1 飞剪控制系统

1.1 瓦楞纸板飞剪工艺简介

瓦楞纸板横切机工作示意图如图1所示，整个系统由上下刀辊、切刀、测速轮、驱动电机、减速机、控制系统等组成。系统工作时，生产线上的纸板给进速度从每分钟几十米到几百米不等，待切瓦楞纸板从横切机上下刀辊之间穿过，刀辊电机根据所设定的剪切长度和瓦楞纸板的给进速度指定刀辊的运动规律，驱动刀辊运动，对给进瓦楞纸板实施定长切割，即对快速产出的纸板进行“飞剪”动作^[3]。

理想情况下横切机的前后级速率一致，这样才不会造成堆纸或者拉纸等情况。但在实际生产中，生产现场的各种干扰，如大电流、编码器信号误差、机械振动、变频器干扰、谐波干扰等，均会造成飞剪的切刀定位不准，降低生产效率。因此选用一个更为先进的控制理论和更精确的剪切控制系统，是造纸厂亟待解决的问题。

图1 瓦楞纸板横切机工作示意图

1.2 飞剪控制系统构成

在整个飞剪控制中，有两个控制最重要：一是瓦楞纸板的切长定位控制；二是切刀的速度控制。硬件设施由检测设备、交流传动部分和控制系统组成，其中位置控制依靠飞剪系统的位置环来提高控制精度。采用Profibus-DP网络在PLC与交流传动系统之间进行通信，最终由PLC输出位置命令调节刀辊的速度来提高飞剪位置的控制精度^[4]。

1.3 飞剪位置控制环的改进

传统位置控制环采用传统离散比例调节器(如图2所示)，当出现位置偏差Δs后输出一个转速偏差Δn，偏差加大时传统位置控制环无法快速跟随并适应系统，造成纸板定位不准，产生的误差会在接下来的剪切周期中造成累积，使得偏差逐渐增大。本课题构造了一种阶梯型位置控制环(如图3所示)，相对于原系统，改进后的位置控制环反应更快、灵敏性高，跟随性更好。

图2 传统位置控制环

图3 阶梯型位置控制环

2 飞剪模糊控制算法研究

2.1 模糊自适应PI控制

因为PI控制具有很多优势，在工业控制中广泛应用。但现场的扰动和干扰、机械振动以及编码器测量误差等不确定因素的存在，会使传统PI控制无法适应于复杂环境与高阶复杂的被控对象。在新型模糊控制中，模糊控制对数学模型的依赖较弱，利用模糊法来完成各系统变量之间的相互联系，具有很好的鲁棒性、适应性。模糊控制器都是用日常易懂的语言来描述，这样方便现场操作人员进行随时的操作与调试。结合这两种控制方法的优点，设计了飞剪位置模糊自适应PI控制^[5]。

飞剪控制在电机同轴连接一个光电编码器，以模拟电信号的形式将飞剪的实时位置发送到PLC中转换为数字量，通过运算并与预先设定的位置对比，就可以得到该时刻的飞剪位置偏差。位置偏差变化率则反映了位置偏差的变化速度和方向，将其作为模糊控制器的输入，输出为飞剪电机中速度环的速度调节信号。因为飞剪速度环是一个PI控制器，所以模糊控制器的输出信号对速度环中P和I两个参数进行调节。通过模糊推理，对飞剪位置不断进行调节，充分满足系统的实时调节功能，图4为飞剪模糊自适应PI控制的整体结构图。

图4 飞剪模糊自适应PI控制整体结构图

2.2 模糊控制器设计

对于输入，如果选取一维控制器，仅将位置偏差作为控制器输入，位置偏差随时间的变化率及其变化方向很难描述，无法对控制系统做出准确判断，而三维控制器结构复杂，所以本课题选用常规二维模糊控制器^[6]。输入变量设定为飞剪剪刀位置设定值与检测值偏差e，以及位置偏差变化率ec，输出变量设置成速度环PI控制器两个校正参数ΔKP和ΔKI。

2.2.1 模糊量化因子的选择

定义模糊集上的论域e=ec={-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}；论域上面的模糊子集定义为e=ec={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其中对应的含义分别为：负偏差较大、负偏差适中、负偏差较小、无偏差、正偏差较小、正偏差适中与正偏差较大。同时，ΔKP和ΔKI的论域为{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}，对应的模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。

2.2.2 确定隶属度函数

正确的隶属度函数选择是模糊控制性能的关键。为了使系统具有更高的灵敏度，一般会让隶属度函数分布密集一点，控制器的输入与输出曲线选用最常用的正态型高斯分布曲线，图5为输入e和ec的隶属度函数曲线,图6为输出∆KP和∆KI的隶属度函数曲线。

图5 输入e和ec隶属度函数曲线

图6 输出ΔKP和ΔKI的隶属度函数曲线

2.2.3 模糊控制规则的建立

在瓦楞纸板生产线实际运行中，飞剪运行周期很短，为了系统一旦出现偏差时能快速响应，因此要求系统检测时间必须短，响应时间也应该在ms级别以上。根据多年的经验，建立了飞剪位置模糊控制的模糊控制规则。表1为ΔKP模糊控制规则表，表2为∆KI模糊控制规则表。

3 改进后的飞剪模糊自适应PI控制系统及仿真

本设计在位置控制环和速度环之间增加了模糊控制，采用位置偏差对位置反馈进行修正，输出速度调节信号ΔKP和ΔKI，改进后的飞剪模糊自适应PI控制如图7所示。

图7 飞剪模糊自适应PI控制

该瓦楞纸板生产线选用的是6SE70矢量变频器来控制飞剪电机，该种矢量变频器结合光电编码器，在检测到剪刀位置出现偏差时，能快速响应并提供速度改变量，将其位置调整到正确的理论位置。整套系统采用西门子S7-300PLC为位置控制环提供强大的算法功能，飞剪位置控制结构如图8所示。

图8 飞剪位置控制结构

对飞剪控制系统使用模糊自适应PI控制，根据模糊控制规则，实时对飞剪速度进行不断的调整，给出了模糊控制器的设计。对于原飞剪位置控制的比例调节，不能快速跟随，改进为阶梯型位置控制环。通过在Matlab仿真中添加白噪声模拟现场干扰，图9为未加入模糊控制模块输出变化曲线，图10为加入模糊控制模块输出变化曲线。从图9和图10可发现，加入控制模块后，系统位置偏差反应能力更快，偏差小，系统的精确度更高，系统稳定提升，抗干扰能力更强，提升了瓦楞纸板的剪切精度。

图9 未加入模糊控制模块输出

图10 加入模糊控制模块输出

4 应用效果分析

通过安装西门子DRIVER MONITOR软件进行速度现场运行曲线捕获，图11为系统正常工作截取的剪切过程中的速度、电流运行曲线。从图11中可以看出，速度、电流跟随性能良好，无振荡现象出现。结合保定某造纸厂瓦楞纸板生产线改造的实际情况，经过半年多的实际运行，飞剪的剪切精度从±1 mm可提高到±0.5 mm，很好地满足了实际生产的需要，该方法和思路对现有设备低成本条件下的横切机改造具有很好的参考价值。

图11 飞剪剪切实际运行分析

参考文献