CN106185412A - 卷材收卷自动纠偏控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卷材收卷自动纠偏控制系统及方法，所述的机架上设有检测卷材边缘位置的位置传感器与检测支撑平台位移的位移传感器，位置传感器、位移传感器的输出信号连接纠偏控制器，所述纠偏控制器的输出控制信号连接纠偏执行机构，所述纠偏执行机构为气动调节机构，通过气缸调节支撑平台左右位置实现纠偏。本发明的卷材收卷自动纠偏控制系统及方法可简单、安全、有效的实现纠偏目的。

Description

卷材收卷自动纠偏控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种卷材收卷自动纠偏控制系统，尤其涉及一种应用于触摸屏卷材的自动纠偏控制系统，本发明还涉及一种卷材收卷自动纠偏控制方法。
背景技术
触摸屏薄膜卷材在收放料过程中，卷材跑偏是很普遍的现象。所谓卷材跑偏是指卷材在运行过程中由于受到各种干扰力的作用，不能保持直线运行而使其幅宽中心线偏离基准中心线，导致材料的蛇形跑偏。产生跑偏有诸多原因，如传动辊之间的轴线不平行、传动辊表面不呈圆柱形、传动辊两端的直径差异、机械部件的震动以及各部件速度和张力的变化失调等。因此，自动纠偏控制对象具有一定的复杂性，存在多种不确定因素和难以确切描述的非线性等特性，采用常用的控制方法，难以实现具有较高精度和较好适应性的控制效果。
在触摸屏卷材的自动纠偏控制系统中纠偏执行机构是重要组成部分。常见的有电液伺服控制纠偏执行器、直流伺服电机控制纠偏执行器等。其中，电液伺服控制响应快，控制精度高，但系统成本高。直流伺服电机控制运行平稳，响应较快，但需滚珠丝杠等中间传动机构将旋转运动转换为直线运动，对控制精度有一定的影响。
发明内容
本发明的目的一是提供一种卷材收卷自动纠偏控制系统，可有效的实现纠偏目的。
本发明的目的二是提供一种卷材收卷自动纠偏控制方法，可有效的实现纠偏目的。
为实现上述目的一，本发明提供一种卷材收卷自动纠偏控制系统，包括机架，所述的机架上设有检测卷材边缘位置的位置传感器，位置传感器的输出信号连接纠偏控制器，所述纠偏控制器的输出控制信号连接纠偏执行机构，所述纠偏执行机构包括支撑平台，所述纠偏执行机构为气动调节机构，通过气缸调节支撑平台左右位置实现纠偏。
所述支撑平台旁设有位移传感器，位移传感器的输出信号连接纠偏控制器。
所述纠偏执行机构还包括气源、第一电气比例减压阀、第二电气比例减压阀，与第一电气比例减压阀连接的第一柱塞缸，与第二电气比例减压阀连接的第二柱塞缸，其中，所述气源分别与第一电气比例减压阀、第二电气比例减压阀连接，所述的第一柱塞缸、第二柱塞缸与支撑平台联动。
所述支撑平台上固定有收料筒组件，与收料筒组件连接的电机减速装置，并且支撑平台沿着固定导轨滑动。
所述位置传感器为超声波传感器，通过支架固定于支撑平台上。
为实现上述目的二，本发明提供一种卷材收卷自动纠偏控制方法，通过将所述位置传感器检测的卷材跑偏位移信号和位移传感器检测的支撑平台的位移信号传给纠偏控制器。
所述纠偏控制器给纠偏执行机构控制信号，所述纠偏执行机构通过控制气缸调节支撑平台的左右位置，使薄膜卷材在短时间内恢复到设定位置。
所述纠偏控制器的控制信号是由包括模糊PID控制器，以及与模糊PID控制器连接的变化率运算单元完成。
所述模糊PID控制器的运算由包括模糊化单元，与模糊化单元连接的模糊化推理单元，与模糊化推理单元连接的清晰化单元，与清晰化单元连接的PID控制器信号传递完成。
所述纠偏控制器中模糊推理过程采用Madamni推理法，模糊子集选择负大NB，负中NM，负小NS，零Z，正小PS、正中PM，正大PB七个语言变量，其中模糊子集NB采用钟形隶属度函数，PB采用高斯型隶属度函数，其他模糊子集均采用三角形隶属度函数并采用面积重心法进行模糊量的清晰化方法计算。
卷材收卷自动纠偏控制的设定值即位置传感器检测的薄膜卷材边缘跑偏位移与位移传感器检测的支撑平台的位移的差值e和e的变化率c经过模糊化、模糊推理、清晰化得到的模糊控制输出量Δkp、Δki、Δkd，通过参数自整定公式可得到PID控制器的增益，参数自整定公式表达式为：
K p = K p 0 + K u Δk p K i = K i 0 + K u Δk i K d = K d 0 + K u Δk d
式中，Kp0、、Ki0、Kd0为PID控制器的初始值，Ku为模糊控制的比例因子；
系统控制律为：
ΔUcn＝Ucn-Ucn-1＝Kp(en-en-1)+Kien+Kd(en-2en-1+en-2)
U1n＝U10-Ucn
U2n＝U20+Ucn
式中，U1、U2分别为第一电气比例阀、第二电气比例阀的控制电压；U10、U20分别为第一电气比例阀、第二电气比例阀的偏置电压。
所述Δkp、Δki、Δkd的模糊控制规则为：
与现有技术相比，本发明的卷材收卷自动纠偏控制系统及方法的有益效果如下：
(1)本发明采用模糊PID控制结构和算法及电气比例控制纠偏执行机构，可有效的实现纠偏目的。模糊PID控制结构和算法控制结构简单，算法易于实现，鲁棒性强，控制精度高；电气比例阀、柱塞缸等气动元件构成的电气比例纠偏机构，结构简单、成本低廉，洁净环保，控制精度可满足一般工程要求。
(2)本发明采用超声波传感器，适用于透明的触摸屏薄膜卷材的跑偏位移检测，不受环境光影响，检测精度高。
(3)本发明采用双柱塞缸驱动支撑平台，质量小，容腔小，对系统的响应速度和稳态控制精度影响较小。
附图说明
图1为薄膜卷材的收放料示意图。
图2为卷材收卷自动纠偏控制系统及方法的方框图。
图3为卷材收卷自动纠偏控制方法的结构方框图。
图4为卷材收卷自动纠偏控制系统示意图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图1、图2、图3、图4，本发明提供一种卷材收卷自动纠偏控制系统包括机架1，所述的机架1上设有检测卷材边缘位置的位置传感器7与检测支撑平台12位移的位移传感器9，位置传感器7、位移传感器9的输出信号连接纠偏控制器3，所述纠偏控制器3的输出控制信号连接纠偏执行机构20，所述纠偏执行机构20包括支撑平台12，所述纠偏执行机构20为气动调节机构，通过气缸调节支撑平台12左右位置实现纠偏。
所述纠偏执行机构20还包括气源14、第一电气比例减压阀22、第二电气比例减压阀2，与第一电气比例减压阀22连接的第一柱塞缸10，与第二电气比例减压阀2连接的第二柱塞缸4，其中，所述气源14分别与第一电气比例减压阀22、第二电气比例减压阀2连接，所述的第一柱塞缸10、第二柱塞缸4与支撑平台12联动。
所述支撑平台12上固定有收料筒组件8，与收料筒组件8连接的电机减速装置5，并且支撑平台12沿着固定导轨11滑动。
所述位移传感器9设于支撑平台12旁。所述位置传感器7可以采用光电传感器、超声波传感器等可以检测薄膜边缘位置的传感器，但当薄膜为透明材料时，位置传感器7以采用超声波传感器为佳，本实施例中，位置传感器7通过支架6固定于支撑平台12上。
所述纠偏控制器3包括模糊PID控制器15，所述模糊PID控制器15包括模糊化单元16，与模糊化单元16连接的模糊化推理单元17，与模糊化推理单元17连接的清晰化单元18，与清晰化单元18连接的PID控制器19。所述纠偏控制器3还包括与模糊PID控制器15连接的变化率运算单元21。
本发明还提供一种卷材收卷自动纠偏控制方法，通过将所述位置传感器7检测的卷材跑偏位移信号和位移传感器9检测的支撑平台12的位移信号传给纠偏控制器3。
所述纠偏控制器3利用模糊控制算法与PID控制器，给纠偏执行机构20控制信号，使薄膜卷材在短时间内恢复到设定位置。
所述纠偏控制器3中模糊推理过程采用Madamni推理法，模糊子集选择负大NB，负中NM，负小NS，零Z，正小PS、正中PM，正大PB七个语言变量，其中模糊子集NB采用钟形隶属度函数，PB采用高斯型隶属度函数，其他模糊子集均采用三角形隶属度函数并采用面积重心法进行模糊量的清晰化方法计算。
卷材收卷自动纠偏控制的设定值即位置传感器7检测的薄膜卷材边缘跑偏位移与位移传感器9检测的支撑平台12的位移的差值e和e的变化率c经过模糊化、模糊推理、清晰化得到的模糊控制输出量Δkp、Δki、Δkd，通过参数自整定公式可得到PID控制器的增益，参数自整定公式表达式为：
K p = K p 0 + K u Δk p K i = K i 0 + K u Δk i K d = K d 0 + K u Δk d
式中，Kp0、、Ki0、Kd0为PID控制器的初始值，Ku为模糊控制的比例因子；
系统控制律为：
ΔUcn＝Ucn-Ucn-1＝Kp(en-en-1)+Kien+Kd(en-2en-1+en-2)
U1n＝U10-Ucn
U2n＝U20+Ucn
式中，U1、U2分别为第一电气比例阀22、第二电气比例阀2的控制电压；U10、U20分别为第一电气比例阀22、第二电气比例阀2的偏置电压。
所述Δkp、Δki、Δkd的模糊控制规则为：
本实施例的工作原理如下：当薄膜卷材13的一测边缘产生向左侧跑偏位移时，位置传感器7将跑偏位移转换成电压信号送入纠偏传感器3，纠偏控制器3将跑偏位移信号作为其输入的设定信号，与位移传感器9测得支撑平台12的位移信号进行比较，经控制运算后输出控制电压，分别使电气比例减压阀1输入信号减小和电气比例减压阀2的输入信号增大，支撑平台12在柱塞式气缸4和柱塞式气缸10的压差作用下向左移动，使薄膜卷材13的跑偏位移减小直至为零。
当薄膜卷材13的边缘产生向右侧跑偏位移时，调节原理同上；区别在于：经控制运算后输出控制电压，分别使电气比例减压阀1输入信号增大和电气比例减压阀2的输入信号减小，支撑平台12在柱塞式气缸4和柱塞式气缸10的压差作用下向右移动，使薄膜卷材13的跑偏位移减小直至为零。
实验过程如下：
1、薄膜卷材13(Film)尺寸规格：
a、宽度：550mm；b、膜厚：200um；c、每卷外径：500mm；d、每卷内径：80mm；
2、取样十卷薄膜卷材13，测试经输送、老化烘烤、卷收后(即：从卷放料到卷收料成卷后)的偏移量。偏移技术指标为不超过1mm。
3、实际量测的偏移数据如下：
说明：
薄膜卷材13输送方向为从左到右。收卷后量测每卷边界的偏移量。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (10)

1.一种卷材收卷自动纠偏控制系统，包括机架(1)，其特征在于：所述的机架(1)上设有检测卷材边缘位置的位置传感器(7)，位置传感器(7)的输出信号连接纠偏控制器(3)，所述纠偏控制器(3)的输出控制信号连接纠偏执行机构(20)，所述纠偏执行机构(20)包括支撑平台(12)，所述纠偏执行机构(20)为气动调节机构，通过气缸调节支撑平台(12)左右位置实现纠偏。
2.如权利要求1所述的卷材收卷自动纠偏控制系统，其特征在于：所述支撑平台(12)旁设有位移传感器(9)，位移传感器(9)的输出信号连接纠偏控制器(3)。
3.如权利要求1所述的卷材收卷自动纠偏控制系统，其特征在于：所述纠偏执行机构(20)还包括气源(14)、第一电气比例减压阀(22)、第二电气比例减压阀(2)，与第一电气比例减压阀(22)连接的第一柱塞缸(10)，与第二电气比例减压阀(2)连接的第二柱塞缸(4)，其中，所述气源(14)分别与第一电气比例减压阀(22)、第二电气比例减压阀(2)连接，所述的第一柱塞缸(10)、第二柱塞缸(4)与支撑平台(12)联动。
4.如权利要求1所述的卷材收卷自动纠偏控制系统，其特征在于：所述支撑平台(12)上固定有收料筒组件(8)，与收料筒组件(8)连接的电机减速装置(5)，并且支撑平台(12)沿着固定导轨(11)滑动。
5.如权利要求1所述的卷材收卷自动纠偏控制系统，其特征在于：所述位置传感器(7)为超声波传感器，通过支架(6)固定于支撑平台(12)上。
6.一种卷材收卷自动纠偏控制方法，其特征在于：
通过将所述位置传感器(7)检测的卷材跑偏位移信号和位移传感器(9)检测的支撑平台(12)的位移信号传给纠偏控制器(3)；
所述纠偏控制器(3)给纠偏执行机构(20)控制信号，所述纠偏执行机构(20)通过控制气缸调节支撑平台(12)的左右位置，使薄膜卷材在短时间内恢复到设定位置。
7.如权利要求6所述的卷材收卷自动纠偏控制方法，其特征在于：所述纠偏控制器(3)的控制信号是由包括模糊PID控制器(15)，以及与模糊PID控制器(15)连接的变化率运算单元(21)完成。
8.如权利要求7所述的卷材收卷自动纠偏控制方法，其特征在于：所述模糊PID控制器(15)的运算由包括模糊化单元(16)，与模糊化单元(16)连接的模糊化推理单元(17)，与模糊化推理单元(17)连接的清晰化单元(18)，与清晰化单元(18)连接的PID控制器(19)信号传递完成。
9.如权利要求6所述的卷材收卷自动纠偏控制方法，其特征在于：所述纠偏控制器(3)中模糊推理过程采用Madamni推理法，模糊子集选择负大NB，负中NM，负小NS，零Z，正小PS、正中PM，正大PB七个语言变量，其中模糊子集NB采用钟形隶属度函数，PB采用高斯型隶属度函数，其他模糊子集均采用三角形隶属度函数并采用面积重心法进行模糊量的清晰化方法计算；
卷材收卷自动纠偏控制的设定值即位置传感器(7)检测的薄膜卷材边缘跑偏位移与位移传感器(9)检测的支撑平台(12)的位移的差值e和e的变化率c经过模糊化、模糊推理、清晰化得到的模糊控制输出量Δkp、Δki、Δkd，通过参数自整定公式可得到PID控制器的增益，参数自整定公式表达式为：
K p = K p 0 + K u Δk p K i = K i 0 + K u Δk i K d = K d 0 + K u Δk d
式中，Kp0、、Ki0、Kd0为PID控制器的初始值，Ku为模糊控制的比例因子；
系统控制律为：
ΔUcn＝Ucn-Ucn-1＝Kp(en-en-1)+Kien+Kd(en-2en-1+en-2)
U1n＝U10-Ucn
U2n＝U20+Ucn
式中，U1、U2分别为第一电气比例阀(22)、第二电气比例阀(2)的控制电压；U10、U20分别为第一电气比例阀(22)、第二电气比例阀(2)的偏置电压。
10.如权利要求9所述的卷材收卷自动纠偏控制方法，其特征在于：所述Δkp、Δki、Δkd的模糊控制规则为：
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