CN113671824A - 一种带式传动装置高精度位置控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带式传动装置高精度位置控制系统，其特征在于，包括直流无刷伺服电机，与直流无刷伺服电机相连的减速器，输送带的中心轴通过联轴器与直流无刷伺服电机机电连接；OPC客户端与OPC服务器相连，OPC服务器与PLC控制器相连，PLC控制器与直流无刷伺服电机相连进行实时控制。本发明在PLC控制器中实现PID算法，运用MATLAB实现了模糊运算和判定功能，并将二者通过OPC技术有机结合，实现了PID参数实时在线式的模糊自整定，提高电机在负载状态下的稳定性和精确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种带式传动装置高精度位置控制系统及方法，属于 传动控制技术领域。
背景技术
带式传动装置具有连续性强、效率高、运输量大等优点，对提高 自动化输送线的安全性、可靠性和稳定性具有重要意义，带式传动装 置的电机驱动形式和智能控制方法是目前的研究热点。
带式传动装置在负载变化下的位置精度过低，即在输送线在长期 高速连续启停时，容易因电机负载的变化而造成输送不稳定的情况， 需要对其进行优化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种带式传动装 置高精度位置控制系统及方法，以解决现有技术中带式传动装置在长 期高速连续启停工况下位置控制精度不高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明是采用下述方案实现的：
本发明提供了一种带式传动装置高精度位置控制系统，包括直流 无刷伺服电机，与直流无刷伺服电机相连的减速器，输送带的中心轴 通过联轴器与直流无刷伺服电机机电连接；OPC客户端与OPC服务 器相连，OPC服务器与PLC控制器相连，PLC控制器与直流无刷伺 服电机相连进行实时控制。
本发明还提供了一种带式传动装置，采用上述带式传动装置高精 度位置控制系统进行传动位置高精度控制。
本发明还提供了一种带式传动装置高精度位置控制系统的控制 方法，包括：采集输送带的实时带速，计算与参考带速的带速偏差e 与带速偏差率ec；输入带速偏差e与带速偏差率ec至OPC服务器和 PLC控制器；PLC控制器对带速偏差e与带速偏差率ec通过比例、积分和微分控制器进行调整，输出比例、积分和微分控制参数；OPC服 务器与OPC客户端交换数据，依据模糊控制算法，对数据进行模糊化 和模糊推理，调整PLC控制器输出的比例、积分和微分控制参数，输 出至直流无刷伺服电机，实时控制输送带带速。
优选的，所述OPC服务器与OPC客户端交换数据包括：构建OPC 服务器；创建OPC数据访问客户端对象；在OPC客户端添加item对 象；在OPC客户端添加组对象；将数据从OPC服务器导入OPC客户 端，读取和写入OPC客户端。
优选的，所述调整PLC控制器输出的比例、积分和微分控制参数 包括：在调整初期，提高比例控制作用；在调整中期，减小比例控制 作用；在调整后期，提高比例控制作用。
优选的，所述调整PLC控制器输出的比例、积分和微分控制参数 还包括：在调整初期，减小积分控制作用或者不进行积分控制；在调 整中期，积分控制参数取适中值；在调整后期，提高积分控制作用。
优选的，所述调整PLC控制器输出的比例、积分和微分控制参数 还包括：在调整初期，提高微分控制作用；在调整中期，减小微分控 制作用；在调整后期，减小微分控制作用。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、本发明在PLC控制器中实现PID算法，运用MATLAB实现了模 糊运算和判定功能，并将二者通过OPC技术有机结合，实现了PID参 数实时在线式的模糊自整定，提高电机在负载状态下的稳定性和精确 性。
2、本发明提出了一种模糊自适应PID控制算法，对带速和带速 偏差率的模糊自整定，然后从速度响应和阶跃响应角度与传统PID控 制进行了仿真对比，模糊自适应PID算法相比传统PID超调量下降 20.3％，调整时间缩短了0.004s，响应速度提升33.33％，跟踪精度提 升5％。
3、本发明还通过了带式传动装置样机，进行了算法验证实验， 实验结果表明实验数据与模糊自适应PID算法仿真数据基本一致，误 差控制在8％以内。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种带式传动装置模糊自整定PID控 制结构图；
图2是本发明实施例提供的一种无刷直流电机的工作原理图；
图3是本发明实施例提供的一种无刷直流电机等效电路图；
图4是本发明实施例提供的一种无刷直流电机的动力学模型图；
图5是本发明实施例提供的OPC在线控制结构图；
图6是本发明实施例提供的OPC客户端与OPC服务器间通讯工 作流程图；
图7是本发明实施例提供的输入变量e的隶属度函数图；
图8是本发明实施例提供的带式传动装置分在传统PID控制和模 糊PID控制算法下的速度响应对比图；
图9是本发明实施例提供的带式传动装置采用阶跃信号在传统 PID以及模糊PID控制算法下的响应效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清 楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定， 术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连 接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以 是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具 体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
带式传动装置的基本结构，包括伺服电机，联轴器，减速器，中 心轴，输送带。本发明采用无刷直流伺服电机(BLDCM)作为动力 源，将输送线由波动、低精度的输送形式提升为平稳、高精度的输送 形式。使输送线既能够满足高速连续启停的装配工艺，又能满足MATLAB(OPC客户端)与PLC的OPC通信时对电机工况的实时监 测与闭环控制。
本发明采用三相无刷直流电机，图2为无刷直流电机的工作原理 图，包括直流电源、电子换相电路、直流电机和转子位置传感器。
基于忽略电机磁路饱和、磁路损耗，以两相运行星形连接的假设， 建立直流电机模型。
无刷直流电机电压方程如下：
式中：Ua,Ub,Uc为三相定子相绕组电压(V)；ea,eb,ec为三相定子反 电动势(V)；ia,ib,ic为三相定子相绕组电流(A)；L为三相定子自感(H)； M为三相定子间的互感(H)；R为三相定子绕组的相电阻(Ω)。
无刷直流等效电路图如图3所示，无刷直流电机的电磁转矩方程 与普通直流电动机类似，其电磁转矩的数值与磁通和电流幅值成正比：
式中:ω为无刷直流电机的角速度(rad/s)。
因此，无刷直流电机的转矩可以通过调节逆变器输出方波电流的 幅值进行控制。当定子电流为方波，反电动势为梯形波，并且每半个 周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，梯形波反电动势的平 顶部分也为120°电角度，此时方波电流才能产生恒定的电磁转矩。 由于定子在任何时刻都只有两相导通，电磁功率可表示为：
Pe＝eaia+ebib+ecic
(3)
无刷直流电机的力学方程为：
式中Te是电磁转矩；TL是负载转矩；B是阻尼系数；J是电机的 转动惯量。
无刷直流电机的动力学模型如图4所示。
MATLAB(OPC客户端)、MCGS(OPC服务器)之间通过OPC 实现数据交换。通过MATLAB(OPC客户端)实现数据计算处理， 并与MCGS(OPC服务器)中的参数进行通讯连接，实现系统的仿 真并且能够监控系统的实时状态，适用于无刷直流伺服电机这种工作 状况复杂且运行工况实时变化的设备。MCGS(OPC服务器)组态软 件提供了标准的OPC接口，既能够充当OPC客户端来兼容其他OPC 技术的软件访问MCGS(OPC服务器)中的数据，也能够作为OPC 服务器读取其他软件中的数据，实现数据交互。图5为OPC在线控 制结构图，这里将MCGS(OPC服务器)作为OPC服务器，与作为 OPC客户端的MATLAB(OPC客户端)相连。
MATLAB(OPC客户端)中集成了一个OPC客户端数据访问工 具箱——OPC Toolbox，通过它可以连接任意OPC服务器，并将OPC 服务器中的数据导入到Simulink(OPC客户端)中，对该服务器进行 数据的读写。以MATLAB(OPC客户端)中的OPC Toolbox模型为 参考，建立如图6所示的MCGS(OPC服务器)与MATLAB/Simulink (OPC客户端)间OPC通讯工作流程图。
模糊控制是一种运用语言变量和模糊集合理论的智能控制方法， 不需要精确的数学建模，根据经验和数据总结出语言控制规则，就能 够对不确定性以及非线性时滞特征对象进行控制。
本发明提供的是一个二维结构模糊控制系统，如图1所示，输入 变量为偏差e和偏差变化率ec,在PLC中通过编程实现传统PID算法， 将经过模糊控制表调整的PID参数修正△KP、△KI、△KD通过OPC 输入到PLC控制器中，在下位机中与传统PID的参数求和，得出的实际参数作为输出变量。该系统实现了利用模糊逻辑对PID参数KP、 KI、KD进行在线自整定。
PLC控制器依据给定值与实际值之间的差值进行调整，偏差值分 别经过比例，积分和微分控制器控制后，再经过求和计算输出正确值。 PID控制的结构为：
式中：KP、TI和TD分别是比例系数、微分时间常数和积分时间 常数，u(t)是PID控制器的输出信号，e(t)是给定值r(t)与实际测量值 的差值。
在现代化数字系统中，PID算法是可以通过在PLC控制器中通 过编写程序来实现的。但是PLC控制器的中断和运算都是存在相应 周期的，采集到的样本信号是不能够做到完全连续的。因此在这种工 业自动化控制背景下，必须对上述等式进行离散化处理。
因为PLC控制器的采样周期是可以控制在100ms以内的，所以 可以将“积分”用“求和”等效替代，微分可以通过差商计算，同时 引入中断周期Tt，将连续的PID算法改善为适用于PLC控制的离散 化差分方程，即
采用增量式算法：
Au(t)＝u(t)-u(t-1) (7)
Δu(t)＝KP[e(t)-e(t-1)]+KIe(k)+ KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
(8)
其中
增量式算法控制只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时， 对控制量计算的影响较小。
将带速偏差e与偏差率ec作为控制系统的输入，得到以下等式
e(k)＝v0(k)-v(k) (9)
ec(k)＝e(k)-e(k-1) (10)
式中：v0(k)是参考带速，v(k)是实时带速
通过式(9)和式(10)即可实现二维模糊控制，由模糊算法调 整KP、KI、KD，可得
式中：KP0、KI0、KD0为PLC输出的初始值；△KP、△KI、△KD为上位机模糊化输出值。
将输入的带速偏差e、偏差率ec和输出的△KP、△KI、△KD参 数的论域为[-6，+6]，将输入输出变量在模糊论域上划分为7个模糊子 集，即负大(NB)、负中(NM)、复小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、 正中(PM)、正大(PB)。输入输出变量均选用相同的三角形隶属度 函数，如图7所示，选取输入变量e的隶属度函数为特征进行分析， 其余变量的隶属度函数与之相同。
模糊控制器的性能取决于误差和控制量系数，因此选择合适的误 差和控制量的大小非常重要。当误差相对较大时，通过修正控制量， 使误差迅速降低以满足需求；当误差相对较小时，主要需要考虑的对 象是系统的稳定性，在消除静差的同时要避免系统产生超调和震荡。
在PID控制器中，KP的选取决定系统的响应速度、增大KP以提 高响应速度，减小稳态误差；但是KP过大会产生较大的超调，使系 统不稳定。减小KP降低超调，提高系统稳定性；但KP过小会降低响 应速度，使响应时间延长。所以，在调节初期可选取较大的KP值来 提高响应速度；在调节中期，降低KP值来降低超调并确保一定的响 应速度；在调节后期，将KP值调大以减小静差并提高控制精度。综 合以上分析，建立△KP的模糊控制规则表:
表1△KP模糊控制规则表
在系统控制中，积分控制来消除系统的稳态误差。由于饱和非线 性等原因，在调节过程的初期会产生积分饱和，从而产生较大的超调。 因此在调节的初期，积分作用可以弱一些，甚至可以取零；在调节中
表2△KI模糊控制规则表
系统的微分环节能反映信号变化的趋势，并在误差信号变化过大 之前，向系统中引入一个有效的修正信号，以加快响应速度，降低调 整时间，消除震荡。最终改变系统的动态性能。因此，在调节初期， 加大微分作用，以获得较小的超调；在调节中期，应适当减小微分作 用以稳定调节特性；在调节后期，应减小微分作用以减小被控过程中 的制动作用。综合以上分析，建立△KD的模糊控制规则表:
表3△KD模糊控制规则表
除此之外，本发明还提供了带式传动装置高精度位置控制系统及方法的仿 真分析数据，图8所示是带式传动装置分别使用传统PID控制和模糊PID控制 算法下的速度响应对比图。设定输送带的速度为1m/s，从图中可以看出，传统 PID控制下的带式传动装置在启动时具有较大的超调，其上升时间约为0.005s， 调节时间约为0.009s，超调量约为21.4％；模糊PID控制下输送带速度的上升时 间约为0.004s,调节时间约为0.005s，超调量仅有约1.1％。输送带平稳运行后在 传统PID控制下速度仍在一定范围内波动，且波动一直存在。模糊PID控制与 传统PID控制相比不仅可以较快的达到设定的速度，而且更加稳定。
图9所示为系统采用阶跃信号在传统PID以及模糊PID控制算法下的响应 效果对比图，为满足带式传动机构高频率启停的工况，将带速依次设定为6、2、 4、0。从图中可以看出，传统PID控制下的带式传动装置响应时间约为0.006s， 且稳定达到设定值前具有约5.13％的超调。由此可见普通PID控制并不能达到 理想的精度；在相同参数条件下，本文设计的模糊PID控制算法相比于传统PID 算法，响应时间约为0.004s，响应速提升了33.33％，且基本无超调，对设定值 的跟踪精度提升约5％。
通过以上对比分析可知，模糊自适应PID控制既具有传统PID 的控制精度高的特点，又能够发挥模糊控制鲁棒性强、控制灵活的特 点。运用基于模糊自适应PID算法控制的带式传动装置响应快、超调 较小、调节时间短且干扰能力较强，其性能与传统PID算法相比具有 一定优势。
此外，为了验证本发明所提供的模糊自适应PID对带式传动装置 的控制效果，研制了基于OPC通信的汽车制动盘装配输送线，输送 机参数如表4所示。带式传动装置配备三菱FX-5U64MT/ES作为下 位机，MATLAB作为上位机，使用无刷直流伺服电机作为该系统的动力源，皮质传送带作为负载平台。
表4带式传动装置参数
实验时，通过PLC控制器输出的脉冲频率实现对电机运行速度 的控制。无刷直流伺服电机的转速、转矩和电流由编码器、转矩传感 器等测得，输送带的速度由霍尔传感器测得。通过三菱 FX-5U64MT/ES PLC实时采集数据，并在与上位机间建立OPC通信 后进行数据的交互和控制命令的收发，PLC根据内部的程序直接对相 应的设备进行控制。
算法验证实验模拟汽车制动盘轴孔装配工位工况，要求连续启停 时仍保持较高的定位精度和系统稳定性。在接触到输送机末端光电传 感器后，输送带停止，进行制动盘的夹取、装配。
进行了给定带速为1m/s的算法验证试验，测得的实验数据与模 糊自适应PID算法仿真数据对比，启动时输送带在伺服电机的带动下 速度稳步上升，在5s左右趋于稳定，期间并无明显波动，且实验值 与理想值的偏差保持在8％以内。表明模糊自适应PID控制能提高输 送带在运送物料时的稳定性，体现了良好的动态性能。再采用阶跃信 号对系统展开实验，将带速依次设定为6、2、4、0m/s，并与仿真时 的阶跃信号进行对比，模糊自适应PID算法在仿真和实验时都具有较 快的响应速度和较小的波动，能够有效的跟踪设定的阶跃信号，且实 验值与仿真值的误差在5％以内,表明所研究的模糊自适应PID控制能 提高带式传动装置在高速启停工况下的位置精度和系统稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种带式传动装置高精度位置控制系统，其特征在于，包括直流无刷伺服电机，与直流无刷伺服电机相连的减速器，输送带的中心轴通过联轴器与直流无刷伺服电机机电连接；
OPC客户端与OPC服务器相连，OPC服务器与PLC控制器相连，PLC控制器与直流无刷伺服电机相连进行实时控制。
2.一种带式传动装置，其特征在于，采用权利要求1所述的带式传动装置高精度位置控制系统进行传动位置高精度控制。
3.一种权利要求1所述的带式传动装置高精度位置控制系统的控制方法，其特征在于，包括：
采集输送带的实时带速，计算与参考带速的带速偏差e与带速偏差率ec；
输入带速偏差e与带速偏差率ec至OPC服务器和PLC控制器；
PLC控制器对带速偏差e与带速偏差率ec通过比例、积分和微分控制器进行调整，输出比例、积分和微分控制参数；
OPC服务器与OPC客户端交换数据，依据模糊控制算法，对数据进行模糊化和模糊推理，调整PLC控制器输出的比例、积分和微分控制参数，输出至直流无刷伺服电机，实时控制输送带带速。
4.根据权利要求3所述的带式传动装置高精度位置控制系统的控制方法，其特征在于，所述OPC服务器与OPC客户端交换数据包括：
构建OPC服务器；
创建OPC数据访问客户端对象；
在OPC客户端添加item对象；
在OPC客户端添加组对象；
将数据从OPC服务器导入OPC客户端，读取和写入OPC客户端。
5.根据权利要求3所述的带式传动装置高精度位置控制系统的控制方法，其特征在于，所述调整PLC控制器输出的比例、积分和微分控制参数包括：
在调整初期，提高比例控制作用；
在调整中期，减小比例控制作用；
在调整后期，提高比例控制作用。
6.根据权利要求3所述的带式传动装置高精度位置控制系统的控制方法，其特征在于，所述调整PLC控制器输出的比例、积分和微分控制参数还包括：
在调整初期，减小积分控制作用或者不进行积分控制；
在调整中期，积分控制参数取适中值；
在调整后期，提高积分控制作用。
7.根据权利要求3所述的带式传动装置高精度位置控制系统的控制方法，其特征在于，所述调整PLC控制器输出的比例、积分和微分控制参数还包括：
在调整初期，提高微分控制作用；
在调整中期，减小微分控制作用；
在调整后期，减小微分控制作用。
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Cited By (1)
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| CN115488991A (zh) * | 2022-11-02 | 2022-12-20 | 广州极东机械有限公司 | 一种封边机的闭环控制系统及其控制方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20211119 |