趙丹瑞 朱文亮 文西芹 杜 鑫 于 飛

（1、江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械與海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港222005 2、江蘇新龍港港口有限公司，江蘇 連云港222005）

我國現(xiàn)代的印花業(yè)相比較過去已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的階段，因?yàn)槲覈丝诒容^的多，印花行業(yè)需求也是每年在不斷擴(kuò)大，這樣我國在印花行業(yè)的弊端也顯示出來了，其中最為主要的是實(shí)際研發(fā)能力不足，其中比較明顯則是高端機(jī)型很多都是依賴進(jìn)口，我國在印花機(jī)自主產(chǎn)權(quán)則是屬于短板，目前印花機(jī)的傳動(dòng)技術(shù)更多的是以多軸的傳動(dòng)為主，另外在產(chǎn)品上顏色方面并不是非常的突出。

本文則是基于以上問題，提出印花機(jī)通過模糊PID 控制多軸同步性進(jìn)而保證印花的穩(wěn)定性。

1 模糊控制算法與均值濾波

模糊控制屬于智能控制方法一個(gè)主要分支，模糊控制最大的優(yōu)勢在于不依賴實(shí)際被控的對(duì)象，沒有確定的數(shù)學(xué)模型，主要?jiǎng)t是根據(jù)輸入和輸出這兩個(gè)量，在模糊控制中主要采用的是自然語言進(jìn)行編程，這樣使得模糊控制所表現(xiàn)的魯棒性非常的強(qiáng)，具體的實(shí)現(xiàn)主要分為三步，分別是模糊化、模糊性推理、解決模糊化[1]。為了進(jìn)一步精確化，采用了被控的偏差e 和偏差變化率ec作為輸入量，之后再經(jīng)過MATLAB 軟件中的PID 進(jìn)行計(jì)算，可以得到實(shí)際的輸出量[2]。

1.1 模糊控制算法原理

模糊的PID 控制則是將PID 理論和模糊控制理論兩者進(jìn)行互相的結(jié)合，其中主要?jiǎng)t是通過被控偏差和偏差率這兩個(gè)作為主要的輸入量，對(duì)于現(xiàn)有的被控變量進(jìn)行模糊化處理，之后在經(jīng)過模糊的計(jì)算規(guī)則，在對(duì)于PID 三個(gè)參數(shù)進(jìn)行選擇，具體的如圖1 所示：

圖1 PID 控制過程

當(dāng)在進(jìn)行模糊控制器輸入e,和ec時(shí)候，在具體的模糊的規(guī)則以及實(shí)際的論域?yàn)閧-6,4，-2,0,2,4,6}在這一組數(shù)字中，對(duì)于現(xiàn)有的變量定義則是采用7 個(gè)等級(jí)進(jìn)行表示，分別是{NB，NM,NS,ZO,PS,PM}這些則是稱為隸屬性的函數(shù)，也稱為三角函數(shù)，對(duì)于PID 信號(hào)的輸出則是通過一定隸屬函數(shù)語言規(guī)則進(jìn)行編譯，比方說對(duì)于{-6，-4，-2,0,2,4,6}通過三角函數(shù)語言規(guī)則量化以后得出7 個(gè)等級(jí){NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}[3]，它們的關(guān)系如圖2所示：

圖2 隸屬函數(shù)關(guān)系

在模糊控制規(guī)則模糊控制器的核心，是把現(xiàn)有的知識(shí)不斷的進(jìn)行總結(jié)。因?yàn)椤鱇p，△Ki，△Kd，等3 個(gè)參數(shù)則是根據(jù)的是e和ec的變化進(jìn)行的取值通過其中的關(guān)系進(jìn)行制定出模糊的PID的定出模糊關(guān)系制定PID 的控制性的規(guī)則，具體的見表1。

對(duì)于輸入對(duì)象變量e 和ec，通過PID 模糊控制輸出三個(gè)參數(shù)分別是△Kp，△Ki，△Kd，在這使用的過程需要采用的是隸屬函數(shù)以及量化區(qū)間進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)需要建立FIS 文件，這個(gè)文件需要在MATLAB 軟件中的SIMULINK 工具箱進(jìn)行鏈接[4]。

1.2 均值濾波

對(duì)于均值濾波則是一種比較典型的線性的過濾算法，算法最初則是解決圖像目標(biāo)以及像素的問題，之后該算法被使用在其他的地方[5]。本文采用均值濾波則是解決兩個(gè)伺服電機(jī)同步問題，為解決縱向套色問題提供了便利。

2 仿真和結(jié)果分析

表1 PID 控制規(guī)則

2.1 設(shè)計(jì)思路以及仿真結(jié)構(gòu)

主控體系為同步控制體系，采用兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行，進(jìn)行PID 控制以及參數(shù)控制。PID 在線性的領(lǐng)域具有非常好的可靠性、參數(shù)不變性等優(yōu)勢，被廣泛的使用，但是在一些非線性的領(lǐng)域PID 的控制效果就沒有那么的好，針對(duì)這個(gè)問題，本文則是提出了一些模糊的控制理論，進(jìn)而通過對(duì)于參數(shù)的調(diào)整彌補(bǔ)了在非線性領(lǐng)域的一些不足。對(duì)于具體模糊控制而言，需要選擇一個(gè)電機(jī)作為主電機(jī)，其余的作為輔助或者是根據(jù)模擬的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而為后續(xù)的仿真設(shè)置1 個(gè)從電機(jī)以及主、從控制具體如圖3 所示：

圖5 PID 控制結(jié)構(gòu)

圖3 同步控制電路

2.2 仿真結(jié)果及分析

圖7 為電機(jī)2 的采用均值濾波方法后，反饋出真實(shí)數(shù)據(jù)，為接下來的研究打下了比較好的基礎(chǔ)。圖8 可以比較清楚的看到在沒有使用模糊PID 控制系統(tǒng)之前，他們的運(yùn)動(dòng)并不是協(xié)同的，各自比較的獨(dú)立，并不是非常的同步。在使用模糊PID 控制系統(tǒng)后，如圖9 所示，伺服電機(jī)同步誤差控制在允許范圍之內(nèi)，系統(tǒng)表現(xiàn)出調(diào)節(jié)時(shí)間短、控制精度較高且抗干擾能力強(qiáng)，較好地改善了傳統(tǒng)控制方式的不足[6]。

圖4 同步控制

圖6 模糊PID 同步結(jié)構(gòu)仿真結(jié)構(gòu)

圖7 采用濾波前后對(duì)比圖

圖8 使用模糊PID 控制系統(tǒng)前

圖9 使用模糊PID 控制系統(tǒng)后

3 模糊PID 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在實(shí)際硬件方面的選擇主要采用的是自主研發(fā)的MSC-MC3 多軸的控制器一臺(tái)，另外就是伺服電機(jī)4 臺(tái)，但是在本實(shí)驗(yàn)則是選擇的以2 臺(tái)電機(jī)作為主要的研究對(duì)象，另外外部還有HMI MCGS 觸摸屏1 臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器支持采用Modbus-RTU 協(xié)議通信，HMI 作為從站的數(shù)據(jù)通信，整個(gè)的工作流程也是非常的簡單，就是伺服電機(jī)帶動(dòng)的印花輥，同時(shí)在多軸的運(yùn)動(dòng)中主要是包含的是控制芯片、編碼器、以及CAN的總線接口以及具體的輸入以及輸出接口。Earthnet 接口、支持Modbus 通信和以太網(wǎng)通信、支持32 軸CANopen 控制等。CPU采用STM32F407 芯片，以最新32 位ARM 為控制核心。MSO-MC3 多軸運(yùn)動(dòng)控制器如圖10 多軸運(yùn)動(dòng)控制器所示：

圖10 多軸運(yùn)動(dòng)控制器

3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于程序的編寫則是主要采用的是C 語言對(duì)于模糊PID進(jìn)行操作，其中對(duì)于整個(gè)印花機(jī)的主程序則是在進(jìn)行不斷輪回的通訊的判斷2 臺(tái)電機(jī)脈沖信號(hào)是不是在誤差的范圍以內(nèi)，假如在進(jìn)行實(shí)際操作中不相等則是進(jìn)行模糊的PID 的程序控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。MCGS 觸摸屏作為上位機(jī)監(jiān)控以及采用組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)平臺(tái)搭建

在本次的研究過程之后，主要是采用2 臺(tái)伺服電機(jī)作為被控制對(duì)象。在主函數(shù)中被控對(duì)象和數(shù)據(jù)在不斷的進(jìn)行交換，HMI的控制器為主要的主站，同時(shí)采用的是RS232 的通訊進(jìn)行操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的2 臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)以及停止等簡單的操作，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控2 臺(tái)伺服電機(jī)脈沖速度數(shù)據(jù)功能。HMI 和控制器均采用直流24 V 供電,負(fù)載實(shí)驗(yàn)，直觀有效實(shí)現(xiàn)同步控制、達(dá)到良好的穩(wěn)態(tài)性能。如圖11 電機(jī)同步控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)：

圖11 電機(jī)同步控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

4 結(jié)論

本文是對(duì)于傳統(tǒng)的印花機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)采用模糊PID 控制技術(shù)，并利用MATLAB 對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真[7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此方法的使用能有效解決設(shè)備運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)反饋速度慢、硬件本身非線性等因素的干擾，多伺服電機(jī)同步誤差控制在一定范圍之內(nèi)，直觀有效實(shí)現(xiàn)同步控制、達(dá)到良好的穩(wěn)態(tài)性能并解決縱向套色誤差問題。使得印花機(jī)更能生產(chǎn)出質(zhì)量好，品質(zhì)更高的產(chǎn)品，也說明模糊PID 控制的可行性以及思路的正確性，同時(shí)也為今后這方面的創(chuàng)新打下比較好的基礎(chǔ)。