CN104808483A - 一种同步牵引系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，所述牵引机设有主动系统；所述主动系统通过减速机带动链轮，链轮带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，实现下齿轮带动上齿轮的上下同步传动。本发明同步牵引系统，也可以包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，所述牵引机设有从动系统；从动系统直接带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，然后下齿轮带动上齿轮实现上下同步传动。本发明克服现有中空板牵引机的不足，大大提高了生产效率，中空板牵引机从传统的平键连接改成平键+涨紧套连接，提高了斜齿轮与辊轴的误差，改善了传动性能。

Description

一种同步牵引系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种牵引机械装置，特别涉及一种同步牵引系统及其控制方法。

背景技术

目前，很多现有技术中的中空板牵引机只有下辊有动力，上辊是被动。因为是一台减速机带动链轮，然后带动下辊齿转动，工作时上辊不能跟下辊压的很紧，压紧的容易导致中空板变形。这样导致了上辊在不能压紧的情况下出现打滑的现象，并且下部传动的齿轮为直齿齿轮，传动的间隙比较大，误差随之而来。

而现有技术中的一些中空板牵引机也带有上下辊分别有动力的双动力驱动系统，及其相应的同步装置。但这种同步装置的PID控制器的参数设定具有一定的缺陷。

PID控制器的重点和难点就是确定比例系数K_P，积分系数K_i和微分系数K_D，即PID控制器参数的整定。目前，国内外对于PID参数整定的方法也有多年的研究经验。工程上通常采用的整定方法有扩充临界比例梯度法(Z-N法)、衰减曲线法、归一化法等。其中扩充临界比例梯度法和归一化法实质上一样，思想是先去掉微分和积分作用，使控制系统为单纯的比例控制，逐渐加大比例系数，使系统出现等幅震荡，此时控制系统的比例系数称为临界比例增益K_C，振荡周期称为临界振荡周期T_C，然后根据控制度和经验公式确定比例系数K_P，积分系数K_i和微分系数K_D三个参数。飞升特性曲线法指当已知系统的过渡过程曲线，用作图法来确定系数的滞后时间，被控对象的时间常数和两者的比例，然后查表求得PID控制参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供了一种上下同步牵引机及其控制装置。本发明克服现有中空板牵引机的不足，采用上下传动，在减速机传动的同时上下辊全部同步传动，这样可以连续不间断的同步让牵引不打滑，加大摩擦力，大大提高了生产效率，中空板牵引机从传统的平键连接改成平键+涨紧套连接，提高了斜齿轮与辊轴的误差，改善了传动性能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，所述牵引机设有主动系统；所述主动系统通过减速机带动链轮，链轮带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，实现下齿轮带动上齿轮的上下同步传动。

为解决上述技术问题，本发明又提供了一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，所述牵引机设有从动系统；从动系统直接带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，然后下齿轮带动上齿轮实现上下同步传动。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，所述牵引机设有主动系统、从动系统和同步控制装置；所述主动系统通过减速机带动链轮，链轮带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，实现下齿轮带动上齿轮的上下同步传动；所述从动系统直接带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，然后下齿轮带动上齿轮实现上下同步传动；所述同步控制装置，由于同步控制所述主动系统和从动系统，确保实现上下同步传动。

所述同步牵引系统，可以进一步包括：连接盘，十字连接，固定板和轴承。

所述齿轮为3个；齿轮I为右旋，齿轮III为左旋，齿轮II齿数为20～40，优选为29；所述齿轮I和齿轮III的模数为2～10，优选为6；所述齿轮I和齿轮III的的齿数为45～55，优选为51，所述齿轮I和齿轮III的的螺旋角β为10～16度，优选为14度；所述齿轮I和齿轮III的的齿形角α为15～25度，优选为21度。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种同步控制方法，其特征在于，所述同步控制方法采用主从方式同步控制的技术手段，从动缸根据主动缸的位移变化及时做出响应以跟随主动缸的位移，从而达到上下同步运动的效果；所述同步控制装置对主动缸无位移控制，只将主动缸和从动缸的位移差值做为反馈环节，输入给从动缸的电液比例阀，从动缸电液比例阀及时做出动态响应跟随主动缸的位移，实现上下齿轮同步运转。

所述同步控制方法中可以使用PID控制器；所述PID控制器的PID控制参数，采用如下步骤实现：

①置调节器积分时间T_I＝∞，微分时间T_D＝0，将比例系数K_P按经验设置的初始条件下，将系统投入运行，整定比例系数K_P；若曲线振荡频繁，则加大比例系数；若曲线超调量大，且趋于非周期过程，则减小比例系数,直到求得满意的4:1过渡过程曲线；

②引入积分作用，此时增大上述比例系数K_P到原来的1.2倍；将T_I由大到小进行整定；若曲线波动较大，则应增大积分时间T_I；若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减小T_I，以取得较好的过渡过程曲线；

③引入微分作用，将其按经验值或按T_D＝(1/3-1/4)T_I设置，并由小到大加入；若曲线超调量大而衰减慢，则需增大T_D；若曲线振荡厉害，则应减小T_D；通过观察曲线调整比例系数K_P和T_I，直到求得满意的过渡过程曲线为止，即可得比例、积分、微分系数的整定值。

为解决上述技术问题，本发明再提供了一种用于同步控制的模糊PID控制方法，包括：模糊推理步骤和常规PID步骤；

所述模糊推理步骤，包括输入偏差变化率eC和偏差e，并输出修正参数ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；

所述模糊推理步骤，进一步包括运行中根据e和ec的变化和模糊控制规则不断修改K_p、K_i、K_d这3个参数，从而改善被控对象的动、静态性能的过程。

所述输出的参数K_p、K_i、K_d可以由公式(4)表示：

       $\left\{\begin{array}{c}{K}_p=K_p^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_p\\ K_i=K_i^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_i\\ K_d=K_d^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_d\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，K_p’、K_i’、K_d’为预整定值,ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d为修正参数。

为解决上述技术问题，本发明另提供了一种如前任一项所述的同步控制方法，和/或，如前任一项所述的用于同步控制的模糊PID控制方法，在如前任一项所述的同步牵引系统中的应用。

本发明有益的技术效果在于：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种目前中空板牵引机采用上下传动的结构，因为刚开始用的是直齿齿轮，直齿齿轮有个最大的缺点就是齿和齿之间的间隙太大，间隙大误差就大，所以发明出下面的斜齿轮传动方式。

1.单面传动改成上下双面传动，提高了工作效率；

2.直齿齿轮改成斜齿齿轮，提高了牵引同步的间隙，减小了误差；

3.汽缸用普通汽缸改成可调式汽缸，增加的上下辊限位的功能；

4.辊筒由以前的普通键槽连接改成涨紧套连接，提高了精度，并且维护方便；

5.简化了机械结构，设备调试较简单；

6.同等工作效率的情况下，降低了设备投资，维修较简单；

7.设备安全护罩都已经加装。

附图说明

图1为本发明实施例所述上下同步牵引机齿轮部位装置结构图；

图2为本发明实施例所述“主从方式”位移控制方框图；

图3为本发明实施例所述加入了PID控制器较正环节之后的单套阀控液压缸子系统的仿真模块图；

图4为本发明实施例所述PID控制的封装子模块图；

图5为本发明实施例所述同步系统SIMULINK仿真模块；

图6为本发明实施例所述模糊控制器的原理图；

图7为本发明实施例所述用于同步控制装置的模糊PID控制器结构图。

具体实施方式

以下将结合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明涉及上下同步传动中空板牵引机：包括上下辊筒；上下齿轮；中间齿轮，多种轴承；涨紧套等。本发明主动系统牵引机通过减速机带动链轮，链轮带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，然后下齿轮带动上齿轮实现上下同步传动。增加了上部辊筒的齿轮，主要是提高牵引机的牵引力和摩擦力的间隙。

此外，本发明进一步具有可选择性使用的下辊动力驱动系统及液压同步控制系统。通过其矫正能够单独驱动从动系统直接带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，然后下齿轮带动上齿轮实现上下同步传动。实现了上下同步传动的双保险。

本发明采用斜齿轮上下传动，上辊由顺时针转动，下辊由逆时针转动，上下齿轮的模数为5，齿数为49，螺旋角β13度，齿形角α20度，上齿轮为右旋，下齿轮为左旋，中间齿轮齿数为30.这几个参数都是我们仔细的计算出来的，都是有科学依据的，在螺旋角13度的情况下，齿轮之间的精度和强度都是最佳的。

本方案同时适应于其它相应或相类似工作方式的应用领域。

本发明上下同步传动精密中空板牵引机，包括齿轮，齿轮轴，连接盘，十字连接，固定板，深沟球轴承，涨紧套等。

如图1所示，为本发明实施例所述上下同步牵引机齿轮部位装置结构图。其中，各个附图标记为：

1.齿轮I(左旋)

2.齿轮II(右旋)

3.齿轮III(右旋)

4.上齿轮轴

5.中间齿轮轴

6.十字连接

7.连接盘

8.固定板

9.上辊

10.下辊

下面结合图1说明一下该机型是如何工作的：

牵引机上辊由可调式汽缸带动上下工作，当上辊升起来时齿轮部分是不动的，下辊由减速机带动链轮再由链轮带动下辊筒，然后下辊筒带动下齿轮，下齿轮带动上齿轮的一个全部动作过程。整机配有电器自动控制，能按设定程序有序工作。各项参数能根据需要方便、精确设置、调节，满足不同工况的需要。

本发明液压同步控制系统的目的就是实现两个或多个的执行元件的输出达到精度的同步。本发明液压同步控制系统通常采用“主从方式”控制策略。“主从方式”是指以其中一个执行元件的输出为理想输出，其余的执行元件均跟随此理想输出而受到控制并达到驱动。

同步控制的控制变量有位移控制和速度控制两种，即控制系统的反馈环节有速度反馈和位移反馈两种。

本发明采用“主从方式”同步控制策略，根据从动缸根据主动缸的位移变化及时做出响应以跟随主动缸的位移，从而达到两步运动的效果。此种方法实现起来简单方便，对主动缸无需位移控制，只需要将主动缸和从动缸的位移差值做为反馈环节，输入给从动缸的电液比例阀，从动缸电液比例阀及时做出动态响应以跟随主动缸的位移。

综上所述，本发明液压同步控制装置采用“主从方式”的同步控制策略。“主从方式”位移控制方框图如图2所示。

本发明同步控制过程下：

①主动缸一路：电压信号U由PLC设定，控制电压经比例放大器转化为电流信号输入给比例阀电磁铁，电磁铁带动阀芯移动特定位移，从而控制阀的流量，从而决定了主动缸的运行速度。

②从动缸一路：从动缸前向通道与主动缸相同，只是在闭环反馈环节上有所区别。通过两支油缸上的位移传感器L_l、L₂测出从、主缸的即时位移，位移的差值以电压的形式(补偿电压)反馈给电压信号U,在两个电压信号共同作用下，修正伺服阀的控制电压，从而即时修正位移以确保双缸的同步运行。采用比例方向阀对两个油缸的同步运行形成了闭环系统，不但工作稳定性好，控制精度高，调整方便，并且使PLC的自动控制也易于实现。

由于液压同步控制具有强藕合、非线性的特点，所以需要在前向通道中加入较正环节，来调整系统的稳态特性和动态特性。即在PLC输出给放大器之前加入控制算法来使系统快速响应快速稳定。一般控制策略难以实现同步控制的高精度，所以本发明在系统前馈和反馈通道上增加各种校正环节来提高系统性能。

选用何种合适的校正环节，就是同步控制系统的控制算法问题。现有技术中几种常用的控制算法有PID控制、自适应PID控制、模糊PID控制等。

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制，它通常是一种由运算放大器组成的器件，通过对输出和输入之间的误差(偏差et)进行比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合以构成控制量，对被控制对象进行校正和控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成，其中，

控制偏差为：

e(t)＝r(t)-y(t)       (1)

PID控制规律为：

       $u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)d\left(\mathrm{\τ}\right)+\frac{T_D\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(2\right)$

K_P的作用是加快系统的响应速度，提高系统调节精度，成比例地控制信号的偏差信号，有偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，快速减少偏差。积分环节T_I主要是用于消除系统的静态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，T_I越大，积分作用越弱，反之越强。但T_I过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。微分环节T_D主要作用是改善系统动态特性，能反映偏差信号的变化趋势，并能够在偏差值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。但T_D过大会降低系统的抗干扰性能。

计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(2)中的微分和积分项不能直接作用，需进行采样处理。用一系列的采样时刻点k代表连续时间，以和式(2)代替积分，以增量代并微分，作近似变换。当采样周期T足够小时可省去T，将e(kT)简化成e(k)，可得离散的PID算法表达式

       $\begin{array}{c}u\left(k\right)=K_p\{e\left(k\right)+\frac{T}{T_I}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+\frac{T_D[e\left(k\right)-e(k-1)}{T}\}\\ =K_{P}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+K_D[e\left(k\right)-e(K-1)]\end{array}---\left(3\right)$

式中，

k—采样序号，k＝0,1,2，……；

e(k)—第k次采样时刻输入的偏差值；

u(k)—第k次采样时刻的计算机输出值；

T_I—积分时间；

T_D—微分时间；

K_P—比例系数；

K_i—积分系数；

K_D—微分系数；

本发明PID控制计算量小，实时性好，实现非常方便。PID控制器的重点和难点就是确定比例系数K_P，积分系数K_i和微分系数K_D，即PID控制器参数的整定。目前，国内外对于PID参数整定的方法也有多年的研究经验。工程上通常采用的整定方法有扩充临界比例梯度法(Z-N法)、衰减曲线法、归一化法等。其中扩充临界比例梯度法和归一化法实质上一样，思想是先去掉微分和积分作用，使控制系统为单纯的比例控制，逐渐加大比例系数，使系统出现等幅震荡，此时控制系统的比例系数称为临界比例增益K_C，振荡周期称为临界振荡周期T_C，然后根据控制度和经验公式确定比例系数K_P，积分系数K_i和微分系数K_D三个参数。飞升特性曲线法指当已知系统的过渡过程曲线，用作图法来确定系数的滞后时间，被控对象的时间常数和两者的比例，然后查表求得PID控制参数。

本发明采用的是试凑法的实现步骤。

本发明凑试法是先将调节器的参数根据经验设定在某一数值上，然后在闭环系统中增加加扰动，观察过渡过程的曲线形状，若曲线不够理想，则以调节器PID参数对系统过渡过程的影响为依据，按照先比例，后积分，最后微分的顺序，将调节器参数逐个进行反复凑试，知道获得满意的控制质量。

具体步骤如下:

①置调节器积分时间T_I＝∞，微分时间T_D＝0，将比例系数K_P按经验设置的初始条件下，将系统投入运行，整定比例系数K_P。若曲线振荡频繁，则加大比例系数；若曲线超调量大，且趋于非周期过程，则减小比例系数,直到求得满意的4:1过渡过程曲线。

②引入积分作用，此时增大上述比例系数K_P到原来的1.2倍。将T_I由大到小进行整定。若曲线波动较大，则应增大积分时间T_I；若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减小T_I，以取得较好的过渡过程曲线。

③引入微分作用，则将其按经验值或按T_D＝(1/3-1/4)T_I设置，并由小到大加入。若曲线超调量大而衰减慢，则需增大T_D；若曲线振荡厉害，则应减小T_D。观察曲线，适当调整比例系数K_P和T_I，直到求得满意的过渡过程曲线为止，即可得比例、积分、微分系数的整定值。

在实际的工控领域，一般很难实现被控对象数学模型的准确建模，在此基础上进行设计的系统很难说是最优的。因此，本发明采用试凑法来确定PID控制器的三个基本参数。在不同实施例的实际现场环境中，按试凑法所确定的参数不一定满足系统的控制要求，还需对其进行现场探索性调整。在试凑调整时，应根据PID每项对控制性能的影响趋势，反复调整K_P、K_I和K_D参数的大小。对参数实现应先比例，后积分，再微分的整定步骤。

根据本发明试凑法的步骤，求得单套阀控缸系统的PID控制参数为：K_P＝5.5，K_I＝0.1，K_D＝0.29。

本发明另一实施例采用Matlba中的Simulink仿真模块进行仿真分析，与传统的仿真软件相比，Simulink具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink是MATLAB中的种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

设置本发明阀控液压缸系统的采样周期为T_s＝25ms。在Simulink中建立加入了PID控制器较正环节之后的单套阀控液压缸子系统的仿真模块，如图3所示，其中的PID Control为PID控制的封装子模块，如图4所示。两支油缸共承担负载力为2T。

仿真模型中特意加入常数模块(constant)和均匀分布随机数模块(Uniform Random Number block)，常数模块参数5000N,均匀分布随机数为±1000N之间,如此将更加真实的反映牵引机在运载时的负载情况。

设置输入阶跃信号幅值为1，仿真时间6s,仿真后得到单套阀控缸子系统的单位阶跃响应曲线。由该单位阶跃响应曲线得知，加入PID校正环节之后单套阀控缸系统的阶跃响应最大超调量很小，不到1％，允许误差为5％时的过渡过程时间为0.2秒。

由于升降油缸行程较大,设定当两缸位移差大于15mm时，设备报警且油缸比例阀关闭。由于本发明两支油缸同步控制策略选择为“主从控制”，所以要求从动缸对主动缸的运行位移要有很好的跟随性，才能实现同步。图5为同步系统SIMULINK仿真模块。该仿真模块中，主从两套阀控缸子系统分别构成闭环位置控制，保证实现两缸输出的位置精度。为了保证升降平台在升降过程中始终保持水平，把主从两套阀控缸子系统的输出的差值(两缸位移差)反馈给从动缸，从而构成一个总的闭环控制，在这个闭环控制中加入了前文所述的PID较正环节，这样将可以保证从动缸系统的实时的跟随性，争取与主缸同步运动。

对于主动、从动两套阀控缸子系统而言，本发明忽略两支油缸及比例阀的制造和装配误差，假设两个子系统的所有参数和性能指标完全一致，只是在油缸外负载力方面考虑极端情况，设定主动缸稳定外负载力1.8T,从动缸稳定外负载力0.2T。由于两支油缸都通过万向节与刚性平台连接，平台水平保持机构齿轮齿条作用力及导轨摩擦力将同时作用在两支油缸上，所以在SIMULINK中选择均匀分布随机数模块(Uniform Random Number block)同时输出给两支油缸作为外干扰负载，大小设置为±2000N之间，尽可能的模拟转向架分离装置在工作时的实现工况。

设置输入阶跃信号幅值为1，仿真时间6s,仿真后得到转向架分离装置升降机构主、从阀控缸控制系统单位阶跃响应曲线，由响应曲线可以看出，主动缸未加入PID较正环节，阶跃响应超调较大，允许误差为5％时的调整时间为0.4秒，在稳态值附近振荡。从动缸加入了位移差负反馈和PID校正环节，超调量较小，调整时间与主动缸基本相同，从动缸对主动缸的跟踪存在一定的时间滞后。这是因为基于主从控制策略的同步系统，在系统响应频率一定的前提下，从动液压缸的运动位移必然滞后主动液压缸。但是在稳态值附近出现小幅振荡，主要是主动缸的振荡引起的，要想消除此种误差，只需在主从缸系统中加入PID校正环节。本发明的PID校正环节由模糊PID控制器完成。

本发明模糊PID控制器的实现。

对于复杂的控制对象,在实际工作当中,操作人员是通过观察、推理和决策,来进行人工控制的,并且可以取得比较满意的效果。而模糊控制系统就是将操作人员的经验总结成控制规则,并且运用模糊理论来模拟人的推理与决策,从而实现自动控制的控制系统,模糊控制器的结构如图6所示。

模糊控制过程主要有由模糊控制器的模糊化接口进行模糊化、由推理机进行模糊逻辑推理和由清晰化接口进行解模糊判断这三个步骤组成。而模糊控制系统的优劣,则主要取决于模糊控制器的结构、推理算法、所采用的模糊规则以及模糊决策的方法这些因素。

模糊控制是综合考虑偏差和偏差变化率的大小来进行判决的。进行控制时,首先需要计算输出与给定值的实际误差,然后将实际误差由精确变量转化为模糊变量,再由模糊控制规则进行处理,从而得出模糊输出变量,最后再将模糊变量经解模糊化处理得到精确值,送至被控对象实施控制动作,这就是模糊控制的基本过程。

模糊PID控制技术是把智能控制技术与传统的PID控制技术相结合的控制技术,具有自适应的特性。其实质是一种利用当前的控制偏差和偏差变化率,结合被控过程动态特性的变化,以及专家的实际经验,根据控制要求或目标函数,通过模糊规则推理,对PID控制器的三个参数进行在线调整的控制技术。

由图7可见，模糊PID控制由模糊推理和常规PID两部分组成，模糊推理部分在功能上就是一个模糊控制器，它的输入是偏差变化率eC和偏差e，输出是修正参数ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d。PID参数模糊自整定就是在运行中根据e和ec的变化和模糊控制规则不断修改K_p、K_i、K_d这3个参数,从而改善被控对象的动、静态性能的过程。

PID控制器输出的参数Kp、Ki、Kd由公式(4)表示。

       $\left\{\begin{array}{c}{K}_p=K_p^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_p\\ K_i=K_i^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_i\\ K_d=K_d^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_d\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，K_p’、K_i’、K_d’为预整定值,ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d为修正参数。

模糊PID控制器的输入输出变量

本发明另一实施例中，牵引机构的液压系统是由单变量泵和6个定量马达组成的,其简化模型为单变量泵单定量马达的速度控制系统,因此选取马达输出的速度偏差。和偏差变化率。c作为其输入模糊控制器的输入语言变量,模糊控制器的控制任务是根据马达速度偏差。和速度偏差的变化率。c的大小,结合专家的知识和经验,判断机组牵引系统行驶过程中所遇到的情况(即进行模糊化处理),并依据设定的模糊规则调整变量泵排量的大小(即进行解模糊处理)，从而控制机组牵引机构的行驶速度，使其恒速稳定运行。

模糊控制器的模糊规则

模糊规则的制定是设计模糊控制器的核心。本发明系统模糊控制器对模糊规则的选择过程可分为三个部分:第一步选择适当的模糊语言变量,第二步选择各语言变量的隶属度函数,第三步建立模糊控制规则。

1.牵引机构系统模糊语一言变量和隶属度函数的选择如前所述，牵引机构速度控制系统有两个输入变量速度偏差e和偏差变化率ec,三个输出变量分别是ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d将马达速度偏差e、速度偏差变化率ec及ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的模糊语言值均分为五段：

{NB，NS，ZE，PS，PB}              (5)

其中,NB和NS分别表示负大和负小；PS和PB分别表示正小和正大；ZE表示零。

本发明利用MATLAB的模糊工具箱设计了轮轨式牵引机构调速系统的模糊控制器,将输入输出的变化范围定义为模糊集上的基本论域:

e，ec，Δk_p、ΔK_d＝(-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4)       (6)

因为三角形隶属函数具有运算较简单,所占内存空间小,适合在线调整参数的特性,因此本实施例使用三角形隶属度函数,三角形隶属度函数的数学描述如下:

      

式中，a、b、c分别为三角形隶属度函数的三个折点横坐标；μ(x)为在任意横坐标处的隶属度。

牵引机构调速系统的模糊控制规则

模糊控制器模糊规则的设计原则是:当误差较大时,控制量的变化应尽力使误差迅速减小。当误差较小时除了要消除误差外,还要考虑系统的稳定性,防止系统产生不必要的超调,甚至震荡。

对于轮轨式牵引机构的调速控制系统,为了获得最佳的系统控制性能,在不同转速偏差e和偏差变化率ec时,被控对象对参数K_p、K_i、K_d自整定参数规则规定如下:

(l)当轮轨式牵引机构启动或停止运行时,转速偏差e较大,可以取较大的K_p值来加快响应速度,而为了避免出现微分饱和积分饱和的现象,此时K_d值不宜取太大且应去掉积分作用,即使K_i＝0。

(2)当轮轨式牵引机构正常运转后,马达转速偏差e以及偏差变化率ec值都处于中等大小,为减小马达转速的超调,应适当减小K_p值,K_i、k_d取中等大小值。

(3)当马达转速基本稳定时,此时系统偏差e较小,为提高系统稳定性,应该增大K_p和K_i的取值,同时为避免系统出现振荡现象,提高系统的抗干扰性能,在偏差变化率ec较小时,K_d应取较大值；ec较大时,K_d应取较小值。

根据以上分析制定ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的模糊规则,如下表所示:

      

控制器的模糊化和解模糊化方法

为了实现模糊控制器的标准化设计,本实施例中采用Mamdani模糊化方法。即定义偏差e的范围为[-4,4]间的连续变化量,并进行离散化,组成一个离散集合。

MATLAB的模糊工具箱提供了多种解模糊方法:对于Mamdani型模糊推理,可以选择mom(极大平均法)、biseeto:(区域等分法)、centroid(区域重心法)、som(极大最小法)、lom(极大最大法)或eustom(自定义法)。

根据本发明牵引机构系统要求实时性好的特点,为了获得准确的控制量,本发明采用centroid重心法进行接模糊计算。其计算公式为：

      

式中,u为模糊控制器的输出,即轮轨式牵引机构调速系统PID控制器的三控制量；x为模糊控制器输入量。对式(8)进行离散化处理得到:

       $u=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\·\mathrm{\μ}\left(x\right)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\μ}\left(x\right)}---\left(9\right)$

式中，n为离散变量的个数,其他参数意义同式(9)。

本发明提供了一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，所述牵引机设有主动系统；所述主动系统通过减速机带动链轮，链轮带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，实现下齿轮带动上齿轮的上下同步传动。

本发明又提供了一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，所述牵引机设有从动系统；从动系统直接带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，然后下齿轮带动上齿轮实现上下同步传动。

本发明还提供了一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，所述牵引机设有主动系统、从动系统和同步控制装置；所述主动系统通过减速机带动链轮，链轮带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，实现下齿轮带动上齿轮的上下同步传动；所述从动系统直接带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，然后下齿轮带动上齿轮实现上下同步传动；所述同步控制装置，由于同步控制所述主动系统和从动系统，确保实现上下同步传动。

所述同步牵引系统，可以进一步包括：连接盘，十字连接，固定板和轴承。

所述齿轮为3个；齿轮I为右旋，齿轮III为左旋，齿轮II齿数为20～40，优选为29；所述齿轮I和齿轮III的模数为2～10，优选为6；所述齿轮I和齿轮III的的齿数为45～55，优选为51，所述齿轮I和齿轮III的的螺旋角β为10～16度，优选为14度；所述齿轮I和齿轮III的的齿形角α为15～25度，优选为21度。

本发明还提供了一种同步控制方法，其特征在于，所述同步控制方法采用主从方式同步控制的技术手段，从动缸根据主动缸的位移变化及时做出响应以跟随主动缸的位移，从而达到上下同步运动的效果；所述同步控制装置对主动缸无位移控制，只将主动缸和从动缸的位移差值做为反馈环节，输入给从动缸的电液比例阀，从动缸电液比例阀及时做出动态响应跟随主动缸的位移，实现上下齿轮同步运转。

所述同步控制方法中可以使用PID控制器；所述PID控制器的PID控制参数，采用如下步骤实现：

①置调节器积分时间T_I＝∞，微分时间T_D＝0，将比例系数K_P按经验设置的初始条件下，将系统投入运行，整定比例系数K_P；若曲线振荡频繁，则加大比例系数；若曲线超调量大，且趋于非周期过程，则减小比例系数,直到求得满意的4:1过渡过程曲线；

②引入积分作用，此时增大上述比例系数K_P到原来的1.2倍；将T_I由大到小进行整定；若曲线波动较大，则应增大积分时间T_I；若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减小T_I，以取得较好的过渡过程曲线；

③引入微分作用，将其按经验值或按T_D＝(1/3-1/4)T_I设置，并由小到大加入；若曲线超调量大而衰减慢，则需增大T_D；若曲线振荡厉害，则应减小T_D；通过观察曲线调整比例系数K_P和T_I，直到求得满意的过渡过程曲线为止，即可得比例、积分、微分系数的整定值。

本发明再提供了一种用于同步控制的模糊PID控制方法，包括：模糊推理步骤和常规PID步骤；

所述模糊推理步骤，包括输入偏差变化率eC和偏差e，并输出修正参数ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；

所述模糊推理步骤，进一步包括运行中根据e和ec的变化和模糊控制规则不断修改K_p、K_i、K_d这3个参数，从而改善被控对象的动、静态性能的过程。

所述输出的参数K_p、K_i、K_d可以由公式(4)表示：

       $\left\{\begin{array}{c}{K}_p=K_p^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_p\\ K_i=K_i^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_i\\ K_d=K_d^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_d\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，K_p’、K_i’、K_d’为预整定值,ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d为修正参数。

本发明另提供了一种如前任一项所述的同步控制方法，和/或，如前任一项所述的用于同步控制的模糊PID控制方法，在如前任一项所述的同步牵引系统中的应用。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

Claims (10)

1.一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，其特征在于，所述牵引机设有主动系统；所述主动系统通过减速机带动链轮，链轮带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，实现下齿轮带动上齿轮的上下同步传动。

2.一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，其特征在于，所述牵引机设有从动系统；从动系统直接带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，然后下齿轮带动上齿轮实现上下同步传动。

3.一种同步牵引系统，包括：上辊，下辊，齿轮，齿轮轴，其特征在于，所述牵引机设有主动系统、从动系统和同步控制装置；所述主动系统通过减速机带动链轮，链轮带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，实现下齿轮带动上齿轮的上下同步传动；所述从动系统直接带动下部辊筒，下部辊筒带动下齿轮，然后下齿轮带动上齿轮实现上下同步传动；所述同步控制装置，由于同步控制所述主动系统和从动系统，确保实现上下同步传动。

4.根据权利要求1～3中任一项所述同步牵引系统，其特征在于，进一步包括：连接盘，十字连接，固定板和轴承。

5.根据权利要求1～4中任一项所述同步牵引系统，其特征在于，所述齿轮为3个；齿轮I为右旋，齿轮III为左旋，齿轮II齿数为20～40，优选为29；所述齿轮I和齿轮III的模数为2～10，优选为6；所述齿轮I和齿轮III的的齿数为45～55，优选为51，所述齿轮I和齿轮III的的螺旋角β为10～16度，优选为14度；所述齿轮I和齿轮III的的齿形角α为15～25度，优选为21度。

6.一种同步控制方法，其特征在于，所述同步控制方法采用主从方式同步控制的技术手段，从动缸根据主动缸的位移变化及时做出响应以跟随主动缸的位移，从而达到上下同步运动的效果；所述同步控制装置对主动缸无位移控制，只将主动缸和从动缸的位移差值做为反馈环节，输入给从动缸的电液比例阀，从动缸电液比例阀及时做出动态响应跟随主动缸的位移，实现上下齿轮同步运转。

7.根据权利要求6所述同步控制方法，其特征在于，所述同步控制方法中使用PID控制器；所述PID控制器的PID控制参数，采用如下步骤实现：

①置调节器积分时间T_I＝∞，微分时间T_D＝0，将比例系数K_P按经验设置的初始条件下，将系统投入运行，整定比例系数K_P；若曲线振荡频繁，则加大比例系数；若曲线超调量大，且趋于非周期过程，则减小比例系数,直到求得满意的4:1过渡过程曲线；

②引入积分作用，此时增大上述比例系数K_P到原来的1.2倍；将T_I由大到小进行整定；若曲线波动较大，则应增大积分时间T_I；若曲线偏离给定值后长时间回不来，则需减小T_I，以取得较好的过渡过程曲线；

③引入微分作用，将其按经验值或按T_D＝(1/3-1/4)T_I设置，并由小到大加入；若曲线超调量大而衰减慢，则需增大T_D；若曲线振荡厉害，则应减小T_D；通过观察曲线调整比例系数K_P和T_I，直到求得满意的过渡过程曲线为止，即可得比例、积分、微分系数的整定值。

8.一种用于同步控制的模糊PID控制方法，其特征在于，包括：模糊推理步骤和常规PID步骤；

所述模糊推理步骤，包括输入偏差变化率eC和偏差e，并输出修正参数ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；

所述模糊推理步骤，进一步包括运行中根据e和ec的变化和模糊控制规则不断修改K_p、K_i、K_d这3个参数，从而改善被控对象的动、静态性能的过程。

9.根据权利要求8所述用于同步控制的模糊PID控制方法，其特征在于，所述输出的参数K_p、K_i、K_d由公式(4)表示：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_p={K_p}^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_p\\ K_i={K_i}^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_i\\ K_d={K_d}^{\′}+\mathrm{\Δ}{K}_d\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，K_p’、K_i’、K_d’为预整定值,ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d为修正参数。

10.一种如权利要求6-7中任一项所述的同步控制方法，和/或，如权利要求8-9中任一项所述的用于同步控制的模糊PID控制方法，在如权利要求1-5中任一项所述的同步牵引系统中的应用。