CN116679551B - 基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化控制领域，具体涉及基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法，包括：获取排线轴的速度变化数据和张力数据；依据模糊控制获得PID参数的调整量；利用排线轴本身速度变化关系，确定PID参数调整量的改正系数，进而确定最终PID参数调整量；进而实现排线轴速度自动控制。本发明利用排线轴本身速度变化与速度调整关系，对PID参数调整量进行改正，提高排线轴速度调整的准确性，同时加快调整响应速度，快速完成排线轴速度的调整；利用连续两次调整分析了排线轴速度本身变化对速度调整的影响，避免对排线本身速度变化对调整响应的影响，提高调整效果反馈的准确性。

Description

基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，具体涉及基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法。

背景技术

绕线机是电子元器件生产过程中不可缺少的设备之一，其作用是将导线或细线绕在轴上以形成电子元器件的线圈，绕线机的排线效果受排线轴速度的影响，所以对于排线轴速度的控制尤为重要。近年来越来越多的研究者开始探索基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制技术。该技术的核心思想是在绕线机上安装编码器，实时测量排线轴的转速，并通过反馈控制系统对绕线机进行调节，从而实现自动化控制，其重点为设计合适的反馈控制算法和控制系统来实现准确的轴速度控制。

对于绕线机排线轴速度的智能控制，常见利用模糊PID进行速度的调整。一般模糊PID控制主要利用模糊控制确定PID参数的调整量，其确定过程依据速度偏差与偏差的变化率，但是在实际中排线轴本身速度会发生变化，从而影响了速度调整效果，同时排线轴本身速度的变化导致速度调整过程中，对其调整效果的反馈产生影响，从而导致速度调整不能很好的向目标速度接近，所以常规方法无法准确对排线轴速度进行调整。

发明内容

本发明提供基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法，以解决现有的问题。

本发明的基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法采用如下技术方案：

本发明一个实施例提供了基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法，该方法包括以下步骤：

获取排线轴的速度变化数据和排线轴张力数据；

依据模糊控制获得PID参数的调整量；

根据排线轴本身速度变化数据确定PID参数调整量的影响系数；根据排线轴张力数据对排线轴速度变化数据的影响，获取调整过程排线轴的速度变化；根据PID参数调整量的影响系数和调整过程排线轴的速度变化确定PID参数调整量的改正系数；根据PID参数调整量的改正系数和PID参数的调整量确定最终的PID所有参数的调整量；

根据最终PID所有参数的调整量确定PID控制的所有参数，进而利用PID控制器对排线轴的速度进行实时控制。

优选的，所述依据模糊控制获得PID参数的调整量，包括的具体步骤如下：

在控制系统中输入实际速度与目标速度的偏差和速度偏差变化率/>，获得PID控制器的参数/>，/>，/>的调整量/>，/>，/>。

优选的，所述根据排线轴本身速度变化数据确定PID参数调整量的影响系数，包括的具体步骤如下：

具体的，PID参数调整量的影响系数为：

式中，表示第t次调整过程PID参数调整量的影响系数；/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴速度本身变化值；/>表示第t次调整过程获得速度偏差相对于t-1次调整过程的速度偏差的差异；/>表示/>与t-1次调整过程速度调整的符号一致；表示/>与t-1次调整过程速度调整的符号相反。

优选的，所述根据排线轴张力数据对排线轴速度变化数据的影响，获取调整过程排线轴的速度变化，包括的具体步骤如下：

具体根据张力变化方向，当，表示张力增大时，获得第t次调整过程中排线轴的速度变化为：

式中，表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴的速度变化；/>表示第次调整过程张力与第/>次调整过程对应张力的差异；/>表示张力增大时；/>表示第/>次调整过程采集的张力；/>表示第/>次调整过程张力增大程度；/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程对应排线轴本身速度的变化量；

当，表示张力减小时，获得第t次调整过程中排线轴的速度变化为：

式中，表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴的速度变化；/>表示第次调整过程张力与第/>次调整过程对应张力的差异；/>表示张力减小时；/>表示第/>次调整过程采集的张力；/>表示第/>次调整过程张力减小程度；/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程对应排线轴本身速度的变化量。

优选的，所述根据PID参数调整量的影响系数和调整过程排线轴的速度变化确定PID参数调整量的改正系数,包括的具体步骤如下：

PID参数调整量的改正系数为：

式中，表示第/>次调整过程对应的PID参数调整量的改正系数；/>表示第/>次调整过程排线轴速度变化对PID参数的影响系数；/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴本身速度变化；/>表示第/>次调整过程所采集的排线轴速度变化率。

优选的，所述根据PID参数调整量的改正系数和PID参数的调整量确定最终的PID所有参数的调整量，包括的具体步骤如下：

依据模糊控制获得PID参数的调整量分别为，/>，/>，则根据PID参数调整量的改正系数得到最终的PID的比例调节系数为：

式中，表示最终的PID参数中的比例调节系数调整量；/>表示模糊PID控制中比例调节因子的初始值；/>表示第/>次调整过程对应的PID参数调整量的改正系数；

同理，获得最终的PID参数中的积分时间常数调整量和最终的PID参数中的微分时间常数调整量。

优选的，所述根据最终PID所有参数的调整量确定PID控制的所有参数，进而利用PID控制器对排线轴的速度进行实时控制，包括的具体步骤如下：

根据获取最终PID所有参数的调整量确定PID控制的所有参数，进而利用PID控制器对排线轴的速度进行实时控制，使得排线轴实际速度满足目标速度需求，从而实现绕线机的自动控制。

本发明的技术方案的有益效果是：

（1）利用排线轴本身速度变化与速度调整关系，对PID参数调整量进行改正，提高排线轴速度调整的准确性，同时加快调整响应速度，快速完成排线轴速度的调整。

（2）利用连续两次调整分析了排线轴速度本身变化对速度调整的影响，避免对排线本身速度变化对调整响应的影响，提高调整效果反馈的准确性；同时根据排线轴本身速度变化与速度调整量之间的方向关系，避免排线轴本身速度变化对实际调整效果的影响，从而提高速度调整的准确性。

（3）考虑排线轴张力对排线轴速度的影响，确定排线轴实时变化关系，减弱排线轴速度实时调整过程中其本身速度变化的影响，从而提高排线轴速度调整的实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S001：获取排线轴的速度变化数据和张力数据。

1.获取排线轴的速度变化数据。

需要说明的是，对于绕线机排线轴速度的控制，主要根据实际速度相对于目标速度的偏差，进行控制速度的调整，所以首先需要获得排线轴的实际速度。

具体的，直接在绕线机上安装编码器，实时测量排线轴的转速，然后将所获得实际速度传输到反馈控制系统，对其分析确定速度调整量。其中设置速度采集的采样间隔为1秒。

2.获取排线轴的张力数据。

具体的，在绕线机的张力轮与放线轮之间安装一个力传感器，利用传感器测量张力轮上的张力值。

至此，获得排线轴的速度变化数据和张力数据。

步骤S002：依据模糊控制获得PID参数的调整量。

需要说明的是，对于排线轴速度的控制主要根据排线轴实际速度与所设置的目标速度之间的差异，对实际速度进行调整，使得实际速度达到目标速度。一般常常利用模糊PID确定速度的调整量。

具体的，模糊 PID 控制在传统 PID 控制器上加入模糊控制算法，利用实际速度与目标速度的偏差和速度偏差变化率/>对PID控制器参数进行调整，即在控制系统中输入变量/>和/>，获得PID控制器的参数/>，/>，/>的调整量/>，/>，/>。然后利用PID控制其对排线轴速度进行调整。

至此，依据模糊控制获得PID控制器的参数，/>，/>的调整量/>，/>，/>。

步骤S003：利用排线轴本身速度变化关系，确定PID参数调整量的改正系数，进而确定最终PID参数调整量。

需要说明的是，根据模糊控制获得PID参数的调整量，在调整量的获得过程依据速度偏差和依据速度偏差变化率，在调整过程中实际速度不断变化，也会导致速度偏差不断变化。对于排线轴的速度在实际工作过程中本身是具有变化特征的，所以实际速度偏差的变化不仅来自于调整过程中，同时来源于其本身变化，所以排线轴速度本身变化，会导致所采集速度变化，无法准确反映出调整过程的速度变化，进而导致所获得PID参数调整量存在偏差，所以本实施例需要根据排线轴本身速度变化关系，对所获得的PID参数的调整量进行改正。

1.利用排线轴本身速度变化数据确定PID参数调整量的影响系数。

随着排线轴的运行，不断产生热量使得排线轴的温度变化，而排线轴温度变化导致其转动速度也发生变化，而速度变化影响PID控制器对速度调整过程所依据的速度偏差以及速度偏差的变化率，所以对PID参数的调整量产生影响，最终导致排线轴速度的调整量存在偏差。所以需要根据排线轴速度的变化对PID参数的调整量进行改正。

在排线轴速度的调整过程中，所采集的速度偏差是变化的，此时根据速度偏差的变化，分析排线轴本身速度的变化，具体过程为：

在当前一次调整过程中，首先读取速度偏差，此时速度偏差/>相对与上一次调整过程所对应的速度偏差的差异为/>，此时速度偏差的差异/>来源与上一次对速度的调整以及从上一次调整到当前调整过程排线轴速度本身的变化，上一次调整过程中，排线轴速度的调整量为/>，则此时获得排线轴速度本身变化值/>，其值越大，对速度调整的影响越大，即对PID参数调整量的影响越大。

在上一次速度的调整过程中由于排线轴本身速度的变化，减弱了速度调整效果，此时针对其本身速度变化，需要在上一次调整的基础上，对调整参数进行改正，即对PID参数的调整量进行改正，再次进行一次调整。

其中排线轴本身速度变化与上一次速度调整共同改变排线轴的速度，此时排线轴本身速度变化与上一次速度调整符号一致时，排线轴速度变化增大了速度的调整；在其符号相反时，排线轴速度变化减弱了速度的调整，因为速度的调整量来源于PID参数的调整量，所以排线轴速度影响PID参数的调整量，具体影响系数为：

式中，表示第t次调整过程PID参数调整量的影响系数；/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴速度本身变化值；/>表示第t次调整过程获得速度偏差相对于t-1次调整过程的速度偏差的差异；/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴本身速度变化对整体速度变化的影响，其值越大，排线轴本身速度变化对所采集的速度变化的影响越大。/>表示/>与t-1次调整过程速度调整的符号一致，此时/>增大当前速度调整，此时为了达到速度调整效果，需要减小速度调整量，即减小PID参数调整量，此时PID参数调整量的影响系数/>；相反/>表示/>与t-1次调整过程速度调整的符号相反，此时需要增加速度调整量，即PID参数调整量的影响系数/>。

利用排线轴本身速度变化确定PID参数调整量的影响系数。其中利用连续两次调整分析了排线轴速度本身变化对速度调整的影响，避免对排线本身速度变化对调整响应的影响，提高调整效果反馈的准确性；同时根据排线轴本身速度变化与速度调整量之间的方向关系，避免排线轴本身速度变化对实际调整效果的影响，从而提高速度调整的准确性。

2.根据排线轴张力数据对排线轴速度变化数据的影响，获取排线轴的速度变化。

经过上述分析，利用排线轴本身速度的变化，对速度调整对应的PID参数调整量进行改正。但是上述所依据的排线轴速度本身变化是已发生的，所以在第二次调整过程中，其本身速度将再次改变，所以减弱在改正过程中及时获得排线轴本身速度变化的影响，需要获得当前改正过程中排线轴本身速度变化关系。

又已知排线轴速度受排线轴张力的影响，一般张力越大，排线轴速度越小，此时根据张力的变化反映其本身速度变化关系。已知排线轴张力可以直接采集，从而反映排线轴本身速度变化，进而对PID参数调整量进行更加准确的改正。

此时首先预估第二次调整过程中其速度本身变化，已知张力大小与排线轴速度呈负相关关系，所以张力增大，其本身速度的增加量减小，减小量增大，张力减小，其本身速度的增加量增大，减小量减小。

据此获得第二次调整过程中排线轴速度本身变化，具体根据张力变化方向，分别进行分析。其中，即张力增大时：

式中，表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴的速度变化；/>表示第次调整过程张力与第/>次调整过程对应张力的差异，/>即为张力增大；/>表示第/>次调整过程采集的张力；/>表示第/>次调整过程张力增大程度，其值越大，对当前排线轴本身速度的影响越大，所以排线轴速度变化相对于上一次调整过程速度变化的差异越大，其影响程度即为/>，其中/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程对应排线轴本身速度的变化量。在/>，即排线轴本身速度增大时，/>越大，其本身速度增加量减小程度越大，即其本身速度变化为/>，其中/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴的速度增加量，/>即为其速度增加量的减小值。在/>，即排线轴本身速度减小时，/>越大，其本身速度减小量的增大程度越大，其本身速度变化为，/>表示本身速度减小量，/>表示排线轴本身速度减小量的增大值。

，即张力减小时：

式中，在，即排线轴本身速度增大时，排线轴本身速度变化为，其中/>表示其本身速度增大量，/>表示本身速度增大量的增大值，在/>，即排线轴本身速度减小时，排线轴本身速度变化为，其中/>表示其本身速度减小量，/>表示本身速度减小量的减小值。

至此，获得当前排线轴的速度变化。其中考虑排线轴张力对排线轴速度的影响，确定排线轴实时变化关系，减弱排线轴速度实时调整过程中其本身速度变化的影响，从而提高排线轴速度调整的实时性。

3.根据PID参数调整量的影响系数和调整过程排线轴本身速度变化确定PID参数调整量的改正数。

通过获得PID参数调整量的影响系数以及当前调整过程排线轴本身速度变化，在二者的共同影响下，对当前PID参数调整量进行改进。此时在当前排线轴本身速度变化与当前所采集的速度变化之间关系，影响着排线轴速度的调整，即影响着PID参数调整量。

已知在模糊PID控制中，PID参数调整量是由速度偏差与速度偏差的变化率决定的，此时当前排线轴本身的速度变化相对于速度变化率越大，对速度调整的影响越大，即对模糊控制所获得的PID参数调整量的影响越大，据此对PID参数调整量进行改正，获得改正系数为：

式中，表示第/>次调整过程对应的PID参数调整量的改正系数；/>表示第/>次调整过程排线轴速度变化对PID参数的影响系数；/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴本身速度变化；/>表示第/>次调整过程所采集的排线轴速度变化率，/>表示/>相对于/>的大小关系，其值越大，PID参数调整量的改正越大。

至此，获取到模糊PID控制过程中PID参数调整量的改正系数。

已知模糊控制所获得PID参数的调整量分别为，/>，/>，则改正后的PID参数为(以比例调节为例)：

式中，表示PID的比例调节系数；/>表示模糊PID控制中比例调节因子的初始值，直接利用现有的Ziegler-Nichols整定法获得；/>表示第/>次调整过程对应的PID参数调整量的改正系数；/>即为PID参数调整量的改正值，/>则为最终PID的比例调节系数。

同理，获得PID参数中的积分时间常数和微分时间常数。

至此，获取最终PID所有参数的调整量。

步骤S004：根据最终PID所有参数的调整量确定PID控制的所有参数，进而利用PID控制器对排线轴的速度进行实时控制。

根据获取最终PID所有参数的调整量确定PID控制的所有参数，进而利用PID控制器对排线轴的速度进行实时控制，使得排线轴实际速度满足目标速度需求，从而实现绕线机的自动控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

获取排线轴的速度变化数据和排线轴张力数据；

依据模糊控制获得PID参数的调整量；

根据排线轴本身速度变化数据确定PID参数调整量的影响系数；根据排线轴张力数据对排线轴速度变化数据的影响，获取调整过程排线轴的速度变化；根据PID参数调整量的影响系数和调整过程排线轴的速度变化确定PID参数调整量的改正系数；根据PID参数调整量的改正系数和PID参数的调整量确定最终的PID所有参数的调整量；

根据最终PID所有参数的调整量确定PID控制的所有参数，进而利用PID控制器对排线轴的速度进行实时控制；

所述根据排线轴本身速度变化数据确定PID参数调整量的影响系数，包括的具体步骤如下：

具体的，PID参数调整量的影响系数为：

式中，表示第t次调整过程PID参数调整量的影响系数；/>表示第/>次调整过程与第次调整过程排线轴速度本身变化值；/>表示第t次调整过程获得速度偏差相对于t-1次调整过程的速度偏差的差异；/>表示/>与t-1次调整过程速度调整的符号一致；表示/>与t-1次调整过程速度调整的符号相反；

所述根据PID参数调整量的影响系数和调整过程排线轴的速度变化确定PID参数调整量的改正系数，包括的具体步骤如下：

PID参数调整量的改正系数为：

式中，表示第/>次调整过程对应的PID参数调整量的改正系数；/>表示第/>次调整过程排线轴速度变化对PID参数的影响系数；/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴本身速度变化；/>表示第/>次调整过程所采集的排线轴速度变化率。

2.根据权利要求1所述基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法，其特征在于，所述依据模糊控制获得PID参数的调整量，包括的具体步骤如下：

在控制系统中输入实际速度与目标速度的偏差和速度偏差变化率/>，获得PID控制器的参数/>，/>，/>的调整量/>，/>，/>。

3.根据权利要求1所述基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法，其特征在于，所述根据排线轴张力数据对排线轴速度变化数据的影响，获取调整过程排线轴的速度变化，包括的具体步骤如下：

具体根据张力变化方向，当，表示张力增大时，获得第t次调整过程中排线轴的速度变化为：

式中，表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴的速度变化；/>表示第/>次调整过程张力与第/>次调整过程对应张力的差异；/>表示张力增大时；/>表示第/>次调整过程采集的张力；/>表示第/>次调整过程张力增大程度；/>表示第/>次调整过程与第次调整过程对应排线轴本身速度的变化量；

当，表示张力减小时，获得第t次调整过程中排线轴的速度变化为：

式中，表示第/>次调整过程与第/>次调整过程排线轴的速度变化；/>表示第/>次调整过程张力与第/>次调整过程对应张力的差异；/>表示张力减小时；/>表示第/>次调整过程采集的张力；/>表示第/>次调整过程张力减小程度；/>表示第/>次调整过程与第/>次调整过程对应排线轴本身速度的变化量。

4.根据权利要求1所述基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法，其特征在于，所述根据PID参数调整量的改正系数和PID参数的调整量确定最终的PID所有参数的调整量，包括的具体步骤如下：

依据模糊控制获得PID参数的调整量分别为，/>，/>，则根据PID参数调整量的改正系数得到最终的PID的比例调节系数为：

式中，表示最终的PID参数中的比例调节系数调整量；/>表示模糊PID控制中比例调节因子的初始值；/>表示第/>次调整过程对应的PID参数调整量的改正系数；

同理，获得最终的PID参数中的积分时间常数调整量和最终的PID参数中的微分时间常数调整量。

5.根据权利要求1所述基于编码器反馈排线轴速度的绕线机自动控制方法，其特征在于，所述根据最终PID所有参数的调整量确定PID控制的所有参数，进而利用PID控制器对排线轴的速度进行实时控制，包括的具体步骤如下：

根据获取最终PID所有参数的调整量确定PID控制的所有参数，进而利用PID控制器对排线轴的速度进行实时控制，使得排线轴实际速度满足目标速度需求，从而实现绕线机的自动控制。