基于PLC技術(shù)的驅(qū)動裝置定位控制技術(shù)研究

王亞東

【摘要】對于自動化生產(chǎn)而言，其生產(chǎn)過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)的傳輸過程中，容易出現(xiàn)輸送帶劣化與長期使用磨損的狀況，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。面對這種問題，本論文主要基于可編程控制器研究了伺服電機(jī)驅(qū)動裝置定位控制技術(shù)。

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

【中圖分類號】G71 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0172-02

隨著時(shí)代變遷，我國現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)已由早期勞動性密集產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)為技術(shù)性密集產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)升級過程中，工廠機(jī)電自動化扮演重要角色，其中精密電機(jī)定位的發(fā)展對生產(chǎn)線設(shè)備邁向自動化幫助很大，而電機(jī)定位控制的精準(zhǔn)度則有賴于伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本論文主要針對產(chǎn)業(yè)輸送帶定位問題進(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)軸心所帶動的輸送帶則容易因輸送帶劣化或長期磨損等問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，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)動器驅(qū)動伺服電機(jī)，使電機(jī)依轉(zhuǎn)速脈沖轉(zhuǎn)動至設(shè)定位置。在伺服驅(qū)動器與電機(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)器模塊則主要通過伺服驅(qū)動器接收電機(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)編碼器將其移動量編碼成A、B 兩相脈沖，經(jīng)由回路送回伺服驅(qū)動器內(nèi)，由伺服驅(qū)動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)動器具有微調(diào)致動器的效能，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)動器均能自動調(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)動器采用三菱MR-J2S。

在上述電機(jī)定位控制過程中，伺服驅(qū)動系統(tǒng)僅能保證電機(jī)能依運(yùn)轉(zhuǎn)命令運(yùn)轉(zhuǎn)，并無法確保輸送帶能被帶動至指定位置，也即原系統(tǒng)無法修正因輸送帶劣化或長期磨損等因素所造成的位置偏差問題。為改善該缺點(diǎn)，本論文于輸送帶上端裝設(shè)三組光感測器，并將信號傳送至PLC，以進(jìn)一步進(jìn)行外回路的模糊控制。當(dāng)中間的光感測器動作時(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)光感測器動作時(shí)，則代表輸送帶已產(chǎn)生偏移的現(xiàn)象，此時(shí)啟動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為記號，以配合光感測器的檢出。反光記號偏移量為正負(fù)22mm（三個(gè)光感測器彼此間的距離），本實(shí)驗(yàn)中，命令伺服電機(jī)帶動輸送帶重復(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)械磨擦等問題，使得起始點(diǎn)與終點(diǎn)位置無法相符時(shí)，則啟動模糊控制器以進(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，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。

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)則庫找出對應(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，則系統(tǒng)會自動增加脈沖數(shù)至PLC，使輸送帶往前移動一個(gè)修正量；反之，若輸出量為負(fù)的控制信號，則系統(tǒng)會自動減少脈沖數(shù)至PLC，使輸送帶往后移動一個(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，簡稱PID 控制，又稱PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近70多年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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)場調(diào)試來確定，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.模糊邏輯控制庫建立

制定出適當(dāng)?shù)哪：?guī)則庫，將影響控制系統(tǒng)的性能，一般模糊規(guī)則庫的規(guī)則，由多個(gè)語言敘述的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，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)輸入要求改為動態(tài)訊號，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)無控制、PID 控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的比較，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、測試系統(tǒng)的控制性能，由響應(yīng)波形結(jié)果來看，無論是在方波（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。

總的來說，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、定速與停止的響應(yīng)情形可知，驅(qū)動器的輸出端無法根據(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)則庫顯然不足以勝任。未來將考慮將模糊規(guī)則庫建于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，但卻沒有與其他控制方法進(jìn)行比較，未來應(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，未來可通過最佳化方法獲得，使得伺服電機(jī)的定位控制更趨于理想。

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