CN102983797B - 一种基于线性自抗扰控制器的粗纱机同步控制方法 - Google Patents
一种基于线性自抗扰控制器的粗纱机同步控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于电机控制技术以及电力电子技术领域，涉及一种基于线性自抗扰控制器的粗纱机同步控制方法，利用4电机模块分驱动粗纱机的罗拉电机、锭翼电机、筒管电机和龙筋电机四个电机，以锭翼电机的速度为基准，来控制罗拉电机、筒管电机和龙筋电机的速度，锭翼电机和龙筋电机的控制器为速度闭环控制器；筒管电机和罗拉电机的控制器为张力闭环控制器，锭翼电机速度闭环控制器、龙筋电机的速度闭环控制器、筒管电机的张力闭环控制器和罗拉电机的张力闭环控制器均采用线性自抗扰控制器。本发明能够实现牵伸和卷绕两大传动系统的线速度匹配，维持张力稳定。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术以及电力电子技术领域，涉及一种粗纱机的控制方法。
背景技术
目前新型粗纱机一般由计算机控制，通过四台变频器分别驱动四台同步电机，构成牵伸系统、筒管系统、锭翼系统及龙筋升降系统，使粗纱的牵伸、卷绕成形完全受控于计算机，根据粗纱工艺要求，通过相应的软件指令控制各电机的速度，精确完成粗纱的卷绕。新型粗纱机系统实现了计算机控制系统的四单元传动技术，简化了粗纱成形机构；各单元电机在PLC控制指令下运行，从根本上消除了开关车粗纱细节，实现了精细的粗纱卷绕张力调节，是当前粗纱机技术发展的新方向。
图1是粗纱机加工过程的示意图，图1中罗拉电机驱动牵伸装置对棉条进行抽长拉细成为粗纱送入锭翼，由锭翼电机驱动锭翼回转对粗纱进行加捻，通过筒管旋转与锭翼的相对运动将粗纱卷绕在筒管上，由龙筋电机带动筒管实现粗纱的逐层卷绕，为使粗纱顺利地卷绕在筒管上，筒管的卷绕速度必须略大于罗达的输出速度，从而产生纱条轴向上的张力，各部分电机由西门子SINAMICS S120 DC-AC变频器驱动。S120DC-AC变频器中，控制单元、整流和逆变都为独立模块，中心控制单元为CU320模块，该模块可驱动4个矢量轴，对应的电机模块用于驱动粗纱机各部分电机。目前多电机粗纱机控制系统中基本上每台电机都是由独立的变频器驱动，采用一台S120变频器进行多轴有效的控制简化了工业设备，降低了生产成本。现有四电机粗纱机同步控制系统中的各分部电机速度关系如图2所示，以锭子的速度为基准，来控制罗拉、筒管和龙筋的速度。其中Ns是恒速的主轴部分，即锭翼电机的转速；Nf是罗拉电机转速，用于控制粗纱的捻度；Nw是筒管电机的转速；nw是筒管的转速，筒管的回转速度受到两部分的影响，一部分是恒速的锭翼电机速度Ns，另一部分是与管纱的直径成反比的卷绕速度；Nl是龙筋电机的转速，通过控制龙筋电机正反转和转速配合筒管的卷绕；k1~k5为比例系数，受捻度、带轮齿轮传动比、卷绕直径和牵伸系数等决定，工艺要求确定时k1~k5可视为常数。张力产生的本质是相邻电机的转速差，因此可通过控制锭翼电机转速和张力实现多电机粗纱机系统的控制。
“基于误差来消除误差”的控制策略是经典PID控制的精髓，也是其在工业控制中广泛被采用的主要原因。由于PID控制器成形时期的科技水平限制，处理误差信号的方法粗糙，使得PID控制器未能尽情发挥其优点。为满足现代科学技术控制精度和速度以及对外部变换的适应能力的要求，先进的信号处理技术和数字化方法逐渐被融入PID控制器中，形成了如自校正PID、智能PID、模糊PID和专家系统PID等一系列新型控制器。概括PID控制技术的缺点为：微分器物理不可实现限制了PID的控制能力；“快速性”和“超调”不可调和的矛盾；组合形式限制在加权和的形式；原始误差的产生方法值得商榷。韩京清研究员在此基础上相继开发出跟踪微分器，扩张状态观测器和非线性误差反馈机制，从而开发出一系列新型控制器。自抗扰是其中具有代表性的控制技术，各组成部分可以进行多种选择，对经典PID做出了如下方面的改进：安排过渡过程；提取系统状态信息和扰动总和信息；用状态误差信息来产生非线性误差反馈控制量；根据扰动估计值对系统进行扰动补偿。
发明内容
本发明的主要目的是对现有的控制方法进行改进，提供一种能够实现牵伸和卷绕两大传动系统的线速度匹配，维持张力稳定的四电机同步粗纱机控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于线性自抗扰控制器的粗纱机同步控制方法，利用变频器驱动4个矢量轴，各个矢量轴对应的电机模块分别用于驱动粗纱机的罗拉电机、锭翼电机、筒管电机和龙筋电机四个电机，以锭翼电机的速度为基准，来控制罗拉电机、筒管电机和龙筋电机的速度，锭翼电机和龙筋电机的控制器为速度闭环控制器，速度的反馈量由光电编码器检测获得；筒管电机和罗拉电机的控制器为张力闭环控制器，张力的反馈量分别由各自相应的两个张力传感器检测得到，锭翼电机速度闭环控制器、龙筋电机的速度闭环控制器、筒管电机的张力闭环控制器和罗拉电机的张力闭环控制器均采用线性自抗扰控制器，每个线性自抗扰控制器包括将模型扰动、参数摄动以及筒管电机速度和粗纱的张力统一视为外加扰动进行处理的线性扩张状态观测器及根据误差来决定控制纯积分器串联行对象的控制规律，采用线性比例调节的比例调节，并用扰动估计值对误差反馈控制量进行补偿。
在本发明的四电机粗纱机控制系统中，速度控制回路和张力控制回路中各有一个线性自抗扰控制器，该线性自抗扰控制器与粗纱机四分部电机控制系统形成闭环，构成自抗扰控制器闭环系统；该线性自抗扰控制器是一种以系统设定值、系统被控输出和上一步控制量来确定新控制量的装置，由线性扩张状态观测器、比例调节器以及用扰动估计值对误差反馈控制量进行补偿组成，扩张状态观测器采用线性的比例调节输出控制对象和未知扰动的观测值。本发明中线性自抗扰控制思想是基于自抗扰控制理论，线性ADRC不仅继承了ADRC的优点：不需要具体的数学模型，无积分环节即可实现无静差，避免了积分反馈的副作用，而且观测器采用线性形式，结构更简单，实验更容易，使得算法计算量减小，实时性增强，可以达到良好的实际控制性能。
附图说明
图1为粗纱机同步控制系统结构示意图；
图2为四电机速比关系示意图；
图3为传统ADRC控制原理框图；
图4为本发明设计的线性ADRC控制原理框图；
图5为基于线性ADRC的粗纱机同步控制系统结构框图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步详述。
自抗扰控制技术是韩京清研究员经过深刻剖析经典PID控制技术演变出的新型控制技术，并成功应用于电力、化工等生产领域。其主要技术包括：跟踪微分器，扩张状态观测器和非线性反馈效应。仿真和实验表明自抗扰控制器ADRC与传统PID控制器相比，ADRC能很好的克服快速性与超调量之间的矛盾，有效提高系统的抗扰能力。而且根据设计过程的分离性原理，自抗扰控制器的三个组成部分可以按各自的工程意义分别独立地设计出各个组成部分，然后组合成一个完整的自抗扰控制器。有关自抗扰控制技术的详细说明可参见下列两篇文献：
[1]韩京清.自抗扰控制技术：估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京：国防工业出版社，2009.
[2]刘星桥，唐琳，周丽.二阶自抗扰控制器在三电机同步系统中的应用[J].电工技术学报，2012，27(2)：179-184.
如图3所示，典型自抗扰控制器是基于跟踪微分器（TD）、非线性反馈控制率（NLSEF）和扩张状态观测器（ESO）的一种非线性控制器。自抗扰控制器的三个组成部分均采用非线性函数，参数较多，调节复杂，在实际应用中难以简单快速的实现控制目标。而事实上，采用线性函数也能得到性能优良的控制器，并且参数整定计算量大大减少。因此，本发明在ADRC的优化模型中进行参数简化，在保证控制器性能的前提下，有效的减少参数的调节过程，适合实际工业控制的要求。典型二阶自抗扰控制器算法如下：
其中，r0，β01，β02，β03，r，c，h1和b0是控制器的参数。
综合上述优化措施，得到如图4所示的结构优化的线性ADRC，该优化的二阶线性ADRC是一种以系统设定值、系统被控输出和上一步控制量来确定新控制量的装置，将每个优化的线性ADRC上前一时刻的控制量作为当前时刻的线性ADRC的一个反馈量，由3部分组成：（1）线性扩张状态观测器，将粗纱机同步控制系统的模型扰动、参数摄动以及筒管电机速度和粗纱的张力统一视为外加扰动进行处理；（2）比例调节器，根据误差来决定控制纯积分器串联行对象的控制规律，采用线性的比例调节；（3）用扰动估计值对误差反馈控制量进行补偿。
如图5，将4个线性ADRC应用于粗纱机同步控制系统。在速度控制回路和张力控制回路分别连接一个图4所示的线性ADRC，该控制器与电机及变频器组成的粗纱机同步控制系统形成一个闭环。其中，锭翼电机和龙筋电机的控制器为速度闭环控制器，速度的反馈量由光电编码器检测获得，筒管电机和罗拉电机的控制器为张力闭环控制器，张力的反馈量分别由两个张力传感器检测得到。
Claims (1)
1.一种基于线性自抗扰控制器的粗纱机同步控制方法，利用变频器驱动4个矢量轴，各个矢量轴对应的电机模块分别用于驱动粗纱机的罗拉电机、锭翼电机、筒管电机和龙筋电机四个电机，以锭翼电机的速度为基准，来控制罗拉电机、筒管电机和龙筋电机的速度，速度控制回路和张力控制回路中各有一个线性自抗扰控制器，该线性自抗扰控制器与粗纱机四分部电机控制系统形成闭环，构成自抗扰控制器闭环系统,锭翼电机和龙筋电机的控制器为速度闭环控制器，速度的反馈量由光电编码器检测获得；筒管电机和罗拉电机的控制器为张力闭环控制器，张力的反馈量分别由两个张力传感器检测得到，其特征在于，锭翼电机速度闭环控制器、龙筋电机的速度闭环控制器、筒管电机的张力闭环控制器和罗拉电机的张力闭环控制器均采用线性自抗扰控制器，每个线性自抗扰控制器包括将模型扰动、参数摄动以及筒管电机速度和粗纱的张力统一视为外加扰动进行处理的线性扩张状态观测器及根据误差来决定控制纯积分器串联型对象的控制规律，采用线性比例调节，并用扰动估计值对误差反馈控制量进行补偿。
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