基于PID的高隨動性繞線系統(tǒng)控制方法設(shè)計*

王 磊，王振宏

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

0 引 言

自動繞線機(jī)是用漆包銅線繞制線圈的一種專用機(jī)器，是現(xiàn)代電器行業(yè)中常用的一種加工設(shè)備[1]。其工作原理是繞線電機(jī)帶動線圈骨架按照規(guī)定的方式旋轉(zhuǎn)，將漆包銅線纏繞在線圈骨架上[2]。隨著加工制造行業(yè)的發(fā)展，在很多生產(chǎn)領(lǐng)域都是需要多臺設(shè)備之間緊密配合才能完成生產(chǎn)實踐的，顯然僅靠1臺設(shè)備已經(jīng)無法滿足高新技術(shù)的發(fā)展需求。高隨動性繞線機(jī)就是能直接把打標(biāo)完的漆包銅線纏繞成需要線圈的一種加工設(shè)備。

要想實現(xiàn)繞線機(jī)的高隨動性，實質(zhì)上是繞線線輪的電機(jī)跟隨放線線輪的實時速度反饋進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)的過程。由于PID控制方法存在一定的時滯性，筆者利用PID和bang-bang相結(jié)合的方式設(shè)計了放線跟隨控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以使得系統(tǒng)出現(xiàn)大的波動時調(diào)節(jié)時間變短，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度方面相對于單純使用PID控制時的控制效果有較大提高，能夠滿足生產(chǎn)需求[3-5]。

1 繞線機(jī)控制系統(tǒng)的組成

在繞線機(jī)的入線口與繞線軸之間設(shè)計一個滑輪組型式的儲線機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)以拉線位移傳感器作為動滑輪的位置反饋來實時調(diào)節(jié)繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)繞線電機(jī)隨入線電機(jī)的速度同步運行，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 繞線機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 收線軸的控制系統(tǒng)設(shè)計

PID控制器在控制系統(tǒng)中是一種應(yīng)用最為廣泛的控制方法，它不只原理簡單、容易實現(xiàn)、適用范圍廣，而且對于控制過程中的滯后系統(tǒng)具有很好的控制性能。圖2為PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

本繞線機(jī)的儲線機(jī)構(gòu)根據(jù)砝碼配重塊的重量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的線張力，在系統(tǒng)運行過程中利用動滑輪和靜滑輪之間的距離對繞線線輪的速度進(jìn)行實時調(diào)整。其系統(tǒng)的輸入量為給定砝碼配重塊懸浮位移量r(t)與砝碼配重塊實際懸浮位移量s(t)的偏差值為：

e(t)=r(t)-s(t)

(1)

輸出偏差e(t)的比例、積分和微分的線性組合：

(2)

式中:Kp為比例系數(shù)；KI為積分時間常數(shù)；KD為微分時間常數(shù)。

圖2 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)被控量的數(shù)值接近與給定的數(shù)值時，積分產(chǎn)生的作用受到比例反向作用的影響，從而使得系統(tǒng)的震蕩減小，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；當(dāng)給定值與被控量的值偏差較大時，由于比例和積分之間的作用關(guān)系，使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程變得緩慢，從而出現(xiàn)砝碼配重塊降到最低位置，產(chǎn)生松線現(xiàn)象，或者砝碼配重塊快速沖到頂部，使得線纜被拉斷。

為了提高系統(tǒng)開始的動態(tài)調(diào)節(jié)過程，利用bang-bang控制的方法，設(shè)置一個動滑輪移動范圍α1和α2，當(dāng)α1

圖3 PID與bang-bang控制的繞線機(jī)收線電機(jī)控制框圖

1.2 PID參數(shù)整定

Kp、KI和KD對系統(tǒng)性能的影響：Kp越大，則系統(tǒng)越靈敏，但隨著比例系統(tǒng)變大，系統(tǒng)的振蕩次數(shù)增多，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間增長，穩(wěn)定性變差；Kp偏小，系統(tǒng)的反應(yīng)速度緩慢。KI的作用會使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，KI越小會使系統(tǒng)的穩(wěn)定越差，但可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。KD的作用可以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，KD偏大時，會使系統(tǒng)的超調(diào)量增大，縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間；KD偏小時，會使系統(tǒng)的超調(diào)量也增大，增長系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間；在調(diào)試過程中實時檢測儲線機(jī)構(gòu)上的拉線位移傳感器，如果在上升過程中出現(xiàn)大的脈沖波形，可以適當(dāng)減小Kp，如果上升時間比較慢，可以適當(dāng)增加Kp，調(diào)節(jié)好Kp后可以適當(dāng)變化KI和KD，改變系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)性能。

2 實驗分析

該高隨動性繞線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括伺服控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)和一個PLC控制器作為系統(tǒng)的外環(huán)控制器，以拉線位移傳感器作為系統(tǒng)的速度反饋，觸摸屏作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，一些上下限位開關(guān)作為系統(tǒng)的保護(hù)裝置。該系統(tǒng)的電動機(jī)采用異步電機(jī)，線徑的范圍為0～4 mm。

圖4 兩者控制方法的位移量和輸出控制量的曲線

圖4為繞線機(jī)與打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)聯(lián)動時僅PID控制時和PID結(jié)合bang-bang控制時兩種控制方法的位移給定量、反饋量和輸出量的曲線圖。圖中反映了系統(tǒng)的啟動過程、穩(wěn)定運行階段以及系統(tǒng)停止運行的過程。比較圖4(a)和圖4(b)，可以看出圖4(b)中加入bang-bang控制方法的系統(tǒng)在啟動和穩(wěn)定運行階段的穩(wěn)定性要比只有PID控制時的穩(wěn)定性更好。

3 結(jié) 論

設(shè)計了一種高隨動性繞線系統(tǒng)的控制方法，在聯(lián)機(jī)運行的過程中,該控制方法通過控制收線電機(jī)的速度，以放線打標(biāo)機(jī)為基點，根據(jù)放線線輪和收線線輪的速度差，來控制系統(tǒng)的隨動運行。設(shè)計了只有PID控制的收線隨動系統(tǒng)和PID與bang-bang相結(jié)合的收線隨動系統(tǒng)。根據(jù)實驗調(diào)試過程中實際運行的效果，對比兩種控制方法發(fā)現(xiàn)，由于PID控制存在一定的時滯性，加入bang-bang控制后當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大波動時的調(diào)節(jié)時間縮短，系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高。該系統(tǒng)

改進(jìn)后的控制方法提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，對于后面繞線機(jī)的進(jìn)一步性能提高研究具有參考意義。

[1] 陳迎國.自動繞線機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[2] 龐佳涵.電腦自動繞線機(jī)的研究與開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2004.

[3] 高 雅，朱秦嶺.基于PLC的繞線系統(tǒng)控制方法研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2017.

[4] 毛建鑫，劉 偉，周廣鋒.高精度自動繞線機(jī)控制方法的研究[J].計算機(jī)測量與控制，2012，20(1):95-97.

[5] 柯 良，馮關(guān)明，章建軍，等.縫紉機(jī)繞線機(jī)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程，2014(11):117-120.