恒線速無卡旋切機變速進給自整定PID控制

楊素珍

?

恒線速無卡旋切機變速進給自整定PID控制

楊素珍

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與自動化工程系，福建 漳州 363000）

針對當(dāng)前無卡旋切機的變速進給系統(tǒng)存在開環(huán)控制下無法補償系統(tǒng)不確定性和干擾，閉環(huán)控制下控制器復(fù)雜且控制參數(shù)不易確定，提出一種結(jié)合前饋和基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在線參數(shù)自整定PID控制的復(fù)合控制器，該控制器結(jié)構(gòu)簡單，有效消除系統(tǒng)干擾，且收斂迅速，控制精度高，仿真結(jié)果表明該控制器的有效性。

無卡旋切機；恒線速；變速進給；PID控制；自整定

0 引言

世界森林資源日益匱乏，通過人造板生產(chǎn)來高效益利用圓木，提高木材的綜合利用率有利于緩解當(dāng)前突出的供需矛盾。旋切機作為單板和膠合板生產(chǎn)的主要設(shè)備，對其進行相關(guān)技術(shù)研究意義重大。當(dāng)前旋切機主要可分為有卡軸和無卡軸兩類，相比之下，無卡旋切機采用驅(qū)動輥驅(qū)動圓木進行旋切，取消了有卡旋切機的卡軸，極大地減小了木材剩余木芯的直徑，進一步提高了木材的利用率，因此成為目前旋切機的主流機型。

為了提高旋切機旋切單板的質(zhì)量，單板厚度均勻與否是關(guān)鍵，厚度均勻的單板有利于膠合板生產(chǎn)后續(xù)工藝的進行，從而提高成品的質(zhì)量。在理想狀態(tài)下，旋切機在旋切單板的過程中，如果單板厚度均勻，則旋刀刀刃在木段橫斷面上的運動軌跡是近似阿基米德螺旋線[1]，當(dāng)無卡旋切機驅(qū)動輥保持恒定轉(zhuǎn)速，即恒線速驅(qū)動圓木段，而旋刀刀刃進行變速進給則可實現(xiàn)所需運動軌跡控制，現(xiàn)有的旋切機對變速進給的速度控制大都采用開環(huán)方式[2-4]，該方式要求系統(tǒng)的輸入與輸出之間關(guān)系應(yīng)保持較好的穩(wěn)定性[5]，一旦這種穩(wěn)定性無法保證，如系統(tǒng)出現(xiàn)得不到補償?shù)膭傂韵陆祷蜉^大干擾等，往往導(dǎo)致無法獲得所需單板厚度精度。鑒于此，文獻(xiàn)[5]設(shè)計一種基于模糊控制的伺服控制器，并采用模糊自適應(yīng)來調(diào)整電機輸入電流的比例系數(shù)，該方法有效抵御系統(tǒng)的不確定和干擾，然而整個控制器的設(shè)計依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗去制定模糊邏輯，加大了控制器設(shè)計的不確定性和難度，文獻(xiàn)[6]采用常規(guī)PID反饋控制的方法，該方法結(jié)構(gòu)簡單，但是PID參數(shù)不易確定。為解決上述困難，本文提出一種結(jié)合前饋控制和PID反饋控制的旋切機變速進給伺服控制器，并采用單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對PID參數(shù)進行在線整定，有效補償系統(tǒng)不確定性和干擾的影響，保證系統(tǒng)具有較好的靜動態(tài)性能，同時，該控制器無需人工設(shè)定控制參數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，實時性好，可為高精度無卡旋切機的研制提供有益的理論參考。

1 無卡旋切機的運動學(xué)模型

主流無卡旋切機旋切系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，圓木的恒線速旋轉(zhuǎn)通過固定驅(qū)動輥1，2和與進給系統(tǒng)同步移動的壓尺輥3共同驅(qū)動實現(xiàn)，旋刀由進給系統(tǒng)帶動變速進給，該速度由切屑條件和切屑厚度參數(shù)決定，并通過調(diào)速電機驅(qū)動滾珠絲桿來實現(xiàn)，假定驅(qū)動輥與圓木之間無相對滑動，理論上則可切屑出厚度均勻的成品單板。

圖1 無卡旋切機旋切系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

（2）式兩端對時間求導(dǎo)得刀刃的進給速度為

由于圓木橫斷面的面積變化與輸出單板橫斷面面積變化相同，則有如下關(guān)系式成立

結(jié)合（1），（3），（5）式，可得無卡旋切機的運動學(xué)狀態(tài)方程為[3]

2 控制器設(shè)計

圖2 旋切系統(tǒng)變速進給控制器結(jié)構(gòu)圖

3 仿真實驗

在Matlab下對本文提出的控制器進行仿真實驗，仿真模型參數(shù)為：

無卡旋切機進給系統(tǒng)速度隨時間的變化曲線如圖3所示，控制輸出厚度變化曲線如圖4所示，在關(guān)閉單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)時，控制器無法穩(wěn)定系統(tǒng)，而在開啟單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)時，系統(tǒng)能夠鎮(zhèn)定到期望厚度值，且鎮(zhèn)定速度塊，穩(wěn)態(tài)誤差小。圖3還表明隨著圓木直徑的不斷變小，刀刃進給速度呈非線性增長，是一個變速進給的過程。實驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)，為了讓輸出厚度更加均勻以取得更好的旋切質(zhì)量，不同的旋切厚度，應(yīng)采用不同的恒線速，厚度越大則恒線速應(yīng)越小。

圖3 無卡旋切機的進給速度曲線

圖4 控制輸出厚度變化曲線

4 結(jié)束語

為了應(yīng)對無卡旋切機變速進給系統(tǒng)固有的非線性和干擾，并降低其控制器設(shè)計的復(fù)雜度，本文在建立無卡旋切機運動學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種結(jié)合前饋和基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在線參數(shù)自整定的PID反饋控制的復(fù)合控制器，該控制器無需人工調(diào)整控制參數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，實時性高，仿真結(jié)果表明其有效抵御系統(tǒng)干擾，且鎮(zhèn)定速度快，控制精度高，可為實際恒線速無卡旋切機變速進給系統(tǒng)的研制提供有益參考。

[1] 歐陽富,張士成,孟慶午,李成元,李傳信.恒線速旋切機基本理論問題的研究[J].林業(yè)科學(xué),1997,33(5):454-462.

[2] 崔成法,何德芳,宋潔,趙麗紅.無卡軸旋切機刀床變速進給理論德分析與應(yīng)用[J].林業(yè)產(chǎn)業(yè),2001,28(6):19-20.

[3] Xiong Guang-ming, Xia Lu. Research of auto-control system with variable speed for hydraulic log-core veneer lathe based on single-chip computer[C].Proceeding of 3th International Conference on Information and Computing. Wu Xi: IEEE, 2010: 40-43.

[4] 魯霞,熊光明,胡國清,陳僅星.液壓無卡軸旋切機的自動控制系統(tǒng)[J].輕工機械,2009,27(2):75-77.

[5] Guo Yi-hong, Li Yun-hua, Yang Li-man. Feed rate servo control for spindle-less veneer lathe[C].Proceeding of 4th International Conference on Robotics, Automation and Mechatronics. Singapore: IEEE, 2010: 315-320.

[6] 鄭劍翔.基于測厚控制與液壓的無卡軸旋切機設(shè)計[J].福州大學(xué)學(xué)報,2006,34(4):529-532.

[7] 劉金琨.先進PID控制Maltab仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

（責(zé)任編輯：季平）

Self-tuning PID Control of Variable Speed Feed for Log-core Veneer Lathe

YANG Su-zhen

(Department of Mechanical & Automation Engineering, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000, China)

In current variable speed feed system of log-core veneer lathe, the uncertainty and interference can not be compensated by using open-loop control, the parameters are hard to determined and the controller is complicate by using closed-loop control. To deal with these problems, a composite controller combining feed forward and PID control with online parameters self-tuning based on single neural network is proposed. The structure of the controller is simple, the system interference is eliminated effectively, its stabilization time is short and its accuracy is high, the effectiveness of this controller is proved by the simulation result.

log-core veneer lathe; constant linear velocity; variable speed feed; PID control; self-tuning

2011－12－10

楊素珍（1982－），福建漳州人，助教，碩士，主要從事智能機電系統(tǒng)方向研究

TS642；TP271

A

1673-1417（2012）01-0007-05