l)}^2-M^2]}$

公式中各参数的意义如下，参数示意图见附图二。

l-刀台的位置坐标

N-驱动棍转速

D-驱动棍直径

E-切削单板厚度

M-驱动棍中心距

通过公式1给出精确的进给物理模型后，控制过程中每时每刻都可以得到精确的速度控制目标，没有其他控制器因为离散查表带来的各种误差，同时，模型中的各个参数直接关系到机器的机械结构，不同厂家的机器可以通过设置模型中各个参数的值得到相应的速度函数。这样大大提高了控制器的通用性，使控制器可以适应市场上几乎所有厂家的无卡旋切机，而不需要特别设计软件，不同的旋切机只需要更改几个关于机械结构的参数即可。

附图3是整个无卡旋切机进刀速度伺服控制器的控制框图。整个控制环节主要包括包括旋切机旋切模型计算器，速度前馈控制器，自适应模糊控制器和电机矢量控制单元四个部分。旋切机旋切模型计算器的基本原理基于本发明所要实现的第一个目的，下面着重介绍速度前馈控制和自适应模糊控制。

速度前馈环节

为了使伺服控制器具有高的动态响应，控制过程中同样采用了前馈控制，我们把异步电动机的同步转速认为是变频器的控制输出转速，从变频器的频率f到电机同步转速输出简化为比例环节，同样，电动机轴的转速到丝杠进给速度也是比例环节，在此基础上给出速度控制的前馈控制量。

$F_1=\frac{I_1{I}_2{J}_d}{60L_S}\×v_0$

前馈控制给定中各参数的意义

参数名称	参数意义
		I1	编码器在传动系中的第一传动比，进给驱动电机轴到安装编码器轴的传动比
I2	编码器在传动系中的第二传动比，安装编码器的轴到进给驱动丝杠的传动比
		Jd	进给驱动电机的极对数
Ls	推进丝杠的传动比
		V0	进到速度的期望速度
F1	前馈控制频率输出量

模糊自适应控制器

附图4是模糊自适应控制器的原理框图。如附图4所示：模糊自适应控制器又分为基本模糊控制器和自适应调整机构两部分。

基本模糊控制器输入变量有两个，转速偏差e和偏差变化率Δe＝de/dt。输出控制量为u。转速偏差e，偏差变化率Δe和输出控制量u在其论域上分别定义了5个模糊子集，负大(NL)，负小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正大(PL)。隶属度函数选择对称，均匀分布，全交叠的三角形隶属函数。其隶属度分布函数如附图5所示。

基本模糊控制器的控制规则可由e，Δe，和u描述。第i条规则Ri可写成：

If e＝＝E and Δe＝＝ΔE then u＝U，这里E，ΔE，U分别属于各自的模糊子集。模糊控制规则如下表所示，解模糊采用加权平均法。

模糊自适应机构的目的是调整基本模糊控制器输出控制量u的比例因子Ku，其输入是电机运行电流Im和当前误差绝对值大小|e|。通过检测电机运行电流的大小，我们可以判断驱动电机的负载状态，从而选择相应的比例因子。比例因子Ku定义为0.7，1和1.3三个等级。电机运行电流定义为{空载(EL)，轻负载(LL)，重负载(HL)}三个模糊子集。|e|定义为{零(ZE)，小(S)，大(L)}三个模糊子集。比例因子Ku自适应调节规则为：

由上表第一行可以看出当电机空载时，比例因子都取的较大。这是因为：旋切时一开始时，进刀机构还没接触到木头，此时电机处于空载阶段，当进刀机构刚开始接触木头时，旋切负载突然增大，进刀速度会突然减慢，造成旋切的第一张单板偏薄，为了补偿这一过程的负载冲击，所以当电机还是空载时，让进给速度增大一定比例。此时Ku选择1.3。

附图5是控制偏差E，偏差变化率Δe，和模糊控制器输出u的隶属度函数分布图。为了增强控制器的鲁棒性，E，Δe和u均采用对称全交叠的三角形隶属度函数。

Claims (5)

1.一种用于无卡旋切机的进刀速度伺服控制器。用于控制无卡旋切机旋切过程中的进刀速度。伺服控制器的目的是实现旋切单板过程中的速度跟随。所述的进刀速度伺服控制器包括无卡旋切机旋切模型计算器，自适应模糊控制器，和交流异步电动机矢量控制单元。所述的伺服控制器采集两路编码器信号，计算刀台的当前位置坐标，刀台的实际进刀速度，和摩擦棍的实际转速，进行闭环的速度控制。

2.根据权利要求1所述的无卡旋切机进刀速度伺服控制器其特征在于包括无卡旋切机旋切模型计算器，通过对旋切过程的分析计算精确的对旋切过程进行数学模拟，给出精确的速度控制期望。所述的无卡旋切机进刀速度伺服控制器的速度控制给定量即来自于此无卡旋切机旋切模型计算器。

3.根据权利要求1所述的无卡旋切机进刀速度伺服控制器其特征在于包括一个人机交互单元和控制器参数配置单元。通过人机交互，可以将不同无卡旋切机的机械结构参数配置入控制器，实现对所有无卡旋切机的精确控制。所述的人机交互单元采用标准的工业控制协议可以与第三方的人机界面联结。

4.根据权利要求1所述的无卡旋切机进刀速度伺服控制器其特征在于通过两个旋转编码器得到整个系统的工作状态。所述的编码器中有一个安装在进刀推进传动系中，该编码器的信号经过计算后同时得到进刀速度，推进电机转速，刀台位置坐标三路信号。用软件计算实现了传感器的最大化复用，节省了成本。

5.根据权利要求1所述的无卡旋切机进刀速度伺服控制器其特征在于包括一个自适应模糊控制器。模糊控制器基于专家经验对非线性，无动力学模型的旋切单板过程进行仿人类的智能控制，所述的自适应模糊控制器还包括一个自适应机构，该自适应机构通过观测无卡旋切机的工作状态，自适应的修改控制量的输出比例因子，以达到各种工作状态下的最优控制。

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