專利名稱：一種基于線性自抗擾控制器的粗紗機同步控制方法
一種基于線性自抗擾控制器的粗紗機同步控制方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電機控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種粗紗機的控制方法。
技術(shù)背景
目前新型粗紗機一般由計算機控制，通過四臺變頻器分別驅(qū)動四臺同步電機，構(gòu)成牽伸系統(tǒng)、筒管系統(tǒng)、錠翼系統(tǒng)及龍筋升降系統(tǒng)，使粗紗的牽伸、卷繞成形完全受控于計算機,根據(jù)粗紗工藝要求,通過相應(yīng)的軟件指令控制各電機的速度,精確完成粗紗的卷繞。 新型粗紗機系統(tǒng)實現(xiàn)了計算機控制系統(tǒng)的四單元傳動技術(shù)，簡化了粗紗成形機構(gòu)；各單元電機在PLC控制指令下運行，從根本上消除了開關(guān)車粗紗細(xì)節(jié)，實現(xiàn)了精細(xì)的粗紗卷繞張力調(diào)節(jié)，是當(dāng)前粗紗機技術(shù)發(fā)展的新方向。
圖I是粗紗機加工過程的示意圖，圖I中羅拉電機驅(qū)動牽伸裝置對棉條進(jìn)行抽長拉細(xì)成為粗紗送入錠翼，由錠翼電機驅(qū)動錠翼回轉(zhuǎn)對粗紗進(jìn)行加捻，通過筒管旋轉(zhuǎn)與錠翼的相對運動將粗紗卷繞在筒管上，由龍筋電機帶動筒管實現(xiàn)粗紗的逐層卷繞，為使粗紗順利地卷繞在筒管上，筒管的卷繞速度必須略大于羅達(dá)的輸出速度，從而產(chǎn)生紗條軸向上的張力，各部分電機由西門子SINAMICS S120 DC-AC變頻器驅(qū)動。S120DC-AC變頻器中，控制單元、整流和逆變都為獨立模塊，中心控制單元為CU320模塊，該模塊可驅(qū)動4個矢量軸，對應(yīng)的電機模塊用于驅(qū)動粗紗機各部分電機。目前多電機粗紗機控制系統(tǒng)中基本上每臺電機都是由獨立的變頻器驅(qū)動，采用一臺S120變頻器進(jìn)行多軸有效的控制簡化了工業(yè)設(shè)備，降低了生產(chǎn)成本?，F(xiàn)有四電機粗紗機同步控制系統(tǒng)中的各分部電機速度關(guān)系如圖2所示，以錠子的速度為基準(zhǔn)，來控制羅拉、筒管和龍筋的速度。其中Ns是恒速的主軸部分，即錠翼電機的轉(zhuǎn)速；Nf是羅拉電機轉(zhuǎn)速，用于控制粗紗的捻度；NW是筒管電機的轉(zhuǎn)速；nw是筒管的轉(zhuǎn)速，筒管的回轉(zhuǎn)速度受到兩部分的影響，一部分是恒速的錠翼電機速度Ns，另一部分是與管紗的直徑成反比的卷繞速度A1是龍筋電機的轉(zhuǎn)速，通過控制龍筋電機正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速配合筒管的卷繞；Ic1I5為比例系數(shù)，受捻度、帶輪齒輪傳動比、卷繞直徑和牽伸系數(shù)等決定，工藝要求確定時Ic1I5可視為常數(shù)。張力產(chǎn)生的本質(zhì)是相鄰電機的轉(zhuǎn)速差，因此可通過控制錠翼電機轉(zhuǎn)速和張力實現(xiàn)多電機粗紗機系統(tǒng)的控制。
“基于誤差來消除誤差”的控制策略是經(jīng)典PID控制的精髓，也是其在工業(yè)控制中廣泛被采用的主要原因。由于PID控制器成形時期的科技水平限制，處理誤差信號的方法粗糙，使得PID控制器未能盡情發(fā)揮其優(yōu)點。為滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)控制精度和速度以及對外部變換的適應(yīng)能力的要求，先進(jìn)的信號處理技術(shù)和數(shù)字化方法逐漸被融入PID控制器中，形成了如自校正PID、智能PID、模糊PID和專家系統(tǒng)PID等一系列新型控制器。概括 PID控制技術(shù)的缺點為微分器物理不可實現(xiàn)限制了 PID的控制能力；“快速性”和“超調(diào)” 不可調(diào)和的矛盾；組合形式限制在加權(quán)和的形式；原始誤差的產(chǎn)生方法值得商榷。韓京清研究員在此基礎(chǔ)上相繼開發(fā)出跟蹤微分器，擴張狀態(tài)觀測器和非線性誤差反饋機制，從而開發(fā)出一系列新型控制器。自抗擾是其中具有代表性的控制技術(shù)，各組成部分可以進(jìn)行多種選擇，對經(jīng)典PID做出了如下方面的改進(jìn)安排過渡過程；提取系統(tǒng)狀態(tài)信息和擾動總和信息；用狀態(tài)誤差信息來產(chǎn)生非線性誤差反饋控制量；根據(jù)擾動估計值對系統(tǒng)進(jìn)行擾動補 m\-ΖΧ ο發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是對現(xiàn)有的控制方法進(jìn)行改進(jìn)，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)牽伸和卷繞兩大傳動系統(tǒng)的線速度匹配，維持張力穩(wěn)定的四電機同步粗紗機控制方法。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
—種基于線性自抗擾控制器的粗紗機同步控制方法，利用變頻器驅(qū)動4個矢量軸，各個矢量軸對應(yīng)的電機模塊分別用于驅(qū)動粗紗機的羅拉電機、錠翼電機、筒管電機和龍筋電機四個電機，以錠翼電機的速度為基準(zhǔn)，來控制羅拉電機、筒管電機和龍筋電機的速度，錠翼電機和龍筋電機的控制器為速度閉環(huán)控制器，速度的反饋量由光電編碼器檢測獲得；筒管電機和羅拉電機的控制器為張力閉環(huán)控制器，張力的反饋量分別由各自相應(yīng)的兩個張力傳感器檢測得到，錠翼電機速度閉環(huán)控制器、龍筋電機的速度閉環(huán)控制器、筒管電機的張力閉環(huán)控制器和羅拉電機的張力閉環(huán)控制器均采用線性自抗擾控制器，每個線性自抗擾控制器包括將模型擾動、參數(shù)攝動以及筒管電機速度和粗紗的張力統(tǒng)一視為外加擾動進(jìn)行處理的線性擴張狀態(tài)觀測器及根據(jù)誤差來決定控制純積分器串聯(lián)行對象的控制規(guī)律，采用線性比例調(diào)節(jié)的比例調(diào)節(jié)，并用擾動估計值對誤差反饋控制量進(jìn)行 補償。
在本發(fā)明的四電機粗紗機控制系統(tǒng)中，速度控制回路和張力控制回路中各有一個線性自抗擾控制器，該線性自抗擾控制器與粗紗機四分部電機控制系統(tǒng)形成閉環(huán)，構(gòu)成自抗擾控制器閉環(huán)系統(tǒng)；該線性自抗擾控制器是一種以系統(tǒng)設(shè)定值、系統(tǒng)被控輸出和上一步控制量來確定新控制量的裝置，由線性擴張狀態(tài)觀測器、比例調(diào)節(jié)器以及用擾動估計值對誤差反饋控制量進(jìn)行補償組成，擴張狀態(tài)觀測器采用線性的比例調(diào)節(jié)輸出控制對象和未知擾動的觀測值。本發(fā)明中線性自抗擾控制思想是基于自抗擾控制理論，線性ADRC不僅繼承了 ADRC的優(yōu)點不需要具體的數(shù)學(xué)模型，無積分環(huán)節(jié)即可實現(xiàn)無靜差，避免了積分反饋的副作用，而且觀測器采用線性形式，結(jié)構(gòu)更簡單，實驗更容易，使得算法計算量減小，實時性增強，可以達(dá)到良好的實際控制性能。


圖1為粗紗機同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2為四電機速比關(guān)系不意圖3為傳統(tǒng)ADRC控制原理框圖4為本發(fā)明設(shè)計的線性ADRC控制原理框圖5為基于線性ADRC的粗紗機同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
下面根據(jù)附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
自抗擾控制技術(shù)是韓京清研究員經(jīng)過深刻剖析經(jīng)典PID控制技術(shù)演變出的新型控制技術(shù)，并成功應(yīng)用于電力、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域。其主要技術(shù)包括跟蹤微分器，擴張狀態(tài)觀測器和非線性反饋效應(yīng)。仿真和實驗表明自抗擾控制器ADRC與傳統(tǒng)PID控制器相比，ADRC能很好的克服快速性與超調(diào)量之間的矛盾，有效提高系統(tǒng)的抗擾能力。而且根據(jù)設(shè)計過程的分離性原理，自抗擾控制器的三個組成部分可以按各自的工程意義分別獨立地設(shè)計出各個組成部分，然后組合成一個完整的自抗擾控制器。有關(guān)自抗擾控制技術(shù)的詳細(xì)說明可參見下列兩篇文獻(xiàn)
[I]韓京清.自抗擾控制技術(shù)估計補償不確定因素的控制技術(shù)[M].北京國防工業(yè)出版社，2009.
[2]劉星橋，唐琳，周麗.二階自抗擾控制器在三電機同步系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報,2012，27 (2) :179-184.
如圖3所示，典型自抗擾控制器是基于跟蹤微分器(TD)、非線性反饋控制率 (NLSEF)和擴張狀態(tài)觀測器(ESO)的一種非線性控制器。自抗擾控制器的三個組成部分均采用非線性函數(shù)，參數(shù)較多，調(diào)節(jié)復(fù)雜，在實際應(yīng)用中難以簡單快速的實現(xiàn)控制目標(biāo)。而事實上，采用線性函數(shù)也能得到性能優(yōu)良的控制器，并且參數(shù)整定計算量大大減少。因此，本發(fā)明在ADRC的優(yōu)化模型中進(jìn)行參數(shù)簡化，在保證控制器性能的前提下，有效的減少參數(shù)的調(diào)節(jié)過程，適合實際工業(yè)控制的要求。典型二階自抗擾控制器算法如下
權(quán)利要求
1.一種基于線性自抗擾控制器的粗紗機同步控制方法，利用變頻器驅(qū)動4個矢量軸，各個矢量軸對應(yīng)的電機模塊分別用于驅(qū)動粗紗機的羅拉電機、錠翼電機、筒管電機和龍筋電機四個電機，以錠翼電機的速度為基準(zhǔn)，來控制羅拉電機、筒管電機和龍筋電機的速度，錠翼電機和龍筋電機的控制器為速度閉環(huán)控制器，速度的反饋量由光電編碼器檢測獲得；筒管電機和羅拉電機的控制器為張カ閉環(huán)控制器，張カ的反饋量分別由兩個張カ傳感器檢測得到，其特征在干，錠翼電機速度閉環(huán)控制器、龍筋電機的速度閉環(huán)控制器、筒管電機的張カ閉環(huán)控制器和羅拉電機的張カ閉環(huán)控制器均采用線性自抗擾控制器，每個線性自抗擾控制器包括將模型擾動、參數(shù)攝動以及筒管電機速度和粗紗的張力統(tǒng)ー視為外加擾動進(jìn)行處理的線性擴張狀態(tài)觀測器及根據(jù)誤差來決定控制純積分器串聯(lián)行對象的控制規(guī)律，采用線性比例調(diào)節(jié)的比例調(diào)節(jié)，并用擾動估計值對誤差反饋控制量進(jìn)行補償。
全文摘要
本發(fā)明屬于電機控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于線性自抗擾控制器的粗紗機同步控制方法，利用4電機模塊分驅(qū)動粗紗機的羅拉電機、錠翼電機、筒管電機和龍筋電機四個電機，以錠翼電機的速度為基準(zhǔn)，來控制羅拉電機、筒管電機和龍筋電機的速度，錠翼電機和龍筋電機的控制器為速度閉環(huán)控制器；筒管電機和羅拉電機的控制器為張力閉環(huán)控制器，錠翼電機速度閉環(huán)控制器、龍筋電機的速度閉環(huán)控制器、筒管電機的張力閉環(huán)控制器和羅拉電機的張力閉環(huán)控制器均采用線性自抗擾控制器。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)牽伸和卷繞兩大傳動系統(tǒng)的線速度匹配，維持張力穩(wěn)定。
文檔編號D01H13/00GK102983797SQ20121044513
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者夏長亮, 魏玉春, 陳煒, 谷鑫 申請人:天津大學(xué)