張力控制試驗(yàn)平臺(tái)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究
加入技術(shù)交流群
外部數(shù)據(jù)RAM主要用來進(jìn)行外部仿真調(diào)試用。掉電保護(hù)RAM主要用來存放系統(tǒng)需要存儲(chǔ)的一些重要參數(shù)。另外，張力控制器板上還有脈沖編碼四倍頻電路、故障診斷及保護(hù)電路、外部擴(kuò)展接口、RS232通訊接口等電路。
2.2.3轉(zhuǎn)矩采集卡
系統(tǒng)采用PI900轉(zhuǎn)矩采集卡對(duì)開卷伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量，其最小采樣間隔為10 ms。使用時(shí)將采集卡插入工控機(jī)ISA插槽，并分別將3塊卡的I/O地址配置為300H～31FH、340H～35FH 和380H～39FH，中斷號(hào)配置為IRQ10、IRQ11和IRQ12。
2.2.4差動(dòng)電容式傳感器［2］
差動(dòng)電容式傳感器是張力測(cè)試裝置的核心器件，其工作原理如圖3所示。在張力為零時(shí)，初始極距δ1=δ2，S=δ1+δ2；當(dāng)被控對(duì)象張力作用于導(dǎo)向輪上時(shí)，動(dòng)極片上下移動(dòng)，距離發(fā)生變化Δδ，電容量也相應(yīng)發(fā)生變化ΔC，其相對(duì)變化量為ΔC/C，當(dāng)距離的變化量Δδ很小時(shí)，可以認(rèn)為電容的變化量ΔC與Δδ近似成線性關(guān)系。該距離變化量通過圖3b所示的電橋電路轉(zhuǎn)換為電量，再經(jīng)后面的配套裝置處理，顯示或記錄被控對(duì)象張力。
數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、分析軟件可為試驗(yàn)者提供簡(jiǎn)單快捷的數(shù)據(jù)分析工具，以及實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)曲線，系統(tǒng)所使用的應(yīng)用程序主要包括：監(jiān)控圖形系統(tǒng)、故障信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)等。
實(shí)驗(yàn)者可以利用數(shù)據(jù)分析和處理軟件對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)控制策略進(jìn)行評(píng)定，進(jìn)一步優(yōu)化控制策略、改變控制環(huán)節(jié)參數(shù)以獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
3 張力控制策略及試驗(yàn)
3.1張力控制原理
如圖1所示，張力控制系統(tǒng)采用三反饋環(huán)的交流伺服控制結(jié)構(gòu)，其分別為伺服電機(jī)的速度環(huán)、位置環(huán)和張力閉環(huán)。
下面對(duì)張力反饋環(huán)作進(jìn)一步分析：浮動(dòng)輥、汽缸、固定輥及精密電容式張力傳感器構(gòu)成張力 檢測(cè)系統(tǒng)。如圖1所示，浮動(dòng)輥安裝在可沿A點(diǎn)作上下擺動(dòng)的懸臂上，懸臂與汽缸相連。當(dāng)設(shè)定開卷張力參數(shù)后，控制器給出電信號(hào)至電氣壓力轉(zhuǎn)換器（E/P），由其提供一定壓力的壓縮空氣到汽缸，產(chǎn)生向上支撐力，把浮動(dòng)輥推向下方，張緊薄膜，完成開卷張力的設(shè)定。
當(dāng)由于某種原因（開卷軸直徑變化、被控對(duì)象材料不均、材料的彈性塑性變形、擾動(dòng)等因素影響）開卷和收卷電機(jī)速度不同步時(shí)，浮動(dòng)輥在汽缸的作用下，向上方或下方移動(dòng)，浮動(dòng)輥的上下擺動(dòng)使得精密電容式張力傳感器（如圖3b所示）的動(dòng)極片跟著上下滑動(dòng)，因此，從電容器輸出端的電壓信號(hào)發(fā)生變化，反饋電壓和設(shè)定電壓值比較后，張力控制器改變輸出脈沖的頻率，從而使開卷伺服電機(jī)速度發(fā)生相應(yīng)的變化，維持張力的恒定，使得生產(chǎn)得以順利進(jìn)行。
3.2張力控制策略及實(shí)現(xiàn)
試驗(yàn)平臺(tái)上可完成多種復(fù)雜張力控制算法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化算法、模糊理論、DNA生物軟計(jì)算等）的研究。文中采用基于單神經(jīng)元的自適應(yīng)PID控制算法［5］進(jìn)行試驗(yàn)。
單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。圖中轉(zhuǎn)換器的輸入為張力設(shè)定值r（k）和實(shí)測(cè)值y(k)，輸出為神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的狀態(tài)量x1、x2、x3。神經(jīng)元PID控制器的輸出為：
在單神經(jīng)元控制器中引入輸出誤差平方的二次型性能指標(biāo)J，通過修改神經(jīng)元控制器的加權(quán)系數(shù)wi（k），使性能指標(biāo)趨于最小，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)PID的最優(yōu)控制。
設(shè)二次型性能指標(biāo)函數(shù)為：
對(duì)上述算法進(jìn)行規(guī)范整理后，可得學(xué)習(xí)算法如下：
評(píng)論