張力控制試驗平臺及監測系統的研究

作者：時(shí)間：2013-07-03 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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外部數據RAM主要用來(lái)進(jìn)行外部仿真調試用。掉電保護RAM主要用來(lái)存放系統需要存儲的一些重要參數。另外，張力控制器板上還有脈沖編碼四倍頻電路、故障診斷及保護電路、外部擴展接口、RS232通訊接口等電路。

2.2.3轉矩采集卡

系統采用PI900轉矩采集卡對開(kāi)卷伺服電機的轉矩進(jìn)行測量，其最小采樣間隔為10 ms。使用時(shí)將采集卡插入工控機ISA插槽，并分別將3塊卡的I/O地址配置為300H～31FH、340H～35FH 和380H～39FH，中斷號配置為IRQ10、IRQ11和IRQ12。

2.2.4差動(dòng)電容式傳感器［2］

差動(dòng)電容式傳感器是張力測試裝置的核心器件，其工作原理如圖3所示。在張力為零時(shí)，初始極距δ1=δ2，S=δ1+δ2；當被控對象張力作用于導向輪上時(shí)，動(dòng)極片上下移動(dòng)，距離發(fā)生變化Δδ，電容量也相應發(fā)生變化ΔC，其相對變化量為ΔC/C，當距離的變化量Δδ很小時(shí)，可以認為電容的變化量ΔC與Δδ近似成線(xiàn)性關(guān)系。該距離變化量通過(guò)圖3b所示的電橋電路轉換為電量，再經(jīng)后面的配套裝置處理，顯示或記錄被控對象張力。

2.3控制與監測系統軟件設計

數據監測、分析軟件可為試驗者提供簡(jiǎn)單快捷的數據分析工具，以及實(shí)時(shí)及歷史數據曲線(xiàn)，系統所使用的應用程序主要包括：監控圖形系統、故障信息系統、數據記錄系統、報表系統等。

實(shí)驗者可以利用數據分析和處理軟件對實(shí)時(shí)采集的數據進(jìn)行分析，對控制策略進(jìn)行評定，進(jìn)一步優(yōu)化控制策略、改變控制環(huán)節參數以獲得不同的實(shí)驗結果。

3 張力控制策略及試驗

3.1張力控制原理

如圖1所示，張力控制系統采用三反饋環(huán)的交流伺服控制結構，其分別為伺服電機的速度環(huán)、位置環(huán)和張力閉環(huán)。

下面對張力反饋環(huán)作進(jìn)一步分析：浮動(dòng)輥、汽缸、固定輥及精密電容式張力傳感器構成張力檢測系統。如圖1所示，浮動(dòng)輥安裝在可沿A點(diǎn)作上下擺動(dòng)的懸臂上，懸臂與汽缸相連。當設定開(kāi)卷張力參數后，控制器給出電信號至電氣壓力轉換器（E/P），由其提供一定壓力的壓縮空氣到汽缸，產(chǎn)生向上支撐力，把浮動(dòng)輥推向下方，張緊薄膜，完成開(kāi)卷張力的設定。

當由于某種原因（開(kāi)卷軸直徑變化、被控對象材料不均、材料的彈性塑性變形、擾動(dòng)等因素影響）開(kāi)卷和收卷電機速度不同步時(shí)，浮動(dòng)輥在汽缸的作用下，向上方或下方移動(dòng)，浮動(dòng)輥的上下擺動(dòng)使得精密電容式張力傳感器（如圖3b所示）的動(dòng)極片跟著(zhù)上下滑動(dòng)，因此，從電容器輸出端的電壓信號發(fā)生變化，反饋電壓和設定電壓值比較后，張力控制器改變輸出脈沖的頻率，從而使開(kāi)卷伺服電機速度發(fā)生相應的變化，維持張力的恒定，使得生產(chǎn)得以順利進(jìn)行。

3.2張力控制策略及實(shí)現

試驗平臺上可完成多種復雜張力控制算法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、進(jìn)化算法、模糊理論、DNA生物軟計算等）的研究。文中采用基于單神經(jīng)元的自適應PID控制算法［5］進(jìn)行試驗。

單神經(jīng)元自適應PID控制器結構框圖如圖4所示。圖中轉換器的輸入為張力設定值r（k）和實(shí)測值y(k)，輸出為神經(jīng)元學(xué)習控制所需要的狀態(tài)量x1、x2、x3。神經(jīng)元PID控制器的輸出為：

式中：u(k)為第k次采樣計算機的輸出值；k為神經(jīng)元的比例系數，k>0；wi(k)為對應于xi(k)的加權系數。

在單神經(jīng)元控制器中引入輸出誤差平方的二次型性能指標J，通過(guò)修改神經(jīng)元控制器的加權系數wi（k），使性能指標趨于最小，從而實(shí)現自適應PID的最優(yōu)控制。

設二次型性能指標函數為：

使加權系數wi(k)的修正沿著(zhù)J的減小方向，即對wi（k）的負梯度方向搜索調整。wi( k)的調整量為：

式中，ηi(i=I、P、D)為學(xué)習率。
對上述算法進(jìn)行規范整理后，可得學(xué)習算法如下：

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