工程胎胎面纏繞生產(chǎn)線調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制

王存雷

（天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國 天津 300131）

進入21世紀，隨著公路交通和采礦業(yè)的迅速發(fā)展，使得大型的工程機械輪胎的需求不斷的增加。大型工程輪胎直徑大，斷面寬，胎面厚，傳統(tǒng)的貼合工藝已經(jīng)不能滿足正常的生產(chǎn)要求，同時斷面寬，厚度大的胎面人工貼合很難搬運，而且容易產(chǎn)生窩氣現(xiàn)象，為了適應(yīng)輪胎生產(chǎn)廠家的需求，我公司自主研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)了工程胎胎面纏繞生產(chǎn)線，是一種適用于工程子午線輪胎基部膠、胎面膠等膠部件纏繞的專用設(shè)備。

在胎面纏繞生產(chǎn)線的設(shè)計中，針對整條生產(chǎn)線交流電動機組的各個傳動點速度難以互相協(xié)調(diào)、匹配等困難，提出電機線速度模糊控制的技術(shù)方案。在對生產(chǎn)線調(diào)速設(shè)計的基礎(chǔ)上，詳細論述模糊控制器的設(shè)計及程序的實現(xiàn)。以研華工控機為上位機監(jiān)控，AB RSLogix5000 PLC和PF-40變頻器以及工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，研究胎面纏繞生產(chǎn)線調(diào)速模糊控制的設(shè)計與實現(xiàn)，實際運行表明，采用模糊控制可以滿足整個機組的線速度級聯(lián)、同步、動態(tài)補償?shù)茸詣踊刂埔蟆?/p>

1 生產(chǎn)線的組成以及速度調(diào)節(jié)的要求

1.1 生產(chǎn)線的組成

本生產(chǎn)線由擠出機，（帶有形狀）壓型輥，冷卻鼓，儲料裝置，纏繞主機（包括運動底座，支架及托架，纏繞頭）組成，如圖1所示。

膠料通過擠出機螺桿轉(zhuǎn)動擠出膠條，生產(chǎn)狀態(tài)為連續(xù)狀態(tài)，膠條經(jīng)過型輥，產(chǎn)生工藝要求的膠條形狀，然后經(jīng)過主動輥進入雙鼓冷卻裝置，經(jīng)過冷卻后的膠條進入儲料裝置，支架及托架裝置，最后進入纏繞頭，為了避免膠條的寬窄不一，出現(xiàn)飛邊或過窄的現(xiàn)象，所以整條生產(chǎn)線速度的匹配十分重要。

纏繞過程中，整條生產(chǎn)線的運動控制均采用伺服控制，通過各個伺服電機間的速度匹配，保證纏繞過程中的速度可控，減少拉伸；壓型輥的出口處安裝有測寬裝置，以保證膠條寬度基本恒定。通過安裝在纏繞機頭上的編碼器，可以實時檢測成型鼓的線速度，通過調(diào)整成型機成型鼓的轉(zhuǎn)速來保證成型鼓的線速度與膠條輸送速度的匹配，將胎面膠以連續(xù)膠條形式以受控螺旋、可變螺距纏繞到輪胎上形成胎面，從而完成準確重量的纏繞。

工程胎胎面纏繞的胎面重量控制是整個纏繞過程的決定因素，為保證纏繞重量的準確，必須使膠條連續(xù)穩(wěn)定，并且纏繞生產(chǎn)線的速度和成型機成型鼓的速度必須做到精確匹配。

圖1 纏繞生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)圖

1.2 生產(chǎn)線速度控制要求

胎面纏繞出生產(chǎn)線的主要控制要求是：纏繞膠條通過口型板擠出預(yù)成型后，在經(jīng)過設(shè)定的型輥形成工藝要求的形狀，然后按順序依次經(jīng)過其后的各輸送裝置，各輸送環(huán)節(jié)之間有嚴格速度匹配，通過各個輸送裝置間伺服電機速度的匹配，實現(xiàn)對膠料的張力控制，使擠出的膠料既不能拉伸又不能堆積，從而達到全線的速度匹配，防止堆膠和膠條拉伸。

根據(jù)上述控制過程和要求，需要生產(chǎn)線具有較強的速度整定能力，以保證胎面的產(chǎn)品質(zhì)量。膠條寬度穩(wěn)定是纏繞重量穩(wěn)定的基礎(chǔ)，擠出機型輥的出口裝有測寬傳感器，測寬傳感器的信號通過以太網(wǎng)進入模擬量模塊，模擬量模塊將信號傳入PLC中，PLC通過調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動器調(diào)節(jié)型輥伺服電機轉(zhuǎn)速大小來調(diào)解膠條寬度，當膠條寬度高于設(shè)定寬度時，提高型輥轉(zhuǎn)速，反之，降低型輥速度。

纏繞機可以通過模擬信號（0-10V）來控制成型鼓的速度，然后發(fā)出一個啟動/停止信號，同時從成型機上得到準備和故障信號，作為反饋信號。

圖2 測寬調(diào)速裝置

從圖2測寬調(diào)速裝置原理可以看出：型輥的速度由兩部分組成：V±△V，其中，V為系統(tǒng)設(shè)定速度值；△V為系統(tǒng)設(shè)定速度值與實際速度的差值；由此兩部分合成型輥的控制速度，該速度大小可根據(jù)物料工況進行調(diào)節(jié)。

2 模糊控制器的設(shè)計

模糊控制器的設(shè)計包括輸入和輸出的定義、模糊推理機制的確立和模糊判決的實現(xiàn)。模糊控制器的任務(wù)是對輸入的信息模糊化,然后進行模糊推理,給出模糊控制量，最后將模糊控制量清晰化為清晰控制量。

2.1 輸入和輸出定義

根據(jù)圖2所示，關(guān)鍵是對△V的控制，選取膠條的寬度調(diào)節(jié)，來改變△V的大小與方向。

模糊理論是建立在模糊集合之上，傳統(tǒng)集合是嚴格的0或1，而模糊集合可以從“不隸屬”到“隸屬”逐漸過渡，即隸屬度在0到1的范圍內(nèi)。文中“寬”、“窄”、“快”、“慢”這些在常規(guī)集合中無法解決的含糊概念就可在模糊集合中得到表達，這就為計算機處理這類帶有含糊性的信息提供了一種方法。

描述輸入變量及輸出變量的語言值的模糊子集為 {負大，負小，零，正小，正大}，簡記形式為{NB，NM，Z0，PM，PB}。

根據(jù)控制工藝，型輥轉(zhuǎn)速是單輸入單輸出控制的，其模糊系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 單輸入單輸出模糊系統(tǒng)

系統(tǒng)中的偏差e，偏差變化率ec和模糊控制器的輸出控制量u都是確定的數(shù)值，不是模糊集合。輸入變量為從型輥出來的膠條的寬度：E論域［0，＋10］，0表示膠條寬度最窄，10表示膠條寬度最寬；輸出變量為型輥的速度變化值：u論域［－5，＋5］負數(shù)表示減速，正數(shù)表示加速。電壓隸屬度函數(shù)、速度隸屬度函數(shù)分別如圖4、圖5所示。

圖4 電壓隸屬度函數(shù)

2.2 模糊規(guī)則

這里各模糊子集的隸屬度與速度的關(guān)系都是線性的，分別為三角形或半三角形。模糊控制規(guī)則語言描述：①若e負大，則u正大；②若e負小，則u正?。虎廴鬳負零，則u正零；④若e正小，則u負?。虎萑鬳正大，則u負大。

模糊規(guī)則是模糊推理的基礎(chǔ)，根據(jù)控制對象的實際工況制定模糊規(guī)則見表1。

表1 模糊控制規(guī)則

表1中共用5條模糊規(guī)則，表達的關(guān)系為：

IF E＝ei THEN U＝ui

其中E為輸入模糊變量，U為輸出模糊變量，ei、ui分別為 E，U的語言值。

2.3 模糊推理

模糊控制器的控制規(guī)則是由一組彼此間通過“或”的關(guān)系聯(lián)結(jié)起來的模糊條件語句來描述的，其中每條模糊條件語句，當輸入、輸出語言變量在各自論域上反映各語言值的模糊子集為已知時，都可表達為論域集上的模糊關(guān)系。

根據(jù)if E and C then U類型的推理規(guī)則，輸出控制量集合U＝（E×C）·R 即：Uu(z)＝UR(x，y，z)∧［UE（x）∧Uc（y）］。

根據(jù)上述規(guī)則和上式可得出這一規(guī)則的模糊關(guān)系：R＝（E×C）T×U即：

由于一個過程控制的規(guī)則庫都是由若干條規(guī)則組成，對于每一條推理規(guī)則都可以得到一個相應(yīng)的模糊關(guān)系，N條規(guī)則就有N個模糊關(guān)系：R1…Rn整個系統(tǒng)的總的控制規(guī)則所對應(yīng)的模糊關(guān)系R可對N個模糊關(guān)系取“并”得式：

3 模糊控制在PLC上的實現(xiàn)

胎面纏繞的型輥速度控制在傳統(tǒng)的可變程序控制器是通過查表的方式實現(xiàn)的。PLC是典型的二值邏輯控制器，通過PLC來實現(xiàn)模糊控制，需要復(fù)雜的數(shù)值運算，這將占用PLC大量資源，降低了控制系統(tǒng)的實時性。利用Matlab提供的模糊邏輯工具箱可建立胎面、胎側(cè)輸送帶調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的仿真，得到10個值的模糊控制查詢表為表2所示。

本文采用AB RSLogix5000的PLC，在可編程序控制器的軟件編制中著重解決兩點問題：一是模糊輸入變量的實現(xiàn)；二是模糊控制查詢表的實現(xiàn)。速度調(diào)整程序流程如圖6所示。

若通過型輥的膠條經(jīng)測寬后，尺寸沒有變化，則型輥的速度等于設(shè)定速度并保持不變，若膠條的寬度過寬，則測寬裝置反饋回來的電壓信號的A/D轉(zhuǎn)換值減去5V電壓信號對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，乘以一定的模糊規(guī)則比例系數(shù)之后再加上之前型輥的速度給定。

圖6 速度調(diào)整程序流程圖

1）如果反饋回來的模擬量電壓信號大于5V，則型輥的速度增加。2）如果反饋回來的模擬量電壓信號小于5V，則型輥的速度減小。3）電壓信號等于5V，則型輥速度保持不變。這樣通過測寬裝置對應(yīng)的電壓信號的變化去自動調(diào)節(jié)型輥的速度，達到了型輥速度整定的目的，使各段輥道速度相匹配滿足擠出的胎面膠條既不會拉伸也不會堆積。聯(lián)動線控制系統(tǒng)通過采集線性位移傳感器的檢測信號達到了對系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

4 結(jié)束語

相比之下，目前國內(nèi)的工程胎纏繞機主要的結(jié)構(gòu)方式：一是主要采用仿型原理，需要掃描輪胎基線，耗時長，影響效率。二是擠出機出膠處沒有寬度檢測控制，膠條形狀波動較大，不利于重量控制。而胎面重量及形狀尺寸控制恰恰是胎面纏繞的關(guān)鍵。

本文設(shè)計的胎面纏繞生產(chǎn)線調(diào)速模糊控制器，能實現(xiàn)對胎面輸送帶的智能調(diào)速控制，滿足整個機組的線速度級聯(lián)、同步、動態(tài)補償?shù)茸詣踊刂埔?，提高了生產(chǎn)線連續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)的能力。論文采用模糊控制量查詢表的方式，從而避免在PLC程序中作模糊算法而導(dǎo)致系統(tǒng)實時性降低的缺陷，實現(xiàn)了在傳統(tǒng)可編程序控制器上的智能控制。

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