瓦楞紙板飛剪控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬文明 楊富凱 尚苗

摘要：針對(duì)瓦楞紙板橫切機(jī)剪切精度，設(shè)計(jì)了一種飛剪模糊自適應(yīng)PI控制。該系統(tǒng)應(yīng)用模糊控制理論對(duì)飛剪系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，將飛剪位置比例調(diào)節(jié)控制改進(jìn)為階梯型位置控制環(huán)。結(jié)合西門子S7-300PLC，將瓦楞紙板生產(chǎn)線的剪切精度從±1 mm提升到±0.5 mm以內(nèi)，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：瓦楞紙板;橫切機(jī);飛剪系統(tǒng);模糊控制

中圖分類號(hào)：TS736 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.03.009

Abstract：?Aiming at the shearing precision of corrugated board cross-cutting machine，?a flying shear fuzzy PI control was designed in this study. The system used fuzzy control theory to optimize the parameters of the flying shear system，?and improved the proportional adjustment control of the flying shear position to a stepped control loop. Combined with Siemens S7-300PLC，?the shearing accuracy of the corrugated board production line was ?increased from ±1 mm to ±0.5 mm，?meeting the actual production requirements.

Key words：?corrugated board;?cros-scutting machine;?flying shear system;?fuzzy control

飛剪控制是瓦楞紙板剪切工藝的核心，飛剪能否可靠而精確的運(yùn)行是瓦楞紙板生產(chǎn)能否擁有良好品質(zhì)的關(guān)鍵因素^[1]。飛剪精確運(yùn)行的關(guān)鍵在于切刀能否按照預(yù)期設(shè)定完成剪切，瓦楞紙板長(zhǎng)度的剪切精度是否合格就在于飛剪的控制。本課題設(shè)計(jì)了一種飛剪模糊自適應(yīng)PI控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)原飛剪控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，能夠有效提升瓦楞紙板生產(chǎn)線的剪切精度。結(jié)合保定某造紙廠瓦楞紙板生產(chǎn)線改造的實(shí)際情況，構(gòu)造了一種階梯型位置控制環(huán)。在速度環(huán)中，增加了模糊自適應(yīng)PI控制，根據(jù)模糊自適應(yīng)控制規(guī)則對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，消除生產(chǎn)中的干擾因素。采用西門子S7-300PLC來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制，通過6SE70變頻器實(shí)現(xiàn)飛剪切刀的位置控制^[2]，以期經(jīng)本此改造提高系統(tǒng)控制精度，降低設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本。

1 飛剪控制系統(tǒng)

1.1 瓦楞紙板飛剪工藝簡(jiǎn)介

瓦楞紙板橫切機(jī)工作示意圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由上下刀輥、切刀、測(cè)速輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)工作時(shí)，生產(chǎn)線上的紙板給進(jìn)速度從每分鐘幾十米到幾百米不等，待切瓦楞紙板從橫切機(jī)上下刀輥之間穿過，刀輥電機(jī)根據(jù)所設(shè)定的剪切長(zhǎng)度和瓦楞紙板的給進(jìn)速度指定刀輥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，驅(qū)動(dòng)刀輥運(yùn)動(dòng)，對(duì)給進(jìn)瓦楞紙板實(shí)施定長(zhǎng)切割，即對(duì)快速產(chǎn)出的紙板進(jìn)行“飛剪”動(dòng)作^[3]。

理想情況下橫切機(jī)的前后級(jí)速率一致，這樣才不會(huì)造成堆紙或者拉紙等情況。但在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，如大電流、編碼器信號(hào)誤差、機(jī)械振動(dòng)、變頻器干擾、諧波干擾等，均會(huì)造成飛剪的切刀定位不準(zhǔn)，降低生產(chǎn)效率。因此選用一個(gè)更為先進(jìn)的控制理論和更精確的剪切控制系統(tǒng)，是造紙廠亟待解決的問題。

1.2 飛剪控制系統(tǒng)構(gòu)成

在整個(gè)飛剪控制中，有兩個(gè)控制最重要：一是瓦楞紙板的切長(zhǎng)定位控制;二是切刀的速度控制。硬件設(shè)施由檢測(cè)設(shè)備、交流傳動(dòng)部分和控制系統(tǒng)組成，其中位置控制依靠飛剪系統(tǒng)的位置環(huán)來提高控制精度。采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)在PLC與交流傳動(dòng)系統(tǒng)之間進(jìn)行通信，最終由PLC輸出位置命令調(diào)節(jié)刀輥的速度來提高飛剪位置的控制精度^[4]。

1.3 飛剪位置控制環(huán)的改進(jìn)

傳統(tǒng)位置控制環(huán)采用傳統(tǒng)離散比例調(diào)節(jié)器（如圖2所示），當(dāng)出現(xiàn)位置偏差Δs后輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速偏差Δn，偏差加大時(shí)傳統(tǒng)位置控制環(huán)無(wú)法快速跟隨并適應(yīng)系統(tǒng)，造成紙板定位不準(zhǔn)，產(chǎn)生的誤差會(huì)在接下來的剪切周期中造成累積，使得偏差逐漸增大。本課題構(gòu)造了一種階梯型位置控制環(huán)（如圖3所示），相對(duì)于原系統(tǒng)，改進(jìn)后的位置控制環(huán)反應(yīng)更快、靈敏性高，跟隨性更好。

2 飛剪模糊控制算法研究

2.1 模糊自適應(yīng)PI控制

因?yàn)镻I控制具有很多優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用。但現(xiàn)場(chǎng)的擾動(dòng)和干擾、機(jī)械振動(dòng)以及編碼器測(cè)量誤差等不確定因素的存在，會(huì)使傳統(tǒng)PI控制無(wú)法適應(yīng)于復(fù)雜環(huán)境與高階復(fù)雜的被控對(duì)象。在新型模糊控制中，模糊控制對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴較弱，利用模糊法來完成各系統(tǒng)變量之間的相互聯(lián)系，具有很好的魯棒性、適應(yīng)性。模糊控制器都是用日常易懂的語(yǔ)言來描述，這樣方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行隨時(shí)的操作與調(diào)試。結(jié)合這兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了飛剪位置模糊自適應(yīng)PI控制^[5]。

飛剪控制在電機(jī)同軸連接一個(gè)光電編碼器，以模擬電信號(hào)的形式將飛剪的實(shí)時(shí)位置發(fā)送到PLC中轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過運(yùn)算并與預(yù)先設(shè)定的位置對(duì)比，就可以得到該時(shí)刻的飛剪位置偏差。位置偏差變化率則反映了位置偏差的變化速度和方向，將其作為模糊控制器的輸入，輸出為飛剪電機(jī)中速度環(huán)的速度調(diào)節(jié)信號(hào)。因?yàn)轱w剪速度環(huán)是一個(gè)PI控制器，所以模糊控制器的輸出信號(hào)對(duì)速度環(huán)中和兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過模糊推理，對(duì)飛剪位置不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，充分滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能，圖4為飛剪模糊自適應(yīng)PI控制的整體結(jié)構(gòu)圖。

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于輸入，如果選取一維控制器，僅將位置偏差作為控制器輸入，位置偏差隨時(shí)間的變化率及其變化方向很難描述，無(wú)法對(duì)控制系統(tǒng)做出準(zhǔn)確判斷，而三維控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以本課題選用常規(guī)二維模糊控制器^[6]。輸入變量設(shè)定為飛剪剪刀位置設(shè)定值與檢測(cè)值偏差e，以及位置偏差變化率ec，輸出變量設(shè)置成速度環(huán)PI控制器兩個(gè)校正參數(shù)和。

2.2.1 模糊量化因子的選擇

定義模糊集上的論域，0，0.1，0.2，0.3};論域上面的模糊子集定義為e=ec={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中對(duì)應(yīng)的含義分別為：負(fù)偏差較大、負(fù)偏差適中、負(fù)偏差較小、無(wú)偏差、正偏差較小、正偏差適中與正偏差較大。同時(shí)，和的論域?yàn)閧-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，對(duì)應(yīng)的模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

2.2.2 確定隸屬度函數(shù)

正確的隸屬度函數(shù)選擇是模糊控制性能的關(guān)鍵。為了使系統(tǒng)具有更高的靈敏度，一般會(huì)讓隸屬度函數(shù)分布密集一點(diǎn)，控制器的輸入與輸出曲線選用最常用的正態(tài)型高斯分布曲線，圖5為輸入e和ec的隸屬度函數(shù)曲線，圖6為輸出和的隸屬度函數(shù)曲線。

該瓦楞紙板生產(chǎn)線選用的是6SE70矢量變頻器來控制飛剪電機(jī)，該種矢量變頻器結(jié)合光電編碼器，在檢測(cè)到剪刀位置出現(xiàn)偏差時(shí)，能快速響應(yīng)并提供速度改變量，將其位置調(diào)整到正確的理論位置。整套系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC為位置控制環(huán)提供強(qiáng)大的算法功能，飛剪位置控制結(jié)構(gòu)如圖8所示。

對(duì)飛剪控制系統(tǒng)使用模糊自適應(yīng)PI控制，根據(jù)模糊控制規(guī)則，實(shí)時(shí)對(duì)飛剪速度進(jìn)行不斷的調(diào)整，給出了模糊控制器的設(shè)計(jì)。對(duì)于原飛剪位置控制的比例調(diào)節(jié)，不能快速跟隨，改進(jìn)為階梯型位置控制環(huán)。通過在Matlab仿真中添加白噪聲模擬現(xiàn)場(chǎng)干擾，圖9為未加入模糊控制模塊輸出變化曲線，圖10為加入模糊控制模塊輸出變化曲線。從圖9和圖10可發(fā)現(xiàn)，加入控制模塊后，系統(tǒng)位置偏差反應(yīng)能力更快，偏差小，系統(tǒng)的精確度更高，系統(tǒng)穩(wěn)定提升，抗干擾能力更強(qiáng)，提升了瓦楞紙板的剪切精度。

4 應(yīng)用效果分析

通過安裝西門子DRIVER MONITOR軟件進(jìn)行速度現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行曲線捕獲，圖11為系統(tǒng)正常工作截取的剪切過程中的速度、電流運(yùn)行曲線。從圖11中可以看出，速度、電流跟隨性能良好，無(wú)振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)。結(jié)合保定某造紙廠瓦楞紙板生產(chǎn)線改造的實(shí)際情況，經(jīng)過半年多的實(shí)際運(yùn)行，飛剪的剪切精度從±1 mm可提高到±0.5 mm，很好地滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需要，該方法和思路對(duì)現(xiàn)有設(shè)備低成本條件下的橫切機(jī)改造具有很好的參考價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：黃?舉）