圓網印花機誤差分析與系統改進

李洋，楚建安，張學乾，武建飛

(西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048)

0 引言

傳統的圓網印花機印花是由各個圓網跟隨導帶的速度進行轉動，導帶速度發生波動時，導帶輥電機光電編碼器發出的脈沖信號也會發生變化，那么導帶輥電機光電編碼器發出的信號，經電子齒輪后發給各個圓網伺服驅動器的信號也會變化，正是由于這種變化實現了各個圓網與導帶的跟隨。但這種跟隨會產生一定誤差，本文分析了誤差產生的原因，并對系統進行了改進。

1 誤差產生原因

圓網印花機印花產生的誤差主要有兩個來源:

(1)機械原因，主要是機械加工精度造成的，可以通過適當的措施來補償。

(2)電氣控制原因，各個圓網與導帶不能保持同步造成的，此為主要原因。整個印花過程如圖1所示。

在印花過程中，坯布跟隨導帶依次通過圓網1，圓網2直到圓網n，假設各個圓網的速度是絕對同步的，圓網的周長為S，導帶的線速度為V1，圓網的線速度為V2，那么圓網轉過一圈所印花回的長度為L(假設無相對滑動):

由公式(1)可以看出，只要保證導帶線速度與圓網線速度的比值恒定，那么各個圓網在坯布上的印花長度都為 L，不會發生錯花現象。如果圓網和導帶的線速度發生波動，導帶的線速度變為V'1，圓網的線速度變為 V'2，由公式(1)可知，只要此時V'1和V'2的比值沒有發生變化，那么圓網在坯布印的花回長度還是L，仍不會發生錯花現象。

圖1 圓網印花機工作過程示意圖

如果導帶和圓網的線速度波動導致所印花回長度變為L'(L≠L')，此時就會產生ΔL的錯花。在印花過程中圓網1先印花，印花時刻為t1，圓網2后印花，印花時刻記為t2。假設在t1時刻，導帶的速度為V3，圓網的線速度為 V4;在 t2時刻，導帶的速度為V'3，圓網的線速度為 V'4，則:

由公式(2)可知，要控制圓網和導帶兩個傳動鏈的傳動特性以保證印花過程中不錯花，只需保證在速度波動過程中導帶速度和圓網速度的相對值恒定即可，即圓網和導帶的相對線速度同步[1]。但在實際印花過程中，圓網和導帶之間的同步是依靠圓網跟蹤導帶來實現的，導帶速度V1經光電編碼器轉換成脈沖串，經脈沖處理轉換成新的頻率的脈沖串(分機板功能)發送給伺服驅動器控制伺服電機帶動圓網轉動，整個過程是有延時的，延時時間為T，如圖2所示。

圖2 信號延時示意圖

針對以上問題，設計了一個速度補償器，減少了信號的延時，使圓網的線速度與導帶跟隨特性得到很大提高，從而使印花精度也得到了提高。

2 傳統圓網印花機控制系統與系統的改進

傳統的圓網印花機大多采用精度相對較高的伺服控制系統，而伺服驅動器大都是三環控制，即位置環，速度環和電流環。

注意到位置調節器的輸出是不能單獨控制的，所以在帶有位置環結構的多環系統中，位置調節器的輸出是作為速度的內環給定，因此按照位置給定實現同步的方法中，速度同步就已經失去了真正的意義[2]。這時圓網的速度可能會出現不同于導帶速度的大幅震蕩，導致速度的不同步，從而造成錯花、亂花。傳統圓網印花機控制系統，如圖3所示(以兩個圓網為例)。

圖3 傳統圓網印花機控制系統

鑒于以上情況，要使速度同步，就必須采用合適的控制策略，引入速度閉環。本文運用了速度補償器來滿足以上要求。

3 速度補償器同步控制策略

要使各個圓網與導帶線速度同步，就必須引入速度閉環控制。引入方法如圖4所示(以兩個圓網為例)。

圖4 改進后圓網印花機控制系統

真正實現速度的同步，最好是將速度的給定值直接加到速度控制器的前端，但由于在圓網印花機系統中，多個電機還必須要求位置同步，因此位置環又是必須的。引入補償器以后，將導帶的速度與各個圓網的線速度的誤差輸入到補償器，經過補償器再控制各個圓網的加速和減速，來實現導帶與圓網速度的跟隨。

4 速度補償器的設計

如今大多數控制器采用常規PID控制，而常規的PID控制也具有很強的生命力。第一，PID控制對大多數過程都具有良好的控制效果和魯棒性;第二，PID算法簡單，理論體系成熟且應用經驗豐富。但是，過程的動態大都具有非線性，大延遲以及時變特性，因此模型很難確定。常規PID也有不足之處，比如:PID參數一旦確定，將不能改變，而現實系統中存在許多非線性環節，其特性隨時間的變化而變化，顯然一組PID參數不能很好的滿足要求。

本文采用模糊控制與常規PID相結合的方式設計速度補償器，當檢測到的誤差大于a時，先使用模糊控制快速減少誤差，當誤差小于a時，轉到常規PID控制。這樣避免了誤差很大時使用常規PID所產生的積分飽和現象，以及誤差跳變所帶來的微分飽和現象[3－4]，引入方法如圖 5 所示。

圖5 速度補償器原理圖

對于模糊控制最重要的就是模糊規則的建立，圓網印花機印花時，速度最大誤差大約在1%左右，假如車速開到120 m/min，那么誤差的基本論域為[－1.2 1.2]，為了提高系統的柔性，現把誤差e的基本論域定為[－2 2]，誤差變化率ec的基本論域為[－1 1];將前兩者的模糊論域定為[－6 6];輸出的基本論域定為[－1 1]，模糊論域定為[－10 10]。因此，可以確定偏差的量化因子Ke=3，偏差變化率的量化因子 Kec=6，輸出量的量化因子Ku=0.1。

將模糊語言變量E的語言值設定為9個，即{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，負微(NW)，零(ZO)，正微(PW)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，偏差變化率的模糊語言變量 EC的語言值設定為7個，即{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，將輸出模糊語言變量DU的語言值設定為9個，即{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，負微(NW)，零(ZO)，正微(PW)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

根據控制理論和經驗可以確定63條模糊規則，如表1所示[5]。

表1 模糊控制規則表

最后通過解模糊將輸出量疊加到伺服驅動器的速度環，完成速度誤差的粗調，當誤差小于a時，轉到常規PID控制。

通過對大量的現場實驗數據分析計算及軟件仿真，確定了速度伺服單元的開環傳遞函數近似等效為[1]:

以下的仿真就是在此基礎上實現的。

5 系統仿真結果對比

以下為圓網印花機不加速度補償器與加上速度補償器仿真曲線的對比;以及導帶速度發生波動時的仿真曲線，并且在t=5 s時加入一擾動，以下為網1對導帶速度的跟隨為例的仿真曲線，其他圓網跟隨曲線與其相似，本文不再詳細介紹。

由以上仿真曲線可以看出:起動過程初期各個圓網轉速有一定的滯后，圓網印花機引入速度補償器后比無補償時起動更快，更早進入穩態，在相同擾動量的情況下，帶補償器比不帶補償器抗干擾能力更強。因此，帶速度補償器的同步驅動系統更具有理想的同步性能。

6 結束語

圓網印花機系統改進在很大程度上改善了印花過程中出現的跑花、錯花現象，在保證位置的同時，使圓網線速度與導帶速度實現很好跟隨，減少印花誤差產生，提高了對花的精度，對國內圓網印花機的發展具有重要意義。參考文獻:

[1]張團善.圓網印花機獨立傳動控制系統研制[D].西安:西安工程大學，2005.

[2]萬鵬飛.凹印機伺服系統同步控制策略研究[D].長沙:中南大學，2009.

[3]劉波.基于模糊控制的多電機同步控制系統研究[D].武漢:武漢理工大學，2009.

[4]劉福才，張學蓮.基于模糊PID補償控制的多電機同步驅動系統[J].電氣技術，2002，10(8):76 －80.

[5]劉金琨.先進 PID控制 MATLAB仿真[M].北京:電子工業出版社，2004.