凹版印花機的多軸協同運動控制技術研究

趙丹瑞 朱文亮 文西芹 杜 鑫 于 飛

（1、江蘇海洋大學 機械與海洋工程學院，江蘇 連云港222005 2、江蘇新龍港港口有限公司，江蘇 連云港222005）

我國現代的印花業相比較過去已經進入了高速發展的階段，因為我國人口比較的多，印花行業需求也是每年在不斷擴大，這樣我國在印花行業的弊端也顯示出來了，其中最為主要的是實際研發能力不足，其中比較明顯則是高端機型很多都是依賴進口，我國在印花機自主產權則是屬于短板，目前印花機的傳動技術更多的是以多軸的傳動為主，另外在產品上顏色方面并不是非常的突出。

本文則是基于以上問題，提出印花機通過模糊PID 控制多軸同步性進而保證印花的穩定性。

1 模糊控制算法與均值濾波

模糊控制屬于智能控制方法一個主要分支，模糊控制最大的優勢在于不依賴實際被控的對象，沒有確定的數學模型，主要則是根據輸入和輸出這兩個量，在模糊控制中主要采用的是自然語言進行編程，這樣使得模糊控制所表現的魯棒性非常的強，具體的實現主要分為三步，分別是模糊化、模糊性推理、解決模糊化[1]。為了進一步精確化，采用了被控的偏差e 和偏差變化率ec作為輸入量，之后再經過MATLAB 軟件中的PID 進行計算，可以得到實際的輸出量[2]。

1.1 模糊控制算法原理

模糊的PID 控制則是將PID 理論和模糊控制理論兩者進行互相的結合，其中主要則是通過被控偏差和偏差率這兩個作為主要的輸入量，對于現有的被控變量進行模糊化處理，之后在經過模糊的計算規則，在對于PID 三個參數進行選擇，具體的如圖1 所示：

圖1 PID 控制過程

當在進行模糊控制器輸入e,和ec時候，在具體的模糊的規則以及實際的論域為{-6,4，-2,0,2,4,6}在這一組數字中，對于現有的變量定義則是采用7 個等級進行表示，分別是{NB，NM,NS,ZO,PS,PM}這些則是稱為隸屬性的函數，也稱為三角函數，對于PID 信號的輸出則是通過一定隸屬函數語言規則進行編譯，比方說對于{-6，-4，-2,0,2,4,6}通過三角函數語言規則量化以后得出7 個等級{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}[3]，它們的關系如圖2所示：

圖2 隸屬函數關系

在模糊控制規則模糊控制器的核心，是把現有的知識不斷的進行總結。因為△Kp，△Ki，△Kd，等3 個參數則是根據的是e和ec的變化進行的取值通過其中的關系進行制定出模糊的PID的定出模糊關系制定PID 的控制性的規則，具體的見表1。

對于輸入對象變量e 和ec，通過PID 模糊控制輸出三個參數分別是△Kp，△Ki，△Kd，在這使用的過程需要采用的是隸屬函數以及量化區間進行計算，同時需要建立FIS 文件，這個文件需要在MATLAB 軟件中的SIMULINK 工具箱進行鏈接[4]。

1.2 均值濾波

對于均值濾波則是一種比較典型的線性的過濾算法，算法最初則是解決圖像目標以及像素的問題，之后該算法被使用在其他的地方[5]。本文采用均值濾波則是解決兩個伺服電機同步問題，為解決縱向套色問題提供了便利。

2 仿真和結果分析

表1 PID 控制規則

2.1 設計思路以及仿真結構

主控體系為同步控制體系，采用兩臺電機進行獨立運行，進行PID 控制以及參數控制。PID 在線性的領域具有非常好的可靠性、參數不變性等優勢，被廣泛的使用，但是在一些非線性的領域PID 的控制效果就沒有那么的好，針對這個問題，本文則是提出了一些模糊的控制理論，進而通過對于參數的調整彌補了在非線性領域的一些不足。對于具體模糊控制而言，需要選擇一個電機作為主電機，其余的作為輔助或者是根據模擬的系統設計，進而為后續的仿真設置1 個從電機以及主、從控制具體如圖3 所示：

圖5 PID 控制結構

圖3 同步控制電路

2.2 仿真結果及分析

圖7 為電機2 的采用均值濾波方法后，反饋出真實數據，為接下來的研究打下了比較好的基礎。圖8 可以比較清楚的看到在沒有使用模糊PID 控制系統之前，他們的運動并不是協同的，各自比較的獨立，并不是非常的同步。在使用模糊PID 控制系統后，如圖9 所示，伺服電機同步誤差控制在允許范圍之內，系統表現出調節時間短、控制精度較高且抗干擾能力強，較好地改善了傳統控制方式的不足[6]。

圖4 同步控制

圖6 模糊PID 同步結構仿真結構

圖7 采用濾波前后對比圖

圖8 使用模糊PID 控制系統前

圖9 使用模糊PID 控制系統后

3 模糊PID 控制系統實驗

3.1 硬件系統的設計

在實際硬件方面的選擇主要采用的是自主研發的MSC-MC3 多軸的控制器一臺，另外就是伺服電機4 臺，但是在本實驗則是選擇的以2 臺電機作為主要的研究對象，另外外部還有HMI MCGS 觸摸屏1 臺，運動控制器支持采用Modbus-RTU 協議通信，HMI 作為從站的數據通信，整個的工作流程也是非常的簡單，就是伺服電機帶動的印花輥，同時在多軸的運動中主要是包含的是控制芯片、編碼器、以及CAN的總線接口以及具體的輸入以及輸出接口。Earthnet 接口、支持Modbus 通信和以太網通信、支持32 軸CANopen 控制等。CPU采用STM32F407 芯片，以最新32 位ARM 為控制核心。MSO-MC3 多軸運動控制器如圖10 多軸運動控制器所示：

圖10 多軸運動控制器

3.2 軟件系統的設計

對于程序的編寫則是主要采用的是C 語言對于模糊PID進行操作，其中對于整個印花機的主程序則是在進行不斷輪回的通訊的判斷2 臺電機脈沖信號是不是在誤差的范圍以內，假如在進行實際操作中不相等則是進行模糊的PID 的程序控制電機的轉速。MCGS 觸摸屏作為上位機監控以及采用組態軟件進行設計。

3.3 實驗臺平臺搭建

在本次的研究過程之后，主要是采用2 臺伺服電機作為被控制對象。在主函數中被控對象和數據在不斷的進行交換，HMI的控制器為主要的主站，同時采用的是RS232 的通訊進行操作，進而實現運動控制器的2 臺電機的啟動以及停止等簡單的操作，并在此基礎上實現監控2 臺伺服電機脈沖速度數據功能。HMI 和控制器均采用直流24 V 供電,負載實驗，直觀有效實現同步控制、達到良好的穩態性能。如圖11 電機同步控制系統實驗臺：

圖11 電機同步控制系統實驗臺

4 結論

本文是對于傳統的印花機控制系統進行優化，設計采用模糊PID 控制技術，并利用MATLAB 對結果進行數據仿真[7]。實驗結果表明：此方法的使用能有效解決設備運行過程中數據反饋速度慢、硬件本身非線性等因素的干擾，多伺服電機同步誤差控制在一定范圍之內，直觀有效實現同步控制、達到良好的穩態性能并解決縱向套色誤差問題。使得印花機更能生產出質量好，品質更高的產品，也說明模糊PID 控制的可行性以及思路的正確性，同時也為今后這方面的創新打下比較好的基礎。