CN105843075A - 一种工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型，所述仿真模型主要包括工字轮收线机卷绕模型和排线换向控制模型两大模块；所述工字轮收线机卷绕模型是通过对工字轮收线机的结构进行分析而建立，并通过极限逼近法模拟显示工字轮卷绕过程；所述排线换向控制模型采用均值法计算绕线平整度进而作为参考量控制排线换向点的位置；所述排线换向控制模型包括控制算法模块，并可以采用各种优质控制算法。本发明的积极效果在于为细致分析工字轮收线机排线换向控制系统的相关参数对收线精密性的影响提供了系统性的理论支撑，为机器结构和排线换向控制算法的设计与优化提供了仿真实验平台。

Description

一种工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型

技术领域

本发明涉及一种排线换向控制系统仿真模型，特别是一种工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型。

背景技术

工字轮收线机广泛地应用于线缆行业，是连续挤压、拉丝行业的重要组成部分，其收排线系统的机械结构及其控制系统的设计直接影响到收线的平整性和密集性，进而影响到线材质量和工字轮单盘容量及收线效率。然而，工字轮收线机本身是应用于对线材进行卷绕以方便存储、运输的中间工序，而不像绕线机是对电机绕组的最终精确绕制，所以现有文献对工字轮收线过程的研究并不多。而随着线缆行业的发展，对绕线过程的精益求精，使得对收线过程密集性的研究又重新成为困扰线缆行业的一大难题。

为保证在绕线过程中有足够的控制精度，研究人员通过改进绕线机的机械结构，采用更精准的电子设备，使得对绕线过程的控制精度得以进一步提升。在绕制过程中排线控制策略方面，也相继提出了较为优质的控制算法：一、基于轴向压力补偿精密排线控制算法，该算法的主体思想就是使导线轮的轴向位移稍稍落后于线材与绕线轴的交点，这样线匝在线材张紧力的作用下，会受到轴向挤压力，从而使线匝致密整齐地排列，不过该方法更适合圆形截面线材，对扁平线材等适用性较低；二、强化学习控制算法，该算法针对在工字轮两侧换向时引起的绕线凸起或凹陷现象，通过检测工字轮两侧边缘处前一层的绕线平整度，来控制本层绕线换向点的位置，用以平衡绕线过程的总体平整度，从而达到平整收线的效果。

然后上述工作都是针对工字轮收线机收线系统中某一个点进行的研究，缺乏系统性支撑，且多为实验验证，缺乏理论性依据，使得对于工字轮收线机精密收线工作的研究颇受限制。同时，机器结构与控制算法的优化实验成本较高。

有鉴于上述问题，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究，以求设计出一种工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型，能够仿真模拟工字轮收线机排线换向控制系统，为系统改造与升级提供系统性理论支撑，同时提供对应实验平台，为结构与算法的优化降低成本。经过不断的研究、设计,并经反复试作及改进后，终于得出了颇具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有对于工字轮收线机精密收线工作的研究所受限制，提出一种工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型为工字轮收线机精密收线工作的研究提供系统性理论支撑。

本发明的另一目的在于，为机器结构和排线换向控制算法的设计与优化提供了仿真实验平台，降低系统升级所需的成本。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型，所述仿真模型主要包括工字轮收线机卷绕模型和排线换向控制模型两大模块；所述工字轮收线机卷绕模型是通过对工字轮收线机的结构进行分析而建立，并通过极限逼近法模拟显示工字轮卷绕过程；所述排线换向控制模型采用均值法计算绕线平整度进而作为参考量控制排线换向点的位置；所述排线换向控制模型包括控制算法模块，并可以采用各种优质控制算法，例如PID控制算法，基于模糊PID控制算法等。

所述模型的工作流程为：

S001：由所述工字轮收线机卷绕模型通过收线速度，计算排线速度。其中，收线速度与排线速度之间的关系描述为：

$\frac{D_1}{v_g}=\frac{\mathrm{\π}(D_r+D_1)}{v_r}---\left(1\right)$

式中，v_g是导线轮轴向移动速度即排线速度，v_r是工字轮旋转线速度，D_r是工字轮卷绕直径，D₁是线材直径；

S002：由三角形相似原理及勾股定理计算线材分别与工字轮和导线轮的切点间的距离在工字轮端面上的投影距离，该投影距离表述为：

$d_m=\sqrt{{\left(\frac{(D_r+D_1)d_a}{D_r+D_g+2D_1}\right)}^2-\frac{{(D_r+D_1)}^2}{4}}+\sqrt{{\left(\frac{(D_g+D_1)d_a}{D_r+D_g+2D_1}\right)}^2-\frac{{(D_g+D_1)}^2}{4}}---\left(2\right)$

式中，d_a是工字轮轴与导向轮轴间距离，D_g是导线轮内槽直径。

S003：由已知计算结果通过极限逼近及三角形相似原理，计算卷绕过程中线材与工字轮切点的轴向位移的变化，该位移的变化表述为：

$\frac{{\mathrm{ds}}_f}{dt}=\frac{{\mathrm{ds}}_r}{dt}\·\frac{d_p}{d_m}=v_r\frac{s_g-s_f}{d_m}---\left(3\right)$

式中，s_f为线材与工字轮切点实际轴向位移，d_p为线材与导向轮切点轴向位移与线材与工字轮切点实际轴向位移之差，s_r为工字轮旋转线位移，s_g为导线轮轴向位移。

S004：通过该点的变化求出排线器往返一次作为一个周期内的绕线平整度变化，进而求出第k个周期后的实时平整度，该平整度表述为：

$fl=\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}\{\frac{{{\mathrm{\ωT}}_e}^j{D}_1}{4{\mathrm{\πl}}_e}-1\}---\left(4\right)$

式中，ω为工字轮的旋转角速度，l_e为实验选定的取样距离，可以根据实际需求来赋值，若排线器往返一次作为一个周期，为在第j个周期中线材与工字轮切点在l_e上往返所运行的时间。

S005：依据实时平整度，通过相应控制算法计算下一个周期的换向点位置。完成工字轮收线机收线精密性的实时控制。

本发明具有明显的有益效果。借由上述技术方案，本发明的工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型的优点是，为工字轮收线机精密收线工作的研究提供系统性理论支撑，为机器结构和排线换向控制算法的设计与优化提供了仿真实验平台，降低了系统升级所需的成本。在使用的实用性及成本效益上，确实完全符合产业发展所需，相当具有产业利用价值。

附图说明

图1工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型工作流程图。

图2基于模糊PID控制算法下线材卷绕平整度变化曲线图。

图中1、工字轮收线机卷绕模型；2、排线换向控制模型。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本方面的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的实验平台为MATLAB 2012，计算机主机配置：Inter(R)Core(TM)I5-3470的中央处理器，4GB内存。本实验采用华方机电科技有限公司HF-SS770A型号收线机参数，工字轮型号为WS50，所述控制算法模块采用基于模糊PID控制算法。

实施例

请参阅图1所示，本发明所提出的工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型主要包括工字轮收线机卷绕模型和排线换向控制模型两大模块；所述工字轮收线机卷绕模型是通过对工字轮收线机的结构进行分析而建立，并通过极限逼近法模拟显示工字轮卷绕过程；所述排线换向控制模型采用均值法计算绕线平整度进而作为参考量控制排线换向点的位置；所述排线换向控制模型包括控制算法模块，并可以采用各种优质控制算法，例如PID控制算法，基于模糊PID控制算法等。

所述模型的工作流程为：

S001：由所述工字轮收线机卷绕模型通过收线速度，计算排线速度。其中，收线速度与排线速度之间的关系描述为：

$\frac{D_1}{v_g}=\frac{\mathrm{\π}(D_r+D_1)}{v_r}---\left(1\right)$

式中，v_g是导线轮轴向移动速度即排线速度，v_r是工字轮旋转线速度，D_r是工字轮卷绕直径，D₁是线材直径；

S002：由三角形相似原理及勾股定理计算线材分别与工字轮和导线轮的切点间的距离在工字轮端面上的投影距离，该投影距离表述为：

$d_m=\sqrt{{\left(\frac{(D_r+D_1)d_a}{D_r+D_g+2D_1}\right)}^2-\frac{{(D_r+D_1)}^2}{4}}+\sqrt{{\left(\frac{(D_g+D_1)d_a}{D_r+D_g+2D_1}\right)}^2-\frac{{(D_g+D_1)}^2}{4}}---\left(2\right)$

式中，d_a是工字轮轴与导向轮轴间距离，D_g是导线轮内槽直径。

S003：由已知计算结果通过极限逼近及三角形相似原理，计算卷绕过程中线材与工字轮切点的轴向位移的变化，该位移的变化表述为：

$\frac{{\mathrm{ds}}_f}{dt}=\frac{{\mathrm{ds}}_r}{dt}\·\frac{d_p}{d_m}=v_r\frac{s_g-s_f}{d_m}---\left(3\right)$

式中，s_f为线材与工字轮切点实际轴向位移，d_p为线材与导向轮切点轴向位移与线材与工字轮切点实际轴向位移之差，s_r为工字轮旋转线位移，s_g为导线轮轴向位移。

S004：通过该点的变化求出排线器往返一次作为一个周期内的绕线平整度变化，进而求出第k个周期后的实时平整度，该平整度表述为：

$fl=\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}\{\frac{{{\mathrm{\ωT}}_e}^j{D}_1}{4{\mathrm{\πl}}_e}-1\}---\left(4\right)$

式中，ω为工字轮的旋转角速度，l_e为实验选定的取样距离，可以根据实际需求来赋值，若排线器往返一次作为一个周期，为在第j个周期中线材与工字轮切点在l_e上往返所运行的时间。

S005：依据实时平整度，通过模糊PID控制算法计算下一个周期的换向点位置。完成工字轮收线机收线精密性的实时控制。

在不同控制参数下的基于模糊PID控制算法的线材卷绕平整度变化曲线图如图2所示。

通过上述具体实施例，本发明的工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型，为工字轮收线机精密收线工作的研究提供系统性理论支撑，为机器结构和排线换向控制算法的设计与优化提供了仿真实验平台，降低了系统升级所需的成本。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。

Claims (3)

1.一种工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型，所述仿真模型主要包括工字轮收线机卷绕模型和排线换向控制模型两大模块；所述工字轮收线机卷绕模型是通过对工字轮收线机的结构进行分析而建立，并通过极限逼近法模拟显示工字轮卷绕过程；所述排线换向控制模型采用均值法计算绕线平整度进而作为参考量控制排线换向点的位置；所述排线换向控制模型包括控制算法模块，并可以采用各种优质控制算法。

所述模型的工作流程为：

S001：由所述工字轮收线机卷绕模型通过收线速度，计算排线速度；

S002：由三角形相似原理及勾股定理计算线材分别与工字轮和导线轮的切点间的距离在工字轮端面上的投影距离；

S003：由已知计算结果通过极限逼近及三角形相似原理，计算卷绕过程中线材与工字轮切点的轴向位移的变化；

S004：通过该点的变化求出排线器往返一次作为一个周期内的绕线平整度变化，进而求出第k个周期后的实时平整度；

S005：依据实时平整度，通过相应控制算法计算下一个周期的换向点位置。完成工字轮收线机收线精密性的实时控制。

2.根据权利要求1所述工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型，其特征在于所述工字轮收线机卷绕模型以公式(3)模拟卷绕过程中线材与工字轮切点的轴向位移s_f的变化：

$\frac{{\mathrm{ds}}_f}{dt}=\frac{{\mathrm{ds}}_r}{dt}\·\frac{d_p}{d_m}=v_r\frac{s_g-s_f}{d_m}---\left(3\right)$

式中，s_f为线材与工字轮切点实际轴向位移，d_m为线材分别与工字轮和导线轮的切点间的距离在工字轮端面上的投影距离，v_r是工字轮旋转线速度，d_p为线材与导向轮切点轴向位移与线材与工字轮切点实际轴向位移之差，s_r为工字轮旋转线位移，s_g为导线轮轴向位移。

3.根据权利要求1所述工字轮收线机排线换向控制系统仿真模型，其特征在于所述排线换向控制模型以公式(4)描述工字轮卷绕过程中实时平整度：

$fl=\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}\{\frac{{{\mathrm{\ωT}}_e}^j{D}_1}{4{\mathrm{\πl}}_e}-1\}---\left(4\right)$

式中，ω为工字轮的旋转角速度，D₁是线材直径，l_e为实验选定的取样距离，可以根据实际需求来赋值，若排线器往返一次作为一个周期，为在第j个周期中线材与工字轮切点在l_e上往返所运行的时间。