Fuzzy-PID 复合控制在电子送经中的应用.pdf

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1、第2 9 卷第4 期 2 0 0 8 年4 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 4 A p r 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 l1 5 - 0 4 F u z z y ：P I D 复合控制在电子送经中的应用 杨建成1 2 ，蒋秀明1 2 ，周国庆1 2 ，何辉1 ，吴冬凤1 ( 1 天津工业大学机电学院，天津3 0 0 1 6 0 ；2 天津3 - _ 业大学天津市现代机电装备技术重点实验室，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要为了满足

2、织机的高速化和织造品种的多样化，对送经机构提出了更高的要求，需要准确控制送经机构的 运动。而送经机构是一个典型的复杂、联动、时变、非线性、强干扰送经系统，传统的P I D 调节器不能取得令人满意 的效果。针对传统的P I D 控制算法存在的缺陷。设计了一种F u z z y H D 复合控制算法，并应用该算法面向 S A U R E R 4 0 0 织机送经系统在M a t L a b 中的S i m u l i n k 进行仿真。结果表明。F u z z y P I D 复合控制仿真曲线在响应时间和 超调方面优于P I D 控制曲线。该控制方法在电子送经系统中有着广泛的应用前景。 关键词 电

3、子送经；F u z z y - P I D 复合控制；S A U R E R 4 0 0 型织机；仿真 一 中图分类号：“ I S1 0 3 1 3 1文献标识码：A A p p l i c a t i o no fF u z z y - P I Dc o m p o u n dc o n t r o lo nl o o me l e c t r o n i cl e t - o f fa n dt a k e - u p Y A N GJ i a n c h e n g ，J I A N GX i u m i n g ，Z H O UG u o q i n g ，H EH u i ，W UD

4、 o n g f e n gj ( 1 S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ，咖P o l y t e d m i cU n i v e r s i t y ，T i a n j i n 3 0 0 1 6 0 ，C h n a ； 2 A d t dM a c h a t r o n i c sE q u i p m e n tT 缸n y i nA r e aM a j o rL a b o r a t o r y ，咖，T 址n j b , P o l y t e c

5、 h n i cU n i v e r s i t y ，T i a n j l n g3 0 0 1 6 0 ，C h i n a ) A b s t r a c tI no r d e rt om e e tt h ed e m a n d so fh i s hs p e e dw e a v i n ga n dd i v e r s i f i e dv a r i e t i e so ff a b r i c t h el e t - 砸 m o t i o nm u s tb ec o n t r o l l e da c c u r a t e l ys i n c ee l

6、 e c t r o n i cl e t o 任s y s t e mo fl o o mh a sf a c e ds o m en e wr e q u i r e m e n t s T h et r a d i t i o n a lP I Dc o n t r o l l e rc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t sb e c a u s eo fi t st y p i c a lc o m p l i c a t e d t a n d e m d r i v i n g t i m ec h a n 酉n ga n dn o

7、 n l i n e rw i n d i n gs y s t e m T a r g e t i n gt h es h o r t c o m i n g so f t h et r a d i t i o n a lP I D c o n t r o l l e ri nl o o me l e c t r o n i cl e t o 缸a n dt a k e u pm o t i o nc o n t r o l ，aF u z z y P I Dt e n s i o nc o n t r o l l e ri Sp r o p o s e df o r e f f e c t

8、 i v es e t t l e m e n to ft h ep r o b l e m so fd y n a m i cc h a n g eo ft h e n o n 1 i n e rs y s t e m S i m u l a t i o nb yS i m u l i n ko f M a t L a bi Sc a r r i e do u to nt h eb a s i so fS A U R E R 枷l o o m T h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e

9、t h a tt h e p a r a m e t e r so fF u z z y ；P I Da 陀b e t t e rt h a nt h o s eo fr o u t i n eP I D T h i s c o n t r o lm e t h o dh a sg o o da p p l i c a t i o n p o t e n t i a lf o re l e c t r o n i cl e t o 仃s y s t e m K e yw o r d s e l e c t r o n i cl e t o 缸；F u z z y - P I Dc o m p

10、o u n dc o n t r o l ；S A U R E R 4 4 X ) l o o m ；s i m u l a t i o n 电子送经系统控制方法的优劣对织物质量具有 十分重要的影响。目前，大多数电子送经控制系统 采用算法简单，鲁棒性强、可靠性高的P I D 控制 器一1 ，但常规P I D 控制器不具有在线参数整定功 能，对系统模型的精确性依赖较强，对非线性、时变 且受随机干扰的送经控制系统，一般难以获得较好 的控制性能b - 。目前。模糊控制理论技术已成熟，被 广泛应用在纺织其他机型的技术改造上怕一? 1 ，而 F u z z y - P I D 复合控制用在电子送经系统上

11、的报道较 少。织机送经系统一般包括控制系统、驱动系统、经 轴、经纱等，由于经纱受开口、打纬、送经卷取作用影 响，织机的经纱张力变化是非线性、时变、受外界扰 动的系统，精确的控制模型很难建立。本文提出的 这种F u z z y P I D 复合控制算法不依赖于系统的数学 模型，有效地解决了系统的非线性时变这一难题，该 算法面向S A U R E R 4 0 0 型织机送经系统进行仿真研 究憎- ，得到了较好的效果。 1 张力控制原理 通过送经和卷绕运动可实现对经纱上机张力的 动态控制。上机张力是指织机综平时经纱的静态张 收稿日期：2 0 0 7 0 4 1 5修回日期：2 0 0 7 一1 1

12、2 3 作者简介：扬建成( 1 9 6 2 一) ，男。教授博士生。研究方向为纺织机械设计与机电一体化技术。E m a i l ：y j c g s o h u c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 1 6 - 纺织学报第2 9 卷 力，它是影响织造质量的一个重要因素。织造过程 中织机的五大运动都会对上机张力产生影响，而送 经和卷取运动是控制上机张力的关键环节。送经和 卷取系统工作原理如图l 所示。 胸粱 卷布辊 综框 ，一 梭口 停

13、经片 J 。摆动后果 轴嚣噶 L 赢一翌匡釜砸 I 一1 控制剁1 。- E 兰】L 一广磋甄 T _ _ J减速装置u 广 图1 送经系统工作原理 F i g 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e m 由图1 可知，经纱上机张力是由于卷布辊与经 轴之间的线速度差而产生。只有保持它们的速度差 恒定，才能保持经纱张力恒定。 其数学模型为 秒= 7 c D n = n i D n l( 1 ) 式中：t ，为送经速度，r a m r a i n ；n 为经轴的转速， r m i n ；尼

14、为电机的转速，r r a i n ；D 为经轴的经纱直 径，m m ；i 为经轴到电机之间的传动比( i 1 ) 。 工艺上要求送经线速度恒定不变，且为一常数， 但由于织造过程中经轴直径由大变小，它是时间的 函数，即 一 D ( ) = D 。_ 揣f ( 2 ) 式中：D 。为满经轴直径，m m ；艿为经纱厚度，m m ；t 为时间，s 。可见经轴直径是时间的函数。 由式( 1 ) 、( 2 ) 可见，这是一个典型的非线性时变 系统。在织造过程中，受织机五大运动影响，特别是 在开口、综平、打纬时，经纱波动很大，随机扰动因素 很多，常规P I D 控制必然会导致控制质量下降，甚至 影响系统的正

15、常运转。采用F u z z y P I D 复合控制，由 张力传感器测量经纱张力，并将测得的力信号转换 为电信号，经M D 转换后输入计算机，与事先设定 的张力给定值进行比较，偏差E 和偏差变化率E C 通过模糊控制器的运算即可得到所需的控制量，再 经过D A 转换后控制电机驱动，以调节送经电机的 转速，最终达到控制经纱张力的目的。 2 F u z z y - P I D 复合控制设计 2 1 F u z z y - P I D 复合控制原理 F u z z y P I D 复合控制以P I D 控制为基础，采用模 糊推理思想根据不同的误差E 和误差变化率们对 P I D 参数进行在线自整定。

16、按这种思想构成的控制 系统由2 部分组成，即常规P I D 控制部分和模糊推 理的参数校正部分，如图2 所示。 图2F u z z y = P l D 复合控制算法结构图 F i g 2 S t r u c t u r eo fF u z z y P I Dc o n t r o la l g o r i t h m 2 2 F u z z y P I D 复合控制器设计 2 2 1 隶属度函数的建立 确定隶属度函数主要有以下几种方法：根据主 观认识或个人经验，直接或间接给出元素隶属的具 体值，由此确定函数的主观经验法；以调查统计结果 所得出的经验曲线作为隶属函数曲线，根据曲线找 出相应的函数

17、表达式的调查统计法b 】。 在送经张力控制中，偏差E 由来自张力传感器 的张力检测信号r 与给定张力信号t 决定，即E = 丁。一T ，偏差变化量为E C 。 根据以上分析，用于P I D 参数控制的模糊控制 器采用二输入三输出的模糊控制器。该模糊控制器 是以E 和E C 为输入变量，以K 。、K 、亿为输出变 量。对于输入变量和输出变量，其模糊子集都取7 个语言变量： E ，E C ，K 。，K ；，K d = N B ，N M ，N S ，Z ，P S ，P M ， P B ；其中N B 为负大，N M 为负中，N S 为负小，Z 为 O ，P s 为正小，P M 为正中，P B 为正大。

18、 由实际经验得出模糊控制器各语言变量的论 域为 E ，E C ： 一1 ，一0 7 5 ，一0 5 ，一0 2 5 ，0 ，0 2 5 ， 0 5 ，O 7 5 ，1 ； K ，： 一3 ，一2 2 5 ，一1 5 ，一O 7 5 ，0 ，0 7 5 ，1 5 ， 2 2 5 ，3 ； K 。，K d ： 一l ，一0 7 5 ，一0 5 ，一0 2 5 ，0 ，0 2 5 ， 0 5 ，0 7 5 ，1 。 将以上变量的模糊子集按三角形法量化到论域 上，得到各变量的隶属度函数，如图3 所示。 2 2 2 模糊推理 本模糊控制器采用的是M a m d a n i 模糊推理算 法。根据上述的P

19、I D 参数整定原则，可以列出输出 变量K 。、K 、民的控制规则，如表1 3 所示。 根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第4 期 杨建成等：F u z z y P I D 复合控制在电子送经中的应用 1 1 7 l ，O 05 N B N MN SZ P SP M P B I 一0 6 0 20 2 0 610 32一10 1 23 一I一0 60 20 20 6I 0 ( a ) E 、晾属函致曲线C o

20、 ) K 。隶属函敦曲线( c ) K i 、畅隶属函教曲线 图3 E 、E C ，K 。，K ；、K d 隶属函数曲线 F i g 3M e m b e r s h i po fEa n dE C ( a ) ，K 。( b ) K ia n dK d ( c ) 表1K ，模糊控制规则表 T a b 1 F u z z yr u l e st a b l eo fK p 表2K 。模糊控制规则表 T a b 2F u z z yr u l e st a b l eo fK 控制模型，应用模糊合成推理设计P I D 参数的模糊 矩阵表，查出修正参数带入下式计算： K ，= P + E ；，E

21、 C ； p ；K i = j + E ；，E C ； i 表3K 模糊控制规则表 T a b 3F u z z yr u l e st a b l eo fK o 3 仿真实验 以S A U R E R 4 0 0 型织机作为仿真对象，送经机构 由步进电机、减速机构和经轴组成，如图1 所示。本 控制系统的数学模型为五f 南，其中J 为减 速机构折算到电机轴上总的等效系统的等效转动惯 量；B 为等效转动黏性阻尼系数；k 为等效扭转刚度 系数；i 为经轴到电机之间的传动比。由实验分 析得J = 0 0 0 09 4 4k g m 2 ，B = 0 0 0 06 0 24 ，k = 0 0 1 2

22、8 ，i = 0 0 1 95 8 。 本文在电子送经机构控制的仿真系统中使用了 M a t L a b 软件中的S i m u l i n k 平台和F u z z y 工具箱，仿真 系统被搭建，如图4 所示。 比例增益 图4 仿真系统 F i g 4 S i m u l a t i o ns y s t e m 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺织学报 第2 9 卷 在输入相应的参数下进行仿真，可得到如图5 所示的仿真曲线。从图中可以看出F u

23、 z z y P I D 控制 算法在响应时间和超调方面要优于P I D 控制算法。 4 结束语 图5 仿真结果 F i g 5 S i m u l a t i o nr e s u l t s 由于织机送经系统的复杂性，一个较好的控制 方法对织物质量有重要影响。由仿真实验结果可 见，电子送经系统采用F u z z y P I D 复合控制发挥了模 糊算法和P I D 算法的各自优点，超调量小，精度高， 其鲁棒性也较高，具有更好的控制效果。F u z z y P I D 复合控制方法在电子送经系统中有着广泛的应用 前景。 参考文献： 蔡永东新型机织设备与工艺 M 上海：东华大学 出版社，2 0

24、 0 3 ：9 杨建成，周国庆纺织机械原理与现代设计方法 M 北京：海洋出版社，2 0 0 6 ：9 杨正斌，焦立娟交流伺服系统在剑杆织机电子送经 系统上的应用 J 纺织机械2 0 0 5 ( 2 ) ：2 7 2 8 T h eI n d i aT e x t i l eJ o u r n a lG r o u p E l e c t r o n i cl e t o f f t a k e - u p J T h eI n d i a nT e x t i l eJ o u r n a l ，2 0 0 3 ，1 1 3 ( 4 ) ：9 0 陶永华，尹怡欣，葛卢生新型P I D 控制及其

25、应 用 M 北京：机械工业出版社2 0 0 2 ：1 1 李伟峰，张一风基于单片机的模糊速度控制在清花 机中的应用 J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 0 ) ：9 9 1 0 1 周建洪，杨玉杰浆纱机织织轴的横张力控制 J 电 机与控制学报，2 0 0 4 ，1 8 ( 2 ) ：1 4 5 1 4 7 屈稳太张森林热定型机的多变量模糊控制技 术 J 】纺织学报，2 0 0 5 。2 6 ( 4 ) ：7 9 8 2 杨建成蒋秀明，尹琦，等S A U R E R 4 0 0 型织机送经机 构改进设计 J 天津工业大学学报，2 0 0 6 ，2 5 ( 5 ) ：5 3 5 7 1 J 1j 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 rrL r L r L r L r L r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark