CN108589009A - 一种基于模糊pid的手套机机头与橡筋电机同步控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于模糊PID的手套机机头与橡筋电机同步控制方法，包括以下步骤:1)推算出电机电磁推力与q轴电流的关系；2)确定同步运行控制器的输入量速度误差e与加速度误差ec；3)速度跟踪控制器控制电机的正常运行，根据处理器实时读取判断机头电机的编码器1、橡筋电机的编码器2的位置信息，当编码器1、编码器2测出的位置信息不对等时，同步运行控制器的输出将作为控制信号，经过D/A变换传输至变频器，再通过变频器控制电机转速，达到同步控制的目的。本发明能有效地使机头与橡筋电机位置同步，进而提高智能手套机的生产品质以及产量。

Description

一种基于模糊PID的手套机机头与橡筋电机同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种运动控制方法，尤其是一种智能手套机机头与橡筋电机的同步运动控制方法，属于运动控制领域。

背景技术

手套机是一种针织机械，用于编制各种手套，包括劳保手套、半指手套、触摸屏手套以及各种时尚流行手套等，市场需求量巨大。从最开始的链条机发展到现在的智能手套机，自动化程度越来越高，对手套编制工艺要求也越来越高。在编织罗纹部位时，通过加入橡筋线来使罗口具有弹性的功能。现有的智能手套机在编制橡筋部位时，是靠机头带住橡筋沙嘴,然后通过橡筋电机转动主动轮，从而将橡筋线输送过来，由于机头与橡筋电机的参数变化、摩擦力的不平衡和负载变动等不确定因素导致两边的运动无法达到完全一致，影响加工工件的质量，进而这将影响手套机生产手套的品质以及产量。

发明内容

为了克服现有的智能手套机机头与橡筋电机之间的同步性能较差的不足，本发明提供一种能有效地使机头与橡筋电机位置同步的方法，进而提高智能手套机的生产品质以及产量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于模糊PID的手套机机头与橡筋电机同步控制方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，确定电磁推力F_e与q轴电流I_q的关系

机头与橡筋电机均采用永磁同步电机，永磁同步电机的d-q轴模型电压方程以及磁链方程为：

其中，u_q为q轴电压，R_s为定子电阻，λ_pm为永磁体磁链，τ为极距，I_q、I_d分别表示流经q、d轴电流，λ_q、λ_d分别为磁链在q轴和d轴上的分量，L_d、L_q分别表示d、q轴上的电感；旋转电机三相绕组沿圆周基本对称，因此电磁转矩的谐波分量比较小，即I_d＝0，认为其力矩与q轴电流成正比，所以电磁推力F_e只与I_q成正比，其关系为：

其中，k_T为电磁推力系数；n_p为磁极对数；

第二步，计算同步运行控制器的输入量速度误差e与加速度误差ec

采用主从结构，把机头电机作为主电机，橡筋电机作为从电机，通过多组速度、加速度传感器测量出主电机速度V_1i、加速度a_1i，从电机的速度V_2i、加速度a_2i，选取主电机速度V_1i作为评价速度，并与从电机的实际转速V_2i比较得到差值e_i，取平均值得到速度误差e，选取主电机加速度a_1i作为评价加速度，并与从电机的实际加速度a_2i比较得到差值ec_i，取平均值得到加速度误差ec；

第三步，速度跟踪控制器控制电机的正常运行，根据处理器实时读取判断机头电机的编码器1、橡筋电机的编码器2的位置信息，当编码器1、编码器2测出的位置信息不对等时，同步运行控制器的输出将作为控制信号，经过D/A变换传输至变频器，再通过变频器控制电机转速，达到同步控制的目的。

进一步，所述第二步中，同步运行控制器是由速度同步补偿器与加速度同步补偿器组成的两输入三输出的模糊PID控制器，速度误差e和加速度误差ec为输入量，比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d为输出量，速度误差的连续取值范围为e＝[e_l，e_h]，其中e_l为低极限，e_h为高极限，e的论域为{-m，-m+1，……0，……m-1，m}，m为自然数，则

在量化因子确定后，将速度误差e转换为模糊PID控制器的输入E上：

式中round()代表取整运算，同理加速度误差的连续取值范围为ec＝[ec_l，ec_h]，其中ec_l为低极限，ec_h为高极限，e的论域为{-n，-n+1，……0，……n-1，n}，n为自然数，则

在量化因子确定后，将加速度误差ec转换为模糊PID控制器的输入EC上：

将{NB(负大),NM(负中),NS(负小),ZE(零),PS(正小),PM(正大)}作为输入变量E、EC和输出变量K_p、K_i、K_d的模糊子集；模糊规则是专家经验生成知识库作为控制规则，并且不断实验进行修正，最后得到最终规则库；根据模糊规则生成K_p、K_i、K_d模糊规则表，再经过模糊清晰化的处理得到输出K_P、K_I、K_D，从而实现对它们的动态调整。

再进一步，所述第三步中，同步运行控制器的输出将作为控制信号，q轴电流为：

因为电磁推力F_e与I_q成正比，所以通过对比例系数、积分系数和微分系数的动态调整将改变电磁推力F_e，进而改变电机转速，实现同步控制。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、机头电机与橡筋电机位置同步后，可以对手套罗口部分进行更好的调节，使编制出来的手套质量更好。

2、速度、加速度-位置偏差耦合控制器采用模糊PID控制算法，增加了系统鲁棒性。

3、模糊PID控制相比较普通PID控制，响应曲线波动更小，恢复更快，抗干扰能力更强。

附图说明

图1为同步运行控制的程序流程图；

图2为模糊PID控制器框图；

图3为基于ARM的手套机橡筋电机与机头运行控制系统构成框图；

图4为e和ec的隶属度函数；

图5为K_P、K_I、K_D的隶属度函数；

图6为K_P、K_I、K_D控制规则图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步描述。

参照图1-图6，一种基于模糊PID的手套机机头与橡筋电机同步控制方法，包括以下步骤：

第一步，求得电磁推力F_e与q轴电流I_q的关系

永磁同步电机的d-q轴模型电压方程以及磁链方程为：

其中，u_q为q轴电压，R_s为定子电阻，λ_pm为永磁体磁链，τ为极距，I_q、I_d分别表示流经q、d轴电流，λ_q、λ_d分别为磁链在q轴和d轴上的分量，L_d、L_q分别表示d、q轴上的电感，旋转电机三相绕组沿圆周基本对称，因此电磁转矩的谐波分量比较小，即I_d＝0，近似的认为其力矩与q轴电流成正比，所以电磁推力F_e只与I_q成正比，其关系为：

其中，k_T为电磁推力系数；n_p为磁极对数；

第二步，计算同步运行控制器的输入量速度误差e与加速度误差ec

采用主从结构，把机头电机作为主电机，橡筋电机作为从电机，通过多组速度、加速度传感器测量出主电机速度V_1i、加速度a_1i，从电机的速度V_2i、加速度a_2i，选取主电机速度V_1i作为评价速度，并与从电机的实际转速V_2i比较得到差值e_i，取平均值得到速度误差e，选取主电机加速度a_1i作为评价加速度，并与从电机的实际加速度a_2i比较得到差值ec_i，取平均值得到加速度误差ec；

第三步，速度跟踪控制器控制电机的正常运行，根据处理器实时读取判断机头电机的编码器1、橡筋电机的编码器2的位置信息，当编码器1、编码器2测出的位置信息不对等时，同步运行控制器的输出将作为控制信号，经过D/A变换传输至变频器，再通过变频器控制电机转速，达到同步控制的目的。

进一步，所述第二步中，同步运行控制器是由速度同步补偿器与加速度同步补偿器组成的两输入三输出的模糊PID控制器，速度误差e和加速度误差ec为输入量，比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d为输出量，速度误差的连续取值范围为e＝[e_l，e_h]，其中e_l为低极限，e_h为高极限，e的论域为{-m，-m+1，……0，……m-1，m}，m为自然数，则

在量化因子确定后，将速度误差e转换为模糊PID控制器的输入E上：

式中round()代表取整运算，同理加速度误差的连续取值范围为ec＝[ec_l，ec_h]，其中ec_l为低极限，ec_h为高极限，e的论域为{-n，-n+1，……0，……n-1，n}，n为自然数，则

在量化因子确定后，将加速度误差ec转换为模糊PID控制器的输入EC上：

将{NB(负大),NM(负中),NS(负小),ZE(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}作为输入变量E、EC和输出变量K_p、K_i、K_d的模糊子集；输入语言变量的论域为{-6，6}，输出语言变量的论域为{0，6}，其隶属度函数分别为图4和图5所示；模糊规则是专家经验生成知识库作为控制规则，并且不断实验进行修正，最后得到最终规则库；根据模糊规则生成K_p、K_i、K_d模糊规则如图6所示，再经过模糊清晰化的处理得到输出K_P、K_I、K_D，从而实现对它们的动态调整。

再进一步，所述第三步中，同步运行控制器的输出将作为控制信号，q轴电流为：

因为电磁推力F_e只与I_q成正比，所以根据模糊PID控制算法设计思想，结合手套机平台所用的微处理器，离线生成模糊控制查询表，再利用微处理器进行在线查询的方式实现比例系数、积分系数和微分系数的动态调整将改变电磁推力F_e，进而改变电机转速实现同步控制。当速度误差e较大时，为了使系统具有很好的跟踪性能，同时避免系统响应出现很大的超调，通常选取较大的K_P、较小的K_d和K_i＝0。当速度误差e中等大小时，为了使系统响应具有较小的超调，同时保证系统的响应速度，通常选取较小的K_p，K_d的值对系统影响最大，K_i取值适中。当e较小时，为使系统稳定性好，K_p和K_i取值应大一些，K_d的值取决于|ec|，它的值较大时K_d取值较小，反之K_d取值较大。

Claims (2)

1.一种基于模糊PID的手套机机头与橡筋电机同步控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步，确定电磁推力F_e与q轴电流I_q的关系

机头与橡筋电机均采用永磁同步电机，永磁同步电机的d-q轴模型电压方程以及磁链方程为：

其中，u_q为q轴电压，R_s为定子电阻，λ_pm为永磁体磁链，τ为极距，I_q、I_d分别表示流经q、d轴电流，λ_q、λ_d分别为磁链在q轴和d轴上的分量，L_d、L_q分别表示d、q轴上的电感，旋转电机三相绕组沿圆周基本对称，因此电磁转矩的谐波分量比较小，即I_d＝0，认为其力矩与q轴电流成正比，所以电磁推力F_e只与I_q成正比，其关系为：

其中，k_T为电磁推力系数；n_p为磁极对数；

第二步，求得同步运行控制器的输入量速度误差e与加速度误差ec

采用主从结构，把机头电机作为主电机，橡筋电机作为从电机，通过多组速度、加速度传感器测量出主电机速度V_1i、加速度a_1i，从电机的速度V_2i、加速度a_2i，选取主电机速度V_1i作为评价速度，并与从电机的实际转速V_2i比较得到差值e_i，取平均值得到速度误差e，选取主电机加速度a_1i作为评价加速度，并与从电机的实际加速度a_2i比较得到差值ec_i，取平均值得到加速度误差ec；

同步运行控制器是由速度同步补偿器与加速度同步补偿器组成的两输入三输出的模糊PID控制器，速度误差e和加速度误差ec为输入量，比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d为输出量，速度误差的连续取值范围为e＝[e_l，e_h]，其中e_l为低极限，e_h为高极限，e的论域为{-m，-m+1，……0，……m-1，m}，m为自然数，则

在量化因子确定后，将速度误差e转换为模糊PID控制器的输入E上：

式中round()代表取整运算，同理加速度误差的连续取值范围为ec＝[ec_l，ec_h]，其中ec_l为低极限，ec_h为高极限，e的论域为{-n，-n+1，……0，……n-1，n}，n为自然数，则

在量化因子确定后，将加速度误差ec转换为模糊PID控制器的输入EC上：

将{NB(负大),NM(负中),NS(负小),ZE(零),PS(正小),PM(正大)}作为输入变量E、EC和输出变量K_p、K_i、K_d的模糊子集，模糊规则是专家经验生成知识库作为控制规则，并且不断实验进行修正，最后得到最终规则库，根据模糊规则生成K_p、K_i、K_d模糊规则表，再经过模糊清晰化的处理得到输出K_P、K_I、K_D，从而实现对它们的动态调整；

第三步，速度跟踪控制器控制电机的正常运行，根据处理器实时读取判断机头电机的编码器1、橡筋电机的编码器2的位置信息，当编码器1、编码器2测出的位置信息不对等时，同步运行控制器的输出将作为控制信号，经过D/A变换传输至变频器，再通过变频器控制电机转速，达到同步控制的目的。

2.如权利要求1所述的基于模糊PID的手套机机头与橡筋电机同步控制方法，其特征在于，所述第三步中，同步运行控制器的输出将作为控制信号，q轴电流为：

因为电磁推力F_e只与I_q成正比，所以通过对比例系数、积分系数和微分系数的动态调整将改变电磁推力F_e，进而改变电机转速，实现同步控制。