馬海豹, 趙世海
(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387)
分切機(jī)作為紡織行業(yè)的后期精整設(shè)備一直備受關(guān)注,滿足各類紡織材料的切邊、分割及卷繞。
紡織品的精整設(shè)備起步于20世紀(jì)50年代,美國杜森百瑞公司制造出第一臺(tái)分切機(jī),目的是提高紡織品外觀形象[1]及卷材運(yùn)輸?shù)谋憬菪?,?dāng)前德國康普、英國阿特拉斯、意大利鐵坦、日本片岡等企業(yè)在紡織品分切設(shè)備上均具有較高占有率,如德國格貝爾公司研發(fā)出幅寬為10 m的分切機(jī)且最高速度已經(jīng)能達(dá)到1 200 m/min,但價(jià)格十分高昂,不利于中國中小企業(yè)的發(fā)展。中國分切機(jī)研究起步較晚,在收卷過程中普遍存在張力控制精度低、波動(dòng)較大等問題。目前主要通過控制繼電器、變頻器及其他傳感器等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行,如利用張力傳感器和速度傳感器進(jìn)行閉環(huán)張力控制,采用自適應(yīng)PID(proportion integration differentiation)控制算法進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié);湘潭大學(xué)信息工程系針對多線切割機(jī)精度及干擾問題提出線性H_∞張力控制方案,利用chelosky分解方法解決動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題,提高了運(yùn)行速度且降低斷線率[2];燕山大學(xué)在冷帶軋機(jī)速度張力系統(tǒng)中利用自適應(yīng)方法和非線性干擾觀測器,降低內(nèi)部參數(shù)變化帶來的影響,實(shí)現(xiàn)張力的較小的波動(dòng)[3]。但上述控制方案一般應(yīng)用于相對簡單的設(shè)備,無法滿足高精度及復(fù)雜現(xiàn)場。
目前中國分切設(shè)備的發(fā)展難點(diǎn)在于張力控制器的設(shè)計(jì),始終未形成完整的張力控制算法理論研究。收卷過程中卷裝材料的直徑不斷增大,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也跟隨增大,造成收卷系統(tǒng)非線性、強(qiáng)干擾等問題。同時(shí),高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),加劇了系統(tǒng)的非線性,張力控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定不僅帶來如毛邊、爆筋、褶皺等外觀問題,而且會(huì)損壞材料的內(nèi)部組織,如造成材料不均勻性、斷裂等。張力的波動(dòng)造成大量的產(chǎn)品瑕疵,增加了生產(chǎn)成本,嚴(yán)重降低中國紡織品的國際競爭力。從提高紡織品溢價(jià)能力的角度看,改善設(shè)備收卷張力控制系統(tǒng)具有重要意義。高速、高自動(dòng)化的張力控制成為紡織設(shè)備發(fā)展[4-5]的必然趨勢,控制器作為系統(tǒng)的核心部件,一直是控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
中國分切機(jī)張力系統(tǒng)多數(shù)利用PID控制算法的簡便性依據(jù)收卷情況而現(xiàn)場調(diào)節(jié)參數(shù)[6],但人工調(diào)節(jié)在實(shí)時(shí)性和精確性方面存在較大缺陷,難以保證收卷穩(wěn)定。收卷部分機(jī)構(gòu)、輥?zhàn)?、零部件較多,設(shè)計(jì)時(shí)難以確定系統(tǒng)干擾因素,為更好地保證張力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行,提出借助自抗擾控制器[7-8](auto disturbance rejection control,ADRC)進(jìn)行未知干擾的在線預(yù)估及補(bǔ)償,利用非線性組合規(guī)律滿足各種復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境,保持系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定,并與常規(guī)PID控制進(jìn)行對比。但該控制器中擴(kuò)張狀態(tài)觀測器[9]的參數(shù)整定較難,經(jīng)驗(yàn)試配方法可能導(dǎo)致控制器的補(bǔ)償能力喪失,將遺傳算法(genetic algorithm,GA)與自抗擾控制器結(jié)合,通過遺傳算法的全局尋優(yōu)特性[10-11]以及強(qiáng)大的并行處理能力,實(shí)現(xiàn)自抗擾控制器參數(shù)的在線整定、優(yōu)化,使之適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)模型的動(dòng)態(tài)變化?,F(xiàn)利用MATLAB軟件對其進(jìn)行仿真研究,優(yōu)化控制器的性能,為紡織分切設(shè)備的控制系統(tǒng)尋求一種有效張力控制方案。
收卷系統(tǒng)由兩段閉環(huán)控制組成,張力傳感裝置實(shí)時(shí)檢測,并將張力信號(hào)值傳遞至控制器,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)張力的直接控制。收卷張力控制基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及張力檢測器等組成。同時(shí),收卷主軸上安裝編碼器,在線測量材料的運(yùn)行線速度,將速度值反饋到控制器,形成速度閉環(huán)。
圖1 收卷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Reeling system structure diagram
材料的收卷是一個(gè)較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,張力較大時(shí)材料處于繃緊狀態(tài),可能引起材料內(nèi)部組織的撕扯,造成材料厚度不均甚至是扯斷;張力太小引起材料較為松弛,影響卷裝的端面整齊度、緊實(shí)性等。材料張力是因速度差而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,通過調(diào)節(jié)牽出輥?zhàn)雍褪站磔S的線速度即可控制卷裝張力,收卷系統(tǒng)的控制方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。收卷系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)較多,結(jié)構(gòu)中的時(shí)變因素影響較多,增加了控制難度,為便于調(diào)節(jié)將牽出機(jī)構(gòu)作為運(yùn)行基準(zhǔn),保持電機(jī)恒速運(yùn)行,收卷軸通過獲取控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行變速調(diào)整,對張力進(jìn)行直接補(bǔ)償。張力傳感器檢測實(shí)時(shí)張力值并與設(shè)定張力進(jìn)行對比,將偏差值作為信號(hào)傳送至遺傳算法優(yōu)化的自抗擾控制器中,控制算法能根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)變化在線調(diào)整控制器參數(shù),控制器經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算輸出更合理的控制量,達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定張力控制效果。系統(tǒng)仍舊采用直接反饋原理,以張力設(shè)定值與實(shí)際反饋值的誤差作為輸入信號(hào),并將信號(hào)傳遞給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,控制器調(diào)節(jié)收卷電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小實(shí)現(xiàn)速度差的恒定。
圖2 收卷張力控制方案結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of winding tension control scheme
材料的收卷是一個(gè)較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,張力較大時(shí)材料處于繃緊狀態(tài),可能引起材料內(nèi)部組織的撕扯,造成材料厚度不均甚至是扯斷;張力太小引起材料較為松弛,影響卷裝的端面整齊度、緊實(shí)性等;張力的波動(dòng)時(shí)刻影響卷材的品質(zhì)、外觀,故分析張力產(chǎn)生的原理是進(jìn)行系統(tǒng)張力控制的前提,根據(jù)胡克定律可得
(1)
式(1)中:F為卷張材料張力,N;A為卷裝材料的橫截面積,m2;E為材料的彈性模量,Pa;t為材料運(yùn)行時(shí)長,s;v1、v2分別為前后輥?zhàn)舆\(yùn)行線速度,m/s;L為輥?zhàn)娱g的中心距,m。
隨著卷取的不斷進(jìn)行,收卷軸上的材料不斷增加,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也逐漸增大,且兩者是無法避免的非線性變化。為維持系統(tǒng)運(yùn)行速度的恒定,電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速要不斷減小。根據(jù)力矩平衡方程可得
(2)
式(2)中:M為卷繞電機(jī)的輸出動(dòng)力矩,N·m;Mf為阻力矩,N·m;R1為卷筒卷徑,m;ω為輥?zhàn)咏撬俣?,rad/s;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J主要包括材料及軸芯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,其表達(dá)式為
(3)
式(3)中:JR0、JR1為卷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和卷材的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;ρ、ρ1為卷材和卷軸的密度,kg/m3;R0、R1為軸芯和卷材半徑,m;b為卷裝材料的幅寬,m。為便于理解和計(jì)算,收卷輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可簡化為
(4)
式(4)中:
(5)
將式(3)~式(5)代入式(2)中,可得卷裝材料的張力表達(dá)式為
(6)
式(6)中:δ為材料厚度,μm。
遺傳自抗擾控制器(genetic auto disturbance rejection controller, GA-ADRC)是利用各自的優(yōu)勢構(gòu)建最佳控制器,其控制結(jié)構(gòu)如圖3所示??刂破鞑捎梅答伩刂圃?,將張力檢測值和系統(tǒng)設(shè)定值的偏差傳遞至遺傳優(yōu)化算法中,同時(shí)將控制器的輸出量同步反饋至遺傳算法中,實(shí)現(xiàn)張力的最優(yōu)控制。
圖3 遺傳自抗擾控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Genetic auto disturbance rejection control structure diagram
相較于PID控制,自抗擾控制器是基于非線性誤差反饋控制[12]。經(jīng)典自抗擾控制器ADRC主要由三部分組成:信號(hào)過渡(tracking differentiator, TD)、非線性控制組合(nonlinear state error feedback control, NLSEF)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(extended state observer, ESO)。各部分單元具備不同的工作性能,功能結(jié)構(gòu)較PID有了較大完善,控制效果也顯著提升。
信號(hào)過渡主要是解決信號(hào)噪聲污染及微分提取不準(zhǔn)確等問題,利用vi1、vi2分別追蹤給定張力值及微分信號(hào)值,有效獲取微分信號(hào)值;擴(kuò)張狀態(tài)觀測器通過對系統(tǒng)模型參數(shù)β1、β2、β3進(jìn)行調(diào)節(jié),輸出實(shí)際張力值的跟蹤信號(hào)及微分信號(hào)zi1、zi2,同時(shí),對系統(tǒng)中不可知要素可能產(chǎn)生的干擾進(jìn)行在線估算,輸出反饋預(yù)估值zi3,提高系統(tǒng)控制穩(wěn)定性;非線性組合單元將反饋的張力誤差e11及微分誤差e12各類參數(shù)按照非線性方式重新結(jié)合分配,利用補(bǔ)償值b對模型進(jìn)行在線補(bǔ)償。各單元的詳細(xì)控制算法如下:
TD控制算法為
(7)
NLSEF控制算法為
(8)
ESO控制算法為
(9)
式中:β為增益系數(shù);u為補(bǔ)償值;h為區(qū)間長度;ri為速度系數(shù);δ為區(qū)間值;kp、kd為可調(diào)參數(shù)值;e為系統(tǒng)輸入偏差;fhi為信號(hào)過渡因子;fal為非線性控制函數(shù)。其中,fhan(x1,x2,r,h)為最速綜合控制函數(shù),具體算法如下:
(10)
與常規(guī)PID控制器相比,ADRC控制器結(jié)構(gòu)較為完善,但仍存在一些問題,主要體現(xiàn)在控制器參數(shù)相對較多,尤其是擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)的參數(shù),直接決定了控制器的整體性能。目前該結(jié)構(gòu)的參數(shù)仍舊沒有較完善的調(diào)整法則,參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整導(dǎo)致ADRC控制器的補(bǔ)償能力急劇下降,因此,對控制器的參數(shù)設(shè)置提出了更高要求。
遺傳算法是模擬自然界生物的遺傳和物種進(jìn)化規(guī)則而形成的并行搜索算法[13],它將控制器中需要優(yōu)化的參數(shù)值進(jìn)行基因編碼形成一個(gè)物種群,進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)值的選擇、交叉及變異[14],選擇適應(yīng)度值最高的個(gè)體即最優(yōu)解。本文利用遺傳算法優(yōu)化ADRC控制器中的三個(gè)核心參數(shù),即擴(kuò)張觀測器的β1、β2、β3,GA-ADRC控制算法參數(shù)優(yōu)化流程如圖4所示。
圖4 參數(shù)優(yōu)化流程Fig.4 Parameter optimization process
遺傳算法優(yōu)化擴(kuò)張器三個(gè)參數(shù)的具體步驟如下:
(1)確定ADRC三個(gè)參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間范圍,降低計(jì)算量,提高算法運(yùn)行速度。
(2)本模型采用實(shí)數(shù)編碼方式,避免了解碼步驟,提升計(jì)算精度和傳輸速率,且參數(shù)和參數(shù)編碼在空間上能一一對應(yīng),編碼含義清晰明確。
(3)張力控制的目的是降低張力波動(dòng),即保證運(yùn)行張力的偏差最小,故選擇絕對誤差積分作為目標(biāo)函數(shù)。同時(shí),為避免誤差值較大,將控制器的輸出值加入目標(biāo)函數(shù)中,表達(dá)式為
(11)
式(11)中:e(t)為系統(tǒng)的偏差量;u(t)為控制器的輸出值;ti為系統(tǒng)上升時(shí)間;w1、w2、w3為系統(tǒng)的權(quán)值。
同時(shí),為降低運(yùn)行張力出現(xiàn)較大震蕩,引入懲罰機(jī)制,即將超調(diào)量加入目標(biāo)函數(shù),作為系統(tǒng)穩(wěn)定性的評判機(jī)制,一般表述為
w4e(t)]dt+w3ti
(12)
(4)適應(yīng)度函數(shù)[15]作為篩選種群中合適個(gè)體的重要指標(biāo)函數(shù),決定著解的好壞。查閱有關(guān)資料,一般將目標(biāo)函數(shù)的倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)f,即f=1/J。
(5)遺傳算法的交叉與變異,是提高樣本豐富度,避免算法出現(xiàn)早熟的有效手段。設(shè)交叉率為Pc、變異率為Pm,本模型中Pc=0.9,Pm=0.001,各個(gè)權(quán)值系數(shù)經(jīng)人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整。
控制器參數(shù)經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后,為驗(yàn)證優(yōu)化后的控制器性能,給定張力信號(hào)為10、15 N時(shí),對比經(jīng)驗(yàn)整定和遺傳算法優(yōu)化后的ADRC控制器的追蹤性能,如圖5所示。
圖5 ADRC控制器優(yōu)化前后系統(tǒng)張力追蹤Fig.5 System tension tracking before and after optimization of ADRC controller
如圖5所示,經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化后的控制器追蹤響應(yīng)能力明顯優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)整定方法,隨機(jī)設(shè)定的張力信號(hào),遺傳ADRC達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間比經(jīng)驗(yàn)調(diào)整的控制器短,可知經(jīng)過優(yōu)化后的控制器能夠應(yīng)對各種情況下張力的快速追蹤需求。
工業(yè)上的PID控制往往出現(xiàn)超調(diào),造成控制精度不足,出現(xiàn)偏差,即使達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)也同樣存在穩(wěn)態(tài)誤差,難以滿足高精度控制系統(tǒng),對比PID、ADRC及遺傳優(yōu)化后的ADRC控制器對系統(tǒng)誤差的糾偏效果,系統(tǒng)誤差曲線如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)誤差糾偏曲線Fig.6 System error correction curve
如圖6所示,在PID控制器下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較大,且收斂速度也較為緩慢;經(jīng)驗(yàn)整定的ADRC控制器的追蹤誤差相較于PID有所改善,但仍存在一定的誤差值;經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的ADRC控制器,系統(tǒng)誤差范圍最小,糾偏效果明顯,說明遺傳ADRC控制器能夠明顯改善控制效果。
為驗(yàn)證遺傳自抗擾控制器在收卷系統(tǒng)中的控制效果,利用MATLAB軟件編制M文件,同時(shí),利用提供的Simulink工具箱搭建仿真模型,對比常規(guī)PID控制器,驗(yàn)證在不同情況下的魯棒性及抗擾動(dòng)性。采用相同的仿真步長,仿真時(shí)間為8 s,模型基本參數(shù)如表1所示,控制器參數(shù)如表2所示。
表1 收卷模型基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of winding model
表2 控制器參數(shù)Table 2 Controller parameters
3.1.1 控制器的魯棒性分析
收卷模型中,卷裝材料的半徑變化最為明顯,是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng),模型參數(shù)的較大變化會(huì)加劇張力的波動(dòng),控制器針對參數(shù)時(shí)變性特征表現(xiàn)出的魯棒性決定控制器性能的優(yōu)劣。在ω=200 r/min,卷裝半徑R1分別為0.1、0.2、0.3 m時(shí),不同控制器的張力響應(yīng)曲線如圖7所示。
圖7 半徑變化時(shí)不同控制器下的張力響應(yīng)曲線Fig.7 Tensile response curves under different controllers when the radius changes
如圖7(a)所示,利用傳統(tǒng)PID控制時(shí),隨著半徑R1的變化,張力曲線出現(xiàn)不同程度的波動(dòng),近2 s張力才趨于穩(wěn)定狀態(tài)。初始收卷張力波動(dòng)較大,超調(diào)量達(dá)13.2%,較大的振幅超出了工程允許范圍,損傷了設(shè)備,降低了收卷產(chǎn)品的品質(zhì),張力波動(dòng)幅度較大甚至?xí)稊喈a(chǎn)品。如圖7(b)所示,利用遺傳算法優(yōu)化的ADRC控制器,無論卷裝材料的半徑如何變化,系統(tǒng)超調(diào)量幾乎為零,張力曲線無震蕩,控制器魯棒性高。
3.1.2 控制器的抗干擾性分析
在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)過程中,受到外界環(huán)境的各種擾動(dòng),為驗(yàn)證兩種控制器在相同情況下的抗干擾性,在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的2 s和4 s時(shí),給張力系統(tǒng)分別加入5、2 N的張力影響。同樣,設(shè)置系統(tǒng)在ω=200 r/min,R1分別為0.1、0.2、0.3 m時(shí),如圖8所示,即為加入干擾下兩種控制器的仿真結(jié)果。
圖8 加入擾動(dòng)下的張力響應(yīng)曲線Fig.8 Tension response curve with disturbance added
如圖8所示,張力系統(tǒng)在受到外界影響的狀況下,在常規(guī)PID控制器下,振幅較大。特別在初期卷繞時(shí),振動(dòng)幅度達(dá)到16.2%,持續(xù)時(shí)間為0.7 s,收斂緩慢,且張力波動(dòng)隨半徑R1的大小不斷變化。而通過遺傳ADRC控制器,系統(tǒng)在受到外界較大干擾時(shí)僅產(chǎn)生3.6%的波動(dòng),且迅速恢復(fù)穩(wěn)定,其余段的運(yùn)行張力幾乎不受外界干擾。說明遺傳ADRC控制器具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力和擾動(dòng)補(bǔ)償能力,能夠滿足張力控制要求。
為進(jìn)一步驗(yàn)證控制器的優(yōu)越性,搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行張力控制系統(tǒng)的驗(yàn)證,如圖9所示。
1為電器柜;2為控制面板;3為張力傳感器;4為牽出機(jī)構(gòu);5為導(dǎo)向輥圖9 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.9 Experimental verification
樣機(jī)配置了西門子S7-300可編程控制器,同時(shí)帶有其精簡系列控制面板,可設(shè)置運(yùn)行參數(shù)并可在線查看張力響應(yīng)狀況。設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行張力為30 N,運(yùn)行穩(wěn)定后取1 min作為采樣時(shí)間,每隔5 s記錄一組數(shù)據(jù),通過控制面板記錄系統(tǒng)改造前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果,即常規(guī)PID控制及遺傳自抗擾控制,具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 測量數(shù)據(jù)Table 3 Measurement data
為便于直觀清晰了解系統(tǒng)改造前后張力的變化狀況,即常規(guī)PID及GA-ADRC控制。將采樣數(shù)據(jù)繪制成如圖10所示折線圖。
如圖10所示,實(shí)際收卷張力與運(yùn)行設(shè)定值并未完全吻合,在常規(guī)PID控制器下收卷張力波動(dòng)相對較大,卷裝產(chǎn)品端面不整齊,且出現(xiàn)橫向條紋。在本文設(shè)計(jì)的遺傳自抗擾控制器下張力始終在一定范圍內(nèi)圍繞設(shè)定值波動(dòng),改造后的張力控制精度在±2%以內(nèi),滿足收卷張力的控制精度要求。
圖10 收卷張力變化折線圖Fig.10 Fold line chart of the change of winding tension
根據(jù)收卷機(jī)構(gòu)的非線性、時(shí)變性模型,提出了遺傳算法優(yōu)化的自抗擾控制器,并搭建仿真模型,仿真結(jié)果如下:
(1)收卷模型內(nèi)部參數(shù)不斷變化,在PID控制器下,初始超調(diào)量達(dá)13.2%,設(shè)備在開始運(yùn)行時(shí)張力震蕩較為明顯,在GA-ADRC控制器下張力幾乎未出現(xiàn)超調(diào),運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。
(2)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí),利用PID控制器,張力產(chǎn)生16.2%的振動(dòng)幅度,且需較長時(shí)間才趨于穩(wěn)定,在GA-ADRC控制器下,系統(tǒng)受到較大張力擾動(dòng)時(shí)振動(dòng)幅度降低至3.6%,重新趨于穩(wěn)定的調(diào)節(jié)時(shí)間也大大降低。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明遺傳自抗擾控制器魯棒性好、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)迅速,能滿足復(fù)雜的卷繞張力控制系統(tǒng)各類技術(shù)要求,實(shí)現(xiàn)張力的恒定控制。