王 磊，王振宏

(長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022)

0 引 言

自動繞線機是用漆包銅線繞制線圈的一種專用機器，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。高隨動性繞線機就是能直接把打標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)繞線機的高隨動性，實質(zhì)上是繞線線輪的電機跟隨放線線輪的實時速度反饋進行動態(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 繞線機控制系統(tǒng)的組成

在繞線機的入線口與繞線軸之間設(shè)計一個滑輪組型式的儲線機構(gòu)，該機構(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)繞線電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)繞線電機隨入線電機的速度同步運行，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 繞線機的結(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。

本繞線機的儲線機構(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α1

圖3 PID與bang-bang控制的繞線機收線電機控制框圖

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，可以適當減小Kp，如果上升時間比較慢，可以適當增加Kp，調(diào)節(jié)好Kp后可以適當變化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)的人機交互界面，一些上下限位開關(guān)作為系統(tǒng)的保護裝置。該系統(tǒng)的電動機采用異步電機，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為繞線機與打標機系統(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)機運行的過程中,該控制方法通過控制收線電機的速度，以放線打標機為基點，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，對于后面繞線機的進一步性能提高研究具有參考意義。

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

[2] 龐佳涵.電腦自動繞線機的研究與開發(fā)[D].大連：大連理工大學，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，2017.

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

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