基于数字PID控制的智能纠偏系统设计.pdf

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1、基于数字PID控制的智能纠偏系统设计口史耀耀口袁烨口徐文秀西北工业大学机电学院西安710072摘要：构建了控制布带跑偏量的智能纠偏系统，分析了布带跑偏的原因。针对缠绕工艺对布带跑偏量的要求，提出了布带纠偏方案及一套完整的布带纠偏系统，在此基础上建立了该系统的数学模型。对布带跑偏量检测系统及纠偏驱动机构的关键部件及结构形式进行了详细的探讨，采用数字PID增量型算法对布带跑偏量进行了控制仿真，结果表明，该系统实现了布带的自动纠偏功能，提高了自动化水平。关键词：智能纠偏系统检测系统数字PID增量型控制算法中图分类号：TH133；TP214文献标识码：B文

2、章编号：1000—4998(2009)07—0032—03布带缠绕工艺要求带状材料匀速、稳定地沿缠绕方向进行缠绕。尽管采取了许多保持布带缠绕方向的措施，但布带偏移仍不可避免地出现。布带展开变形易．使布带产生皱褶现象，若不及时进行纠偏，将引起材料分布不均、边缘质量超差等质量缺陷，严重影响缠绕成型质量。早期研究的缠绕机只有简单的手动纠偏机构，纠偏效果主要取决于操作者的经验，不符合现代自动化生产的需求。为了增强纠偏效果，提高生产率及生产过程的自动化水平，减少生产过程的人工干预，提高缠绕质量，必须对智能纠偏控制系统进行研究。因此必须设计一套完整的布带纠偏装

3、置。1缠绕偏移分析布带浸胶后沿导辊运动，如果在一定的摩擦阻力界限之内，带材上各点运动方向与辊子的中心线成直角，张力沿宽度方向均匀分布。但在实际情况中，布带在缠绕过程中受到某些因素影响，引起布带在运动中产生侧向位移，主要原因有：1)布带材质不均匀。布带材料加工过程中可能产生一定的误差，造成布带厚度不均，边缘参差不齐，引从力学的角度分析，如图4所示。布带发生偏移时，起布带跑偏。如图1所示，材料不均匀使布带在平行运纠偏辊作逆时针转动，布带受与运动方向相反的摩擦送辊上引起偏移，其偏移量与不均匀程度、布带张力的力F。将F沿水平方向和辊子径向分解，得到和大小和

4、两个运送导辊之间的距离大小有关。，其中，为驱动纠偏辊转动的切向分力，为使布2)导辊误差。导辊在加工时存在加工误差，安装时带向左侧偏移的分力，即为纠偏力。它们的大小分别存在位置误差，长时间为：缠绕过程中细微的误差fL=Fsec(1)也会使布带张力分布不=Ftan均匀，发生偏移(如图2从运动学的角度分析，如图5所示。所示)。布带发生偏移时，过渡辊在摩擦力矩R的作用3)布带盘卷不规下转动，其切向速度为。沿竖直方向和水平方向收稿日期：2008~12fiJ可以分解为和，其中为布带运行时的速度，2009／7机械制造47卷第539期为使布带向正常位置移动的位移，

5、从而形成一个闭环控制系统。的速度，即纠偏速度。它们光纤传感器由光纤、发光二极管和光敏三极管组的大小为：成，如图8所示。II，=。。a(2)I=sinOL基于上述分析对纠偏装置进行设计，控制带材的偏移量，获得高质量的缠绕制品。2纠偏装置结构设计纠偏装置机械部分基本结构如图6所示，包括纠偏辊、蜗轮蜗杆机构、过渡辊、支架等部分。光线照在被测带材表面后将形成一个矩形光斑，设光斑面积为s，当入射光通量为，时，其照度为：E-(3)由于光斑很小，可认为照度均匀，则有：E：告(4)光照物体表面后，其光能将被吸收、折射和反射，按受光漫反射特性，单位面积的漫反射光通量

6、与漫反射系数p相关，即：dF=pdF=pEdS(5)设定光斑在布带边缘或两表面的边界上，若P，、P：分别为表面Js、的漫反射系数，则光通量为：F=ldF=p1E．sl+p2E．s2=p2Es+(pl—p2)Es1(6)当布带表面性质稳定、光源照度稳定时，进入接收纠偏辊带动布带在水平方向运动实现纠偏功能；光纤束的光通量在一定偏移范围内与布带偏移量呈线过渡辊保证布带平稳运行，并且保证在经过传感器时性关系，如图9所示。与发光二极管始终垂直；传感器支架保证了发光二极显然，P、,o2差别管与传感器的距离小于5mm，且支架可以沿水平方向越大，传感器灵敏度越运动

7、，方便用户根据工艺需求设定纠偏量。高。而敏感元件与光纤的耦合率、反射回路中3纠偏控制系统设计光纤及其连接部的透纠偏控制系统主要由光电检测器、Z1Z控机、驱动装射率等因素，都只影响置组成。工作原理如图7所示。比例系数。在进行光源及系统设计时应使光敏三极管当布带产生侧向位置的偏移时，偏移量由光电检工作在光照特性曲线的线性段。测器检测后，转化为电信号，并由放大回路进行放大处4增量式PID控制算法理。工控机通过A／D转换卡读取该信号，然后由纠偏控制软件对信号进行计算输出，输出信号由驱动板卡由图4可知，纠偏辊前倾角度为时，摩擦力F所转化为匹配产生的纠偏力为=

8、Ftana，在角度较小的情况下步进电机的可简化为=Fct，布带侧向偏移量随纠偏力作用控制信号，送时间而增加，即：给步进电机