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【摘要】對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)而言，其生產(chǎn)過(guò)程通常需要借助輸送帶將產(chǎn)品順利運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的固定位置處。在整個(gè)的傳輸過(guò)程中，容易出現(xiàn)輸送帶劣化與長(zhǎng)期使用磨損的狀況，從而使得所需要的產(chǎn)品不能夠準(zhǔn)確的運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的固定位置處。面對(duì)這種問(wèn)題，本論文主要基于可編程控制器研究了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置定位控制技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】PLC技術(shù) 驅(qū)動(dòng)裝置 定位控制 PID 控制 模糊控制

【中圖分類(lèi)號(hào)】G71 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）08-0172-02

隨著時(shí)代變遷，我國(guó)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)已由早期勞動(dòng)性密集產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)為技術(shù)性密集產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)升級(jí)過(guò)程中，工廠機(jī)電自動(dòng)化扮演重要角色，其中精密電機(jī)定位的發(fā)展對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備邁向自動(dòng)化幫助很大，而電機(jī)定位控制的精準(zhǔn)度則有賴(lài)于伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本論文主要針對(duì)產(chǎn)業(yè)輸送帶定位問(wèn)題進(jìn)行研究。在工業(yè)應(yīng)用上，以PLC為核心的伺服定位控制技術(shù)已相當(dāng)成熟，它通常包含PLC主機(jī)、定位控制模塊及伺服電機(jī)等，控制器則以PID控制器為主。上述以PLC為主體的伺服定位控制通常能獲得良好的控制，也即借助長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，電機(jī)也能依據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)命令而精確地運(yùn)轉(zhuǎn)至設(shè)定位置。然而，借助電機(jī)軸心所帶動(dòng)的輸送帶則容易因輸送帶劣化或長(zhǎng)期磨損等問(wèn)題而未能精確地傳送至設(shè)定位置，因此仍需進(jìn)一步加以研究。

本論文研究一套伺服電機(jī)定位控制平臺(tái)，其具體工作如下：（1）采用雙回路的控制架構(gòu)，能實(shí)際改善現(xiàn)有伺服電機(jī)定位控制其應(yīng)用于輸送帶傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)所產(chǎn)生的缺點(diǎn)；（2）以 PLC 為基礎(chǔ)的控制架構(gòu)由于具有較高的抗雜訊能力，因此能使伺服電機(jī)定位控制具有較好的穩(wěn)定性；（3）由于 AC 伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型不易獲得，因此應(yīng)用模糊控制器于外回路的位置修正能達(dá)到良好的控制要求；（4）建構(gòu) PC-Based VB 監(jiān)控系統(tǒng)，可方便操作者進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控管理。

一、伺服控制系統(tǒng)架構(gòu)

本論文所提出的控制系統(tǒng)架構(gòu)包含PC-Based VB 監(jiān)控、可編程控制器、定位模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及高速計(jì)數(shù)器模塊等。在操作順序上，使用者可于PC-Based VB 監(jiān)控端下達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)指令給PLC，PLC 將運(yùn)轉(zhuǎn)命令傳送至定位模塊，并借助伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使電機(jī)依轉(zhuǎn)速脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定位置。在伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)間內(nèi)建閉回路的PID 控制器，以穩(wěn)定進(jìn)行電機(jī)的定位控制。高速計(jì)數(shù)器模塊則主要通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器接收電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖，以提供PC 端即時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)信息。在內(nèi)回路控制架構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)為一閉回路系統(tǒng)。伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，伺服電機(jī)內(nèi)編碼器將其移動(dòng)量編碼成A、B 兩相脈沖，經(jīng)由回路送回伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，由伺服驅(qū)動(dòng)器的接腳檢知其編碼脈沖，也即借助編碼器能檢知伺服電機(jī)位置。驅(qū)動(dòng)器具有微調(diào)致動(dòng)器的效能，伺服電機(jī)位置若稍有誤差或位置命令值產(chǎn)生些微偏移，伺服驅(qū)動(dòng)器均能自動(dòng)調(diào)整偏移量予以修正，其修正控制則采用PID 控制器。其中，可編程控制器采用三菱FX2N-32MR，定位模塊采用三菱FX2N-20GM，高速計(jì)數(shù)器模塊采用三菱FX2N-1HC，伺服驅(qū)動(dòng)器采用三菱MR-J2S。

在上述電機(jī)定位控制過(guò)程中，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅能保證電機(jī)能依運(yùn)轉(zhuǎn)命令運(yùn)轉(zhuǎn)，并無(wú)法確保輸送帶能被帶動(dòng)至指定位置，也即原系統(tǒng)無(wú)法修正因輸送帶劣化或長(zhǎng)期磨損等因素所造成的位置偏差問(wèn)題。為改善該缺點(diǎn)，本論文于輸送帶上端裝設(shè)三組光感測(cè)器，并將信號(hào)傳送至PLC，以進(jìn)一步進(jìn)行外回路的模糊控制。當(dāng)中間的光感測(cè)器動(dòng)作時(shí)，代表輸送帶有定位在正確的位置；當(dāng)左、右兩端任一個(gè)光感測(cè)器動(dòng)作時(shí)，則代表輸送帶已產(chǎn)生偏移的現(xiàn)象，此時(shí)啟動(dòng)外回路的模糊控制器以進(jìn)行輸送帶的位置修正。輸送帶上利用一條反光線(xiàn)為記號(hào)，以配合光感測(cè)器的檢出。反光記號(hào)偏移量為正負(fù)22mm（三個(gè)光感測(cè)器彼此間的距離），本實(shí)驗(yàn)中，命令伺服電機(jī)帶動(dòng)輸送帶重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，輸送帶如因皮帶寬松、硬件機(jī)能耗損、慣量、機(jī)械磨擦等問(wèn)題，使得起始點(diǎn)與終點(diǎn)位置無(wú)法相符時(shí)，則啟動(dòng)模糊控制器以進(jìn)行輸送帶的位置修正。

二、模糊控制器程序設(shè)計(jì)流程

模糊控制器程序設(shè)計(jì)流程可分為以下幾個(gè)步驟：

步驟一：確知位置誤差及位置誤差變化量數(shù)值，并根據(jù)模糊隸屬函數(shù)將位置誤差及位置誤差變化量模糊化，本文采用三角形歸屬函數(shù)。

步驟二：根據(jù)輸入與輸出模糊區(qū)間及模糊推論引擎建立模糊規(guī)則庫(kù)，系統(tǒng)共建立25 條模糊規(guī)則，其中下標(biāo)代表模糊規(guī)則編號(hào)。

步驟三：計(jì)算影響系統(tǒng)隸屬函數(shù)的適合程度。

步驟四：根據(jù)步驟二所規(guī)劃出的模糊規(guī)則庫(kù)找出對(duì)應(yīng)的輸出量。

步驟五：根據(jù)法則將設(shè)備上輸送帶距離量化成數(shù)值并進(jìn)行解模糊化。

本論文中采用重心解模糊化法。根據(jù)上述步驟，若輸出量為正的控制信號(hào)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加脈沖數(shù)至PLC，使輸送帶往前移動(dòng)一個(gè)修正量；反之，若輸出量為負(fù)的控制信號(hào)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減少脈沖數(shù)至PLC，使輸送帶往后移動(dòng)一個(gè)修正量。

三、基于模糊PID實(shí)現(xiàn)的定位控制仿真

在定位控制實(shí)踐中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID 控制，又稱(chēng)PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問(wèn)世至今已有近70多年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。本文采用三角形的歸屬函數(shù)，將系統(tǒng)的誤差及誤差微分兩者分別按照模糊規(guī)則庫(kù)建立歸屬函數(shù)圖，將模糊概念與PID 控制器結(jié)合使用，設(shè)計(jì)出模糊調(diào)變PID 控制器參數(shù)。

（一）仿真控制系統(tǒng)

利用MATLAB/SIMULINK建立成圖1仿真系統(tǒng)，并將控制回路的重要參數(shù)數(shù)據(jù)帶入后，建立一個(gè)交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

1.模糊邏輯控制庫(kù)建立

制定出適當(dāng)?shù)哪：?guī)則庫(kù)，將影響控制系統(tǒng)的性能，一般模糊規(guī)則庫(kù)的規(guī)則，由多個(gè)語(yǔ)言敘述的if-then形式所構(gòu)成，而本研究的模糊控制器為兩個(gè)輸入及三個(gè)輸出，因此需要制定三組模糊規(guī)則庫(kù)，每組具有25條模糊規(guī)則，分別為PID 控制器的比例增益KP、微分增益KD、及積分增益KI為模糊控制器輸出變量。

2.系統(tǒng)控制特性響應(yīng)分析

本實(shí)驗(yàn)研究是利用Simulink進(jìn)行對(duì)于電機(jī)的模糊PID速度回路控制模擬。本文將利用所建立的模糊PID控制系統(tǒng)，進(jìn)行輸出響應(yīng)曲線(xiàn)分析，并建立傳統(tǒng)PID控制器和模糊PID控制器模擬比較。本實(shí)驗(yàn)研究除與傳統(tǒng)控制器作比較外，也將系統(tǒng)輸入要求改為動(dòng)態(tài)訊號(hào)，例如以方波與弦波作為系統(tǒng)輸入，借以分析交流伺服電機(jī)系統(tǒng)的反應(yīng)速度與超越量等的比較，其輸出響應(yīng)曲線(xiàn)如圖2所示。

從圖2中我們發(fā)現(xiàn)電機(jī)輸出響應(yīng)，其中其上升時(shí)間（rise time）為0.207秒，超越量（overshoot）為16.3﹪，安置時(shí)間（setting time）為0.821秒，穩(wěn)態(tài)終值（final value）誤差為0。該模糊PID 控制系統(tǒng)與電機(jī)無(wú)控制、PID 控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)的比較，經(jīng)圖2比較后發(fā)現(xiàn)，模糊PID 控制系統(tǒng)的各項(xiàng)表現(xiàn)均優(yōu)于其它兩者。

分別將輸入電壓改為方波與弦波形式，以分析、測(cè)試系統(tǒng)的控制性能，由響應(yīng)波形結(jié)果來(lái)看，無(wú)論是在方波（pulse generator）與弦波（sine wave）形式，模糊PID控制系統(tǒng)均能有效控制電機(jī)，使其呈現(xiàn)良好的反應(yīng)速度與系統(tǒng)追隨性能。

總的來(lái)說(shuō)，本文實(shí)驗(yàn)將模糊調(diào)變PID控制參數(shù)用于實(shí)際直流伺服電機(jī)控制上。經(jīng)simulink仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證所提設(shè)計(jì)方法的可行性。經(jīng)模擬過(guò)后得知，模糊PID控制較傳統(tǒng)PID控制，擁有適應(yīng)性的參數(shù)調(diào)整、與較好的控制特性。本次實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)的模糊PID控制，其上升時(shí)間較PID控制器提升4.1﹪，超越量減少3.3﹪，安置時(shí)間減少0.27秒，其方波與弦波的追蹤性能，均有較好的表現(xiàn)。

四、結(jié)論

本論文主要探討系統(tǒng)硬件架構(gòu)、VB 監(jiān)控設(shè)計(jì)、以及輸送帶的定位控制實(shí)驗(yàn)。由伺服電機(jī)的啟動(dòng)、定速與停止的響應(yīng)情形可知，驅(qū)動(dòng)器的輸出端無(wú)法根據(jù)理想的方波進(jìn)行響應(yīng)，因此本論文于外回路增加一組模糊控制器，以因應(yīng)因輸出脈沖誤差或輸送帶劣化所造成的不能精確定位問(wèn)題。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本論文所提出的方法能實(shí)際改善上述缺點(diǎn)。另外本論文所提出的方法雖已證實(shí)能有效地進(jìn)行定位控制，但仍有許多問(wèn)題極待克服：1、基于PLC階梯程序的限制，本論文僅采用25條模糊規(guī)則庫(kù)進(jìn)行模糊控制，由實(shí)驗(yàn)證實(shí)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)良好的定位控制。然而，若應(yīng)用于較高精密度的定位控制時(shí)，25條模糊規(guī)則庫(kù)顯然不足以勝任。未來(lái)將考慮將模糊規(guī)則庫(kù)建于VB程序中，以增加更多的模糊區(qū)間，提升控制精確度，但由于多一個(gè)界面（RS232），因此可能會(huì)增加數(shù)據(jù)存取時(shí)間，減緩系統(tǒng)響應(yīng)速度。2、本論文雖提出一個(gè)有效的閉回路定位控制方法，但卻沒(méi)有與其他控制方法進(jìn)行比較，未來(lái)應(yīng)將其他方法納入考量，以進(jìn)一步了解本系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，使系統(tǒng)更為完善。3、本論文中模糊隸屬函數(shù)位置主要依實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)決定，未來(lái)可通過(guò)最佳化方法獲得，使得伺服電機(jī)的定位控制更趨于理想。

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