恒線速無卡旋切機(jī)變速進(jìn)給自整定PID控制

楊素珍

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恒線速無卡旋切機(jī)變速進(jìn)給自整定PID控制

楊素珍

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與自動(dòng)化工程系，福建 漳州 363000）

針對(duì)當(dāng)前無卡旋切機(jī)的變速進(jìn)給系統(tǒng)存在開環(huán)控制下無法補(bǔ)償系統(tǒng)不確定性和干擾，閉環(huán)控制下控制器復(fù)雜且控制參數(shù)不易確定，提出一種結(jié)合前饋和基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在線參數(shù)自整定PID控制的復(fù)合控制器，該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效消除系統(tǒng)干擾，且收斂迅速，控制精度高，仿真結(jié)果表明該控制器的有效性。

無卡旋切機(jī)；恒線速；變速進(jìn)給；PID控制；自整定

0 引言

世界森林資源日益匱乏，通過人造板生產(chǎn)來高效益利用圓木，提高木材的綜合利用率有利于緩解當(dāng)前突出的供需矛盾。旋切機(jī)作為單板和膠合板生產(chǎn)的主要設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究意義重大。當(dāng)前旋切機(jī)主要可分為有卡軸和無卡軸兩類，相比之下，無卡旋切機(jī)采用驅(qū)動(dòng)輥驅(qū)動(dòng)圓木進(jìn)行旋切，取消了有卡旋切機(jī)的卡軸，極大地減小了木材剩余木芯的直徑，進(jìn)一步提高了木材的利用率，因此成為目前旋切機(jī)的主流機(jī)型。

為了提高旋切機(jī)旋切單板的質(zhì)量，單板厚度均勻與否是關(guān)鍵，厚度均勻的單板有利于膠合板生產(chǎn)后續(xù)工藝的進(jìn)行，從而提高成品的質(zhì)量。在理想狀態(tài)下，旋切機(jī)在旋切單板的過程中，如果單板厚度均勻，則旋刀刀刃在木段橫斷面上的運(yùn)動(dòng)軌跡是近似阿基米德螺旋線[1]，當(dāng)無卡旋切機(jī)驅(qū)動(dòng)輥保持恒定轉(zhuǎn)速，即恒線速驅(qū)動(dòng)圓木段，而旋刀刀刃進(jìn)行變速進(jìn)給則可實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)軌跡控制，現(xiàn)有的旋切機(jī)對(duì)變速進(jìn)給的速度控制大都采用開環(huán)方式[2-4]，該方式要求系統(tǒng)的輸入與輸出之間關(guān)系應(yīng)保持較好的穩(wěn)定性[5]，一旦這種穩(wěn)定性無法保證，如系統(tǒng)出現(xiàn)得不到補(bǔ)償?shù)膭傂韵陆祷蜉^大干擾等，往往導(dǎo)致無法獲得所需單板厚度精度。鑒于此，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)一種基于模糊控制的伺服控制器，并采用模糊自適應(yīng)來調(diào)整電機(jī)輸入電流的比例系數(shù)，該方法有效抵御系統(tǒng)的不確定和干擾，然而整個(gè)控制器的設(shè)計(jì)依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)去制定模糊邏輯，加大了控制器設(shè)計(jì)的不確定性和難度，文獻(xiàn)[6]采用常規(guī)PID反饋控制的方法，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是PID參數(shù)不易確定。為解決上述困難，本文提出一種結(jié)合前饋控制和PID反饋控制的旋切機(jī)變速進(jìn)給伺服控制器，并采用單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定，有效補(bǔ)償系統(tǒng)不確定性和干擾的影響，保證系統(tǒng)具有較好的靜動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)，該控制器無需人工設(shè)定控制參數(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，可為高精度無卡旋切機(jī)的研制提供有益的理論參考。

1 無卡旋切機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

主流無卡旋切機(jī)旋切系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，圓木的恒線速旋轉(zhuǎn)通過固定驅(qū)動(dòng)輥1，2和與進(jìn)給系統(tǒng)同步移動(dòng)的壓尺輥3共同驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，旋刀由進(jìn)給系統(tǒng)帶動(dòng)變速進(jìn)給，該速度由切屑條件和切屑厚度參數(shù)決定，并通過調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿來實(shí)現(xiàn)，假定驅(qū)動(dòng)輥與圓木之間無相對(duì)滑動(dòng)，理論上則可切屑出厚度均勻的成品單板。

圖1 無卡旋切機(jī)旋切系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

（2）式兩端對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得刀刃的進(jìn)給速度為

由于圓木橫斷面的面積變化與輸出單板橫斷面面積變化相同，則有如下關(guān)系式成立

結(jié)合（1），（3），（5）式，可得無卡旋切機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)方程為[3]

2 控制器設(shè)計(jì)

圖2 旋切系統(tǒng)變速進(jìn)給控制器結(jié)構(gòu)圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab下對(duì)本文提出的控制器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真模型參數(shù)為：

無卡旋切機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)速度隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示，控制輸出厚度變化曲線如圖4所示，在關(guān)閉單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)時(shí)，控制器無法穩(wěn)定系統(tǒng)，而在開啟單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)能夠鎮(zhèn)定到期望厚度值，且鎮(zhèn)定速度塊，穩(wěn)態(tài)誤差小。圖3還表明隨著圓木直徑的不斷變小，刀刃進(jìn)給速度呈非線性增長(zhǎng)，是一個(gè)變速進(jìn)給的過程。實(shí)驗(yàn)過程中，我們還發(fā)現(xiàn)，為了讓輸出厚度更加均勻以取得更好的旋切質(zhì)量，不同的旋切厚度，應(yīng)采用不同的恒線速，厚度越大則恒線速應(yīng)越小。

圖3 無卡旋切機(jī)的進(jìn)給速度曲線

圖4 控制輸出厚度變化曲線

4 結(jié)束語

為了應(yīng)對(duì)無卡旋切機(jī)變速進(jìn)給系統(tǒng)固有的非線性和干擾，并降低其控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，本文在建立無卡旋切機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種結(jié)合前饋和基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在線參數(shù)自整定的PID反饋控制的復(fù)合控制器，該控制器無需人工調(diào)整控制參數(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性高，仿真結(jié)果表明其有效抵御系統(tǒng)干擾，且鎮(zhèn)定速度快，控制精度高，可為實(shí)際恒線速無卡旋切機(jī)變速進(jìn)給系統(tǒng)的研制提供有益參考。

[1] 歐陽富,張士成,孟慶午,李成元,李傳信.恒線速旋切機(jī)基本理論問題的研究[J].林業(yè)科學(xué),1997,33(5):454-462.

[2] 崔成法,何德芳,宋潔,趙麗紅.無卡軸旋切機(jī)刀床變速進(jìn)給理論德分析與應(yīng)用[J].林業(yè)產(chǎn)業(yè),2001,28(6):19-20.

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[7] 劉金琨.先進(jìn)PID控制Maltab仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

（責(zé)任編輯：季平）

Self-tuning PID Control of Variable Speed Feed for Log-core Veneer Lathe

YANG Su-zhen

(Department of Mechanical & Automation Engineering, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000, China)

In current variable speed feed system of log-core veneer lathe, the uncertainty and interference can not be compensated by using open-loop control, the parameters are hard to determined and the controller is complicate by using closed-loop control. To deal with these problems, a composite controller combining feed forward and PID control with online parameters self-tuning based on single neural network is proposed. The structure of the controller is simple, the system interference is eliminated effectively, its stabilization time is short and its accuracy is high, the effectiveness of this controller is proved by the simulation result.

log-core veneer lathe; constant linear velocity; variable speed feed; PID control; self-tuning

2011－12－10

楊素珍（1982－），福建漳州人，助教，碩士，主要從事智能機(jī)電系統(tǒng)方向研究

TS642；TP271

A

1673-1417（2012）01-0007-05