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p a s s i m 卷烟机紧头位置自动跟踪系统的研究 摘要 p a s s i m 卷烟机的重量控制原理是利用放射性元素( 锶9 0 ) 产生b 射线，射线 穿透烟条后能量衰减后进入测量装置，烟条密度的变化会产生一个与烟条密度相 关的电流值，从而计算出烟支重量。为降低每支卷烟的端部出现烟丝空松的几率， 通常都是增加烟支端部的烟丝供应量，使烟支端部的烟丝密度增大，即紧头烟。 卷烟机高速运动中，紧头烟经常会因为机械传动间隙、变形、打滑等原因而发生 漂移，而早期引进的p a s s i m 卷烟机无法实时对紧头烟进行自动检测、调整，只能 依靠操作工手动进行调整，这样既增加了操作难度，又降低了该系统的可靠性， 容易产生疏漏。根据这一现象，通过一定的数据采集、机械及电气控制手段，实 现p a s s i m 卷烟机紧头自动跟踪控制。 本文介绍了p a s s i m 卷烟机紧头自动跟踪控制系统的机构和原理，并针对机械 传动计算出系统传递函数，在此基础上，利用齐格勒一尼科尔斯方法整定出p i d 控制参数。使用工控机及单片机对整个系统进行控制，由工控机负责数据采集及 计算，与单片机通讯后，由单片机控制步进电机对紧头相位进行自动跟踪调整， 达到不断纠偏，保证卷烟机紧头位置的目的。在此过程中，使用s i m u l i n k 软件对 系统进行了仿真验证。 仿真证明，软、硬件设计及其模型切实可行，能够满足全部要求；所作分析 基本符合实际情况，并为控制优化提供了可靠依据；所设计的p i d 控制方案、算 法、操作过程及其参数选择与调节过程能够高精度、高稳定性、高度可靠地达到 紧头自动跟踪项目的要求。 关键词：p a s s i m 卷烟机、紧头位置、自动跟踪、p i d 控制、s i m u l i n k 仿真 r e s e a r c ho nd e n s ee n dp o s i t i o na u t o m a t i c a l l yc o n t r o ls y s t e m o ft h ep a s s i mc i g a r a t t em a w r a b s t r a c t t h ep r i n c i p l eo f t h ep a s s i mc i g a r e t t em a k e rw e i g h tc o n t r o li sh a r n e s st h e1 3 - r a yo f t h er a d i o a c t i v ei s o t o p e s i 9 0 朝持e n e r g yo f t h e1 3 - r a yt h a tw i l la t t e n u a t ea f t e r g a t i n ga c r o s st h et o b a c c or o d ，e l e c t r i cc u r r e n tr e l a t e dt ot h ed e n s i t yo f t h e r o dw i l l o c c u rt h r o u g hum e t r i c a ld e v i c ew h i c hr e c e i v e dt h eb - r a y t h e nt h ew e i g h to f t h e c i g a r e t t ew i l lb ec a l c u l a t e d d e n s ee n di st or e d u c et h ep o s s i b i l i t yo f p r o d u c i n gt h e l o o s ee n dc i g a r e t t e d u r i n gt h e 璃蠹s p e e dr u n n i n gt h ed e n s e e n dw i l lf l e eb e c a u s eo f t r a n s m i s s i o ng a p ，s l i p p a g ea n ds oo n t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dt h es t a b i l i t yo f t h eo l d e rm o d e lp a s s i mc i g a r e t t em a k e rw h a tw i t h o u tt h ed e n s ee n dp o s i t i o n a u t o m a t i c a l l yc o n t r o ls y s t e m ，a n dt or e d u c et h ed i f f i c u l t yo f o p e r a t i o nw e u s es o m e m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lm e t h o d st or e a l i z et h ed e n s ee n d p o s i t i o na u t o m a t i c a l l y c o n t r o ls y s t e m f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f t h ed e n s ee n dp o s i t i o n a u t o m a t i c a l l yc o n t r o ls y s t e mo f t h ep a s s 戳c i g a r e t t em a k e r 。c o n s e q u e n t l y 。t r a n s f e r f u n c t i o no f t h es y s t e mw i l lb ec a l c u l a t e d t h e nt h r o u g ht h ez i e g l e r - n i c h o l sm e t h o d a s c e r t a i nt h ep i dp a r a m e t e r m a k eu s eo f i n d u s t r i a lc o m p u t e ra n ds i n g l ec h i p p r o c e s s o r 协c o n t r o la l lo f t h es y s t e m t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rt a k ec h a r g eo f d a t a g a t h e r i n g ，c a l c u l a t i n ga n dc o m m u n i c a t i n gw i t hs i n g l ec h i pp r o c e s s o r t h es i n g l ec h i p p r o c e s s o rt a k ec h a r g eo f a d j u s t i n gt h ed e n s ee n dp o s i t i o nt h r o u g ht h es t e p m o t o r a l l t h ep u r p o s et oa c h i e v ei st oc o r r e c tt h ed e n s ee n dp o s i t i o no f t h et o b a c c or o d a n d s i m u l a t et h es y s t e mi nt h ep r o c e s sb yu s i n gt h es o f t w a r es i m u l l n k a ti a s t ，t h es i m u l a t i o np r o v e dt h a tt h ed e s i g no f t h es o f h w a r ea n dh a r d w a r ea n d t h es t r u c t u r eo f t h e s y s t e ma r ef e a s i b l e ，w h i c hc a nm e e t a l lt h ec o n t r o lt a r g e t s a l lt h e t h e o r ya n a l y s i sa g r e e dw i t l lt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o na n dd i r e c t e dt h ee x p e r i m e n t s a l l t h es i m u l a t i v er e s u l t sf u l f i l l e dt h er e q u e s to f t h ep r o j e c to f d e n s ee n dp o s i t i o n a u t o m a t i e a l l yc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：p a s s i mc i g a r e t t em a k e r , d e n s ee n dp o s i t i o n , a u t o m a t i c a l l yf o l l o w , p i dc o n t r o l ，s i m u l a t i n gb ys i m u l i n k t i 插图清单 强1 。l 卷烟凝戆缭梅示意嚣l 网1 2 平烂盘的结构及紧头部位形成示意图3 鬻2 。l 溪支紧头袋萎测燮示意銎6 阕2 2 系统组成结构示意图6 豳2 。3 紧失相位调节装置结橡示懑藿8 圈2 4 改进后的紧头相位调节装援结构示意图9 圈2 。5 改进后骢紧头相镦调节传魂枫构示意图l o 翻2 6 传动机构等效的动力学模型l l 阁2 ，7 机械传动系统结槐框图1 5 圈3 1 焖支紧头相位自动控制系统框图1 7 图3 2 控制系统结构框图1 8 豳3 3 开环系统阶跃响应曲线闺2 0 图3 4 开环系统仿真阶跃响应曲线图2 2 图3 。5 灏支密菠紧头跟踩系统缩构图2 3 圈3 6 数据采集卡开关、跳线设恩图2 5 懑3 。7 渗透电孛踅驱动电路2 9 圈3 8 单片机控制步进电机“2 9 潮3 9 双稻六攒控毒l 程游滚程聪 图4 1 计算机仿真流程圈4 0 潮4 2 系绫转遂涵数模浃参数竣嚣圈4 2 图4 3p i d 控制模块参数设置图4 3 圈4 。4 予挽售号模块参数设置豳4 毒 翻4 5 系统仿真总体布局图4 4 图4 。s 于犹信号示意图4 5 圈4 7 无p i d 控制器输出信号示意图4 5 圈4 。8p i d 控制器作用下输出信号示意图4 6 v i 表格清单 表3 1 齐揍勃一趸褪零耨第一耱方法p i d 参数熬定表2 0 表3 2 齐格勒一尼柯尔斯第二种方法p i d 参数熬定表2 1 袭3 3 寄存器豹撵援及提瘫豹i 0 鹾曩遮缝2 4 栽3 4b i o s c o m 函数b y t e 值与意义对应寝2 5 表3 。5 双楣三撼控制模熬3 8 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文足奉人在导师指导f 进行的研究工作及取得的 研究战果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，文巾4 ；包含其他 人已经发表或撰写避懿磅冤残暴，也不包含为获褥金鍪兰鳖盍鲎或其毽 教育枫构的学位或证书而使用过的材料。与我- - 1 8 工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：匆u 它 签字日期：如年罗月2 荫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作器完全了解合稻工煎大学有关缳露、使簿学位论文静 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金盟王些态堂可以将学位论文的全部或部分内容 缡入鸯关数据疼送行检索，可以采矮影印、缀印或扫缮等复刳手段傈存、汇绩 学能论文。 ( 保密的学位论文在解密后使用本授权书) 学位论文作者繇多胁譬 签字日期：加，年7 月i 角 导师签名：张 签字日 l | j ：妒缉7 月z 石 致谢 两年半的研究缴时光转眼问就要过去，谯我学生生涯即将结束时，我要向那 些帮助过我的老师和同学表示深深的谢意。 农本论文完成之舔，我谨自我瓣导师赵韩教授致噬最粪擎鹃感落秘敬意l 扶 课题方向的选择、开题报告、中期检查报告，列论文工卡# 酌理论分析，巍至整个 论文的撰写、定稿，无一不浸透麓赵老师的汗水和心血，猩此期间，赵老师给予 我的无私帮助、悉心搬点和谆谆教诲，不但使我把握了有关谍题内容的相关知识， 瑟显鸯艨秘麓，芳农三年戆骚突缴学堑孛获焱疆浅。圈露，赵老帮严谨鹣治学态 度、渊博的知识、平易近人的作风，都是我学习的榜样。 本人是在芜湖漆烟厂作的论文，特别有幸得到很多老师的指导和教诲。感谢 佳们嚣襁兹关怀和帮聩。扶健那黧我学到了谗多知识，拓宽了翘识嚣。 魏外，在此我述要感谢我的阉学和羽轰辩我的无稻静帮助，在值稍静帮助下 我的谭题得以顺利嫩完成。尤其感谢方东同学的大力协助。 学习的道路是瀵长的。在此，再次向所有帮助过我的人表示衷心的感谢! i l i 作考：刘荣辉 2 0 0 6 年4 胃 第一章绪论 1 1 p a s s l m 卷烟机简介 p a s s i m 卷烟机组是我国2 0 世纪9 0 年代从英国m o l i n s 公司引进的设备， 速度从7 0 0 0 支分至1 2 0 0 0 支分。该机型自动化程度和机电一体化程度较高， 目前，仍然是服务于全球各大烟草企业的主力机型。用户可以通过编程装置对 其进行程序设计、文件编制和程序检验，从而对机器的起动、停止、速度、材 料及机器状态进行控制和显示，增加了机器控制系统的可靠性和适应性。 p a s s i m 卷烟机分为以下几个部分。 图1 1 卷烟机的结构示意图 1 1 1卸料及计量装置 卷烟机由卸料及计量装置为料斗提供烟丝，烟丝由卸料器上部的吸风送丝 管输入。当计量管需要烟丝时，其中的料位传感器发出信号，气动拉杆操作卸 料器底部的翻板打开，使烟丝进入计量管。 1 1 2 料斗 料斗是卷烟机的一个重要组成部分，它的作用是给吸风室里的吸丝带提供 经过处理的连续不断的烟丝。进入料斗的烟丝速率由计量鼓控制，再由扩散鼓 将烟丝散开后落到斜板上。大针鼓上的销钉将烟丝从斜板上拾取并向小针鼓输 送，在两个针鼓的作用下，中间形成了一个烟丝卷。烟丝卷的高度由两个探测 器控制，当烟丝卷低于下部探测器时，计量鼓加快速度，提供更多的烟丝；当 烟丝卷高过上部探测器时，计量鼓开始减速。烟丝在离开大针鼓之前，受到钢 梳的整理和压紧作用，然后再由弹丝辘取出并送给扬丝辘。抛丝辊将扬丝辘送 出的烟丝吸取后转送入竖风道，由气流将烟丝送至吸风室并吸附在吸丝带上。 1 1 3重量控制及烟条成型器 由竖风道送上去的烟丝靠吸风室中的吸丝带载着向烟条成型器输送，烟丝 和卷纸在烟条成型器处汇合。首先由烟舌将烟丝初步压缩成圆条，经过小压板 时把里面一条纸边卷到烟丝条上，而卷纸的外面一条边则处于垂直位置。随着 烟丝和卷纸继续向前运行，涂胶器喷嘴将乳胶涂到外面的纸边上，在经过大压 板时，由大压板将涂好胶的纸边卷包到另一纸边上粘好，最后经过两个加热器 烘干并完成封口，此时烟条已卷制成型。成型后的烟条进入带放射源的扫描装 置，由扫描装置对烟条的密度进行检测。把实际测得的烟条重量信号与要求的 重量信号作比较，通过比较后的误差信号来控制平准器电机，从而带动平准器 圆盘上升或下降，削减吸丝带上多余的烟丝，从而控制输入烟条成型器的烟丝 重量。平准器圆盘上的凹口可以保证切出的烟支两端密度较大，以减少空松烟 的产生( 后面将作详细阐述) 。 1 1 4 盘纸更换及e p s t j 装置 盘纸更换装置包括两个盘纸托架、一个双重拼接装置和两个贮纸箱，可以 不停机换盘纸，以确保连续不断地为卷烟机供纸。盘纸更换装置可以使两个盘 纸在任何车速下自动拼接，使卷烟机可以连续工作。运行中的盘纸被送入印刷 装置进行牌号打印。印刷装置由一系列油墨传输辊和一系列牵纸辊组成，可以 保证输送均匀的油墨和打印清晰的牌号。牵纸辊可以使运行中的盘纸保持向前 的拉力，但盘纸又不会被拉断，并以机器所需的速度往烟枪送纸。 1 1 5刀头切割装置 p a s s i m 卷烟机上的刀头切割装置是用于将烟条切割成双倍长度的烟支。切 割装置包含自动进刀、磨刀功能，以确保刀刃的锋利。刀头切割一次烟条，将 产生一个烟条端部脉冲信号，即e r p 信号。切割好的双倍长度的烟支进入接装 机内，在接装机中完成诸如烟支、嘴棒与水松纸的搓接，质量检测与不合格品 的剔除，最终切割成单倍长度的烟支等功能，在此不在详述。 1 2 紧头位置自动跟踪系统概述 卷烟机组在烟条进行切割时，为了不使烟支空头，设计要求切口处的烟丝 密度要大于烟条的平均密度，也就是切口要处于烟杆的紧头中央。这一要求要 依靠两个方面保证：其一，使用带凹槽的平准盘，以产生紧头。这一要求所有 设备均已保证。其二，准确地将切口设计于紧头的中央，后者在许多设备上没 有得到很好的保证。比如p a s s i m7 k 机组和老式p a s s i m8 k 机组。 静l 是瀛。， ，p q 堪舔孬 _ p 剑吼 1 、吸丝带2 、烟丝3 、紧头部位4 、平黧盘 图1 。2 平整盘熬结梅及紧头部位形藏示意嚣 在这臻设备上，紧头位置是零靠极械阅步来像 正驰，毽在械器毫遮运转时 烟丝、尼纰带、布带等元件会出现随机的打滑现象，再加上机械传动的间隙及 热变形，会使紧头位置产生随枫滠移。因此单靠静态下黪机械躁步是无法精确 地保证紧头位置程机器高速运转状态下始终处于切口位鬣的，必须进行动态随 机的调整。在一些颛型高遮设备上这一要求已褥到了满足，如耨一代p a s s i m8 k 机组、p r o t o s l - 8 机组等。 3国内外( p a s s l 吣卷烟机及其应用情；兄 p a s s i m 卷接机组具有以下特点： 1 生产遴度高生产自& 力为8 0 0 0 支分。 2 卷烟麓量好烟丝造碎率和含梗量低，重量舀动控制，完善豹供丝、吸丝、 烟条成型与切割、分离和调头。自动检测和自动剔除铸装置保证。 3 鲁动能程度高在不停梳狡态下实现自魂捷丝、供纸、供胶和自动遴刀等， 故障自动检测和自动摄示，次品烟自动剔除，自动润滑。 4 逛控系统采建p l c 哥缡程彦羧籁器。 5 模块化结构设计安装、调试时间缀，操作和维修方便。 6 。安全熬好、豢巍羝严密瓣院护罩浚鬟鸯安全联镂开关，缣涯搡豫安全； 良好的消音材料和密封件保证机内清浩，机外噪音底。 7 完备的负压气路系统及高压空气系统。 8 可满足不同用户对烟支规格，工作方式、安装形式等方面的不同需要。 在目前国际上比较主流的卷烟机制造企业有英国的m o l 玳s 公司及德国的 h a u n i 公司，两公司制造的卷烟机各有特点。m o l i n s 公司生产的卷烟机在过 滤嘴接装、水松纸搓接等方面技术较为先进，表现为所生产的成品烟支的外形 更标准，根据国家烟草专卖局颁发的卷烟工艺规范关于烟支卷接包装方面的质 量要求规定，p a s s i m 卷烟机的产品更容易达到烟支圆周这项物理指标的要求。 而在重量控制、烟支空头、端部落丝量等指标上，h a u n i 公司的p r o t o s l 8 卷烟机更胜一筹。p r o t o s l 8 卷烟机均采用了紧头自动跟踪系统，而且还采用 了独特的流化床技术应用于卷烟机后身的烟丝输送。因为是采用气流悬浮输送 烟丝这一柔性输送方式，明显降低了在烟丝输送过程中烟丝造碎的比率，而且 烟丝输送更为均匀。所以，p r o t o s l 8 生产的烟支重量控制更为精确，烟支空 头比率更小，端部落丝量更能满足工艺规范要求。经过长期的比较、观察，在 烟丝等级、结构相同的条件下，p r o t o s l 8 烟支重量标准偏差值比p a s s i m 烟 支重量的标准偏差值要小5 - 6 m g ，烟支空头剔除率也要小o 1 左右，p r o t o s l 8 的端部落丝量能满足4 4 0 m g 的要求。前面我们已经介绍了只有新一代的 p a s s i m 卷烟机采用了紧头自动跟踪系统，正是由于老的p a s s i m 卷烟机没有紧 头自动跟踪系统，再加上其后身烟丝输送是采用传统的弹丝辊、风扇辊、抛丝 辊结构，各辊直接与烟丝的接触影响了烟丝成型后的均匀性，且加大了烟丝的 造碎，这也是造成p a s s i m 卷烟机生产的烟支空头出现几率偏大的主要原因。 我国的大中型卷烟生产企业基本上都是采用m o l i n s 及h a u n i 公司生产的卷 烟机，特别是2 0 0 0 年以前大部分是从m o l i n s 公司引进的p a s s i m 卷烟机，这 其中绝大部分是没有紧头自动跟踪系统的老p a s s i m 卷烟机。 1 4 本项研究的内容和要解决的问题 卷烟机是通过劈刀即平整盘产生烟支紧头的。劈刀为一对圆片状刀片，位 于吸丝带下方，以烟丝束中心线为基准对称布置，并在主传动系统带动下，以 相同转速对向旋转( 旋转方向相反，其理论外圆切点线速度相等) 。以对通过其上 方的烟丝束进行修剪。劈刀上有六等分的凹槽，平准时，凹槽部分允许通过较 多烟丝。这样，卷制成形后，烟条上将相应形成紧实部分。通过设计保证每两 段“紧实”部位相距为一支烟长，并通过调整，使刀头切刀切制烟条时，正好 将“紧实”部分从中间切开，可形成烟支两端比中间略为紧实。这样，当接装 滤嘴时，接头不会因烟支空头而漏气，另一端“紧头”在烟支包装、传送、运 输过程中不致空松。劈刀刀片与刀头刀片的同步包括两个方面，即运动同步和 位置同步。运动同步指的是劈刀刀片理论线速度与刀头刀片切割水平分速度相 同，劈刀刀片每转两个凹槽，刀头刀片就切割一次，运动同步由传动系统和刀 盘补偿角度共同来保证；位置同步指的是劈刀刀片凹槽作用部位与刀头刀片切 割位置保持相对正确，使刀头刀片切割在劈刀刀片凹槽作用烟条部位的中间， 形成紧头烟，有利于提高卷烟质量和接装质量。位置同步可通过卷烟机初始调 整获得，机器进行生产时，位置同步只能依靠紧头自动跟踪系统来保证了。 为了使那些没有紧头位置自动跟踪系统的设备( 目前使用较多的p a s s i m7 k 机组和老式p a s s i m8 k 机组) 发挥更好的作用，我们需要在利用原机系统的基础 上开发一套独立的检测、控制系统，可以将紧头烟丝的位置准确的检测出来， 并根据其位置要求，自动进行跟踪与调整。 系统应具有以下功能： 相位调整执行采用特殊的机械结构并配有步进电机，可稳定实现劈刀盘 紧头相位在线调整。 该系统自成体系，并与原机具有很好兼容性。 第二章紧头跟踪系统中传动系统的设计及传递函数模型 2 。紧头泣主自颟鼹踪系统霖骥说赣 放射源射线经过烟条后进入电离室，在电离室里产生一个与烟条密度信号基 本成反比的微弱电流信号，该电流信号经过倍母放大器的放大作用，转化为一 个o l o v 豹电压售譬。 同时，旋转刀头每切割一次潮条，产生一个e r p 信号，专塌电子线路板每 接收到一个e r p 信母，就产生1 0 0 个脉冲信号，用于将双倍长烟支分成1 0 0 等 分，单支烟分成5 0 铸分，从而实现单支烟分成5 0 等分密度信号的检测，经过 效大豹矮条电压售号经过模数转羧辕入c p u 缓块，经过嵩瀵运算楚理嚣，爨薮 烟支紧头位置的偏移量是否在正常范围内，如果超出，则输出控制信号，经功 率放大器放大后，带劝步进电机对黯刀盘调整机构进行调整。 潮支密凌售号德 l 2 2 联倍长烟支 l l 潮照势布获撬 | 图2 1 烟支紧头位置测娥示意图 紧头位置自动跟踪系统的编成 系绫主要由以下几个主要部分缀成。 图2 2 系统组成结构为鼍意图 6 1 数攥信号采集部分 程“数据信号采集”部分，激离速数据采集卡完成对滔支密度信号的a 国采 样，并传给工业控制计算机。 2 电气控制及信号处理部分 巍“瞧气控嘉l 及穰号楚莲”熬分，囊工鲎羧裁嚣算魏瑟数撵采集卡袋榉数摇 进行分析处理，生成烟支密度曲线数值，并将数据传给控制步进电机动作的单 片机，从而对烟支紧头位置进行调节。 3 机械调整执霉亍部分 程“梳械调整执乎亍”部分，幽步避电租带动紧头相位调熬机构，对爝支紧头 位置进行调整。 2 3紧头位置自动跟踪系统机械结构的改进设计 焱p a s s i m7 k 凝缝窝老式p a s s i m8 k 裁缀这些设套上，莛靠手动落繁提器 面板上的紧头位置旋钮来实现紧头位置调整的，如下圈所泳。紧头位鬣旋钮通 过一柔性钢丝联接到一丝杆螺母机构，旋转紧决调整旋钮，可带动柔性钢丝绳 转动，从两带动与钢缝绳另一端霸定在一起的丝耔转动。熬杼上的螺母产生上 下方蠢豹移动，与螺母连接在一起兹齿形带轮6 遣产生两上或向下的移麓。诧 时弹簧5 开始起作用，根据齿形带轮6 上下移动的情况通过张紧轮3 对齿形带 进行张紧调节，让齿形带始终保持相对平稳的张紧力，保诚平准器传动的可靠 整，霹跨又可爨在援嚣运转过程零怼紧头经鬟遴行调节。簇整个援搀存在赣下 缺点： 单靠手动调节魁无法精确地保证紧头位鬣在机器高速遮转状态下始终处于 切口位置的。 调节滞爱时闽遗长，揉律工程褪器运行辩不可憩专门泉调节紧头霞嚣。 柔一陡钢丝绳的搬转传动的可靠性不够，有时旋钮旋转了很大的角度，而丝杆 却没有发生转动。 l 、 4 、 图2 3 紧头相位调节装置结构示意图 1 为了克服前述缺点，有必要对原机紧头位置调节装置进行改造。将紧头位 置调节装置改为由步进电机自动控制。去除传动可靠性不高的柔性钢丝绳，将 步进电机通过同步齿形带轮传动与丝杆螺母机构相连，其它传动采用原机紧头 相位调节机构。如图2 4 所示，图中双点画线部分为步进电机及同步齿形带轮传 动机构。 图2 4 改进后的紧头相位调节装置结构示意圈 其中，丝杆巍径为m1 2 r a m ，长度为2 0 0 r a m ，螺母、带轮6 及两者相连的连 符梅成执行部件，其质量共为0 8 k g 。步遂电机与丝秆之闽传动齿形带轮传动比 为1 ，带轮宽1 0 m m ，直径为巾4 0 m m 。 滚遗游静繁凝自动跟踪装置如图2 5 所示，步迸电梳1 根攒电气控制系统 传来的信号旋转，与步进电机转轴相连的带轮3 也随之产生相同方向的转动。 瓷同步齿澎带4 翡俸耀下，繁轮5 氇产鬃转动，丝杼司徉遣送豁转动。缫鸳7 会产生沿艘杆轴向方向的移动，从而通过连杆8 使带轮9 也产生移动。此时图 2 + 4 中的潜簧5 秀始莛 筝越，鬏泰诲形带轮6 上下移羲浆待况逶过强紧轮3 对齿 形带进行张紧调节，让齿形带始终保持相对平稳的张紧力，保证平准器传动的 霹靠牲，闲露又戳在嘏器运转过程中鼹紧头位蓬送薹亍瀵节。改避惹整令凝梅 存在以下优点： 依靠羹动谖节可鞋精确遵绦 | 委紧头经蓬在掇器裹速遴转状态下始终处于接 口位鬣的。 根据检溅至的爨头相俊l 毒况蜜跨谖节，滞岳隧阗短。 9 由于取消了柔性钢丝绳，整个调节装置可靠性有了很大的提高。 4 、同步齿形带 3 、带轮 、 = 丝杆 弋心 h 图2 5 改进后的紧头相位调节传动机构示意图 同步齿形带 带轮 2 4 紧头跟踪系统相位调整机构传动部分的传递函数模型 2 4 1 机械传动机构的等效动力学模型 下面对改造后的传动机构进行分析计算。为了分析计算方便，将实际的传 动机构简化为等效的动力学系统。图2 5 中步进电机及丝杆螺母机构可以简化成 如图2 6 所示的在电机轴上的一个等效扭振系统。k l 是等效轴的扭转刚度，螺 母及与之相连的齿形带轮6 的等效转动惯量为j l ，所有磨擦力与负载等效为负 载转矩m l ，系统的等效粘性阻尼为b l ，机构的输出角位移为ol ，。m 。、o 。分 别为机械传动机构的输入转矩与输入角位移。 圈2 。6 传韵机构等效豹动力学模型 2 。4 2机械参量的折算 2 。4 。2 蘩萋转动镶萋与蕤注黻怒系数 如上图所示的机械传动机构，螺母及与之相连的齿形带轮6 的质量m 按下 面的公式可以折算成丝杆上的转动惯量j 。 磊= 詈( 甜( g c m s 2 t ， 式中， w 一一螺母及与之蝴连的齿形带轮6 酶重量( g ) ； v 一一螺母酶移动逮发( e n g m i n ) ； n 一一熊杆的转速( r r a i n ) 。 丝杆的转速n 是由步进电机的转速及i 轴与i i 轴的传动比( 设计为1 ) 决定的， 遣饔葱步避毫提夔转逮( 设诗为6 0r r a i n ) ，瑟翅丝耪豹警程舞1 2 m m ，霹褥螺 母的移动速度为7 2c m m i n 。代入式( 2 - 1 ) 可得螺母及与之栩连的齿形带轮6 折 算成丝杆上的转动惯最j 。 五：里f 去1 2 ：塑f 害卉- 1 2 4 害一：) ( 2 - 2 ) gk 2 石挖gl 2 耳+ 1 ，2 ， 甲 7 用g d 2 裘示时 舂m 豫= 1 2 4 x 9 8 = 1 2 。1 5 2 ( g c m 2 = l 。2 1 5 2 1 0 。( k g m 2 ) 如图2 6 所示的系统，当只考虑惯性负载与粘性阻尼负载时，设1 轴的输入 转矩为m 1 ，i i n t n n c 齿轮z 2 、z l 作用在i 轴上的转矩为m 2 ，则i 轴的转矩 平衡方程为 m l = ，l + b i o i + m 2 ( 2 3 ) 驱动i i 轴的转矩为m 2 鲁( z l 与z 2 设计之比为1 ) ，i i 轴的负载转矩设定 为m l ，则i i 轴的转矩平衡方程为 垒盯2 ：j 2 函+ b ，毋2 + 丑缸 z i ( 2 4 ) 式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 中0 。、0 ：为i 轴、i i 轴的角位移；b 1 、b 2 ，j 1 、j 2 为i 轴、i i 轴的粘性阻尼系统和转动惯量。 鼠：萌鱼岛：矽。垒 由几何关系0 ：翻z _ 一l ，有 历，孔，将翻、0 ：与式( 2 4 ) 代入式( 2 - 3 ) 中有 = j - + j ，( 尝 2 荫+ b - + 占：( 皇丁 扫z + 象脏 。一。， 由式( 2 5 ) 可知i i 轴折算到i 轴后，i 轴上的总转动惯量为 止“舢降 2 _ m ，2 i i 轴折算到i 轴后，i 轴上的总粘性阻尼系数为 ：肌丑：f 鱼 z _ 肌b 2 下面将数值代入计算i 轴上的总转动惯量及i 轴上的。 正“m f 垒 2 ：m ，： l 么2 式中j 。为图2 5 中带轮3 的转动惯量，带轮3 的质量为0 8 k g ，直径为由4 0 r a m a j ：由丝杆、与之相连的带轮5 、执行机构折算的转动惯量等三部分组成。则 压“+ ，：= 肋r + ( 耽r + 肋r + k ) = 蚴o o 兹+ 0 1 8 m o + 1 o 0 1 7 2 + 1 2 1 5 2 1 0 “) = 1 6 1 0 - 3 + ( 1 6 x l o 3 + 5 1 0 4 + 1 2 1 5 2 x 1 0 。6 ) = 3 7 0 1 2 1 5 2 x 1 0 ( k g - m 2 ) 3 7 x 1 0 。3 ( 堙m 2 ) 式中m ，、r - 表示带轮3 的质量及半径， r ，表示丝杆的质量及半径。 对于金属材料组成的i 轴、轴， 亦可近似为l o o ( k g ，m 2 1 a m 2 、r ，表示带轮5 的质量及半径，m 3 、 其粘性阻尼系数较大，总粘性阻尼系数 2 4 2 2 折算刚度系数 对如图2 5 的系统，如果考虑弹性变形，i 轴的扭转变形为 1 - 丝 1 i 轴的扭转变形为 岍卜彩 但是啮合齿轮的角度有其几何关系，如 岍由- 象 故i i 轴的变形角a c a ：在i 轴上的折算变形角为 = 却：三z 2 因此折算到i 轴上的总的变形角为 a c a 1 + 口1 = a c a ，且 妒= 等+ 警旧j _ i m 2 + 淼c z 删 卸2 i + i l 引2 i + 面鬲再 瞄。6 ) 由于i 轴的折算刚度k l ，上的转矩m 2 与变形角伊之关系为 a c a = 1 m 一2 ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 6 ) 及式( 2 7 ) ，有 即 m 2 ：m 2 _ | l l1 i + 丽 l z 2 一乜一而 齑 一h一缸 下面将数值代入计算i 轴上的刚度系数。 轴的刚度系数是剪切模量g 与极惯性矩l p 的乘积，即k = g l v 。剪切弹性模 量是在弹性范围内，应力与应变的比值，其大小主要决定于材料本身，碳素钢 的剪切弹性模量可查得为1 9 6 - - 2 1 6 g p a 。对于直径为d 的实心圆轴，极惯性矩为 厶2 妾d 4 。所以可得： l11 11 缸k lk 2 g l i p lg 2 p 2 式中g - 、易为i 轴的剪切模量g 与极惯性矩，g ：、而：为i i 轴的剪切模量g 与 极惯性矩。 取g l 、g 2 为2 0 6 g p a ， i p l 妾d 1 4 妾0 0 1 4 = 9 8 1 7 4 7 7 1 0 ( 埘4 ) 则可得k t 墨= g l p = 2 0 6 x 1 0 “9 8 1 7 4 7 7 x 1 0 。o = 2 0 2 2 4 1 0 2 ( 堙m 2 ) 另 厶2 = 昙d 2 4 = 罢0 0 2 4 ：1 5 7 0 7 9 6 1 0 。8 ( m 4 ) 3 23 2 、7 可得2 k 2 = g2 易2 = 2 0 6 x 1 0 “x 1 5 7 0 7 9 6 x 1 0 一= 3 2 3 5 8 3 9 7 6 1 0 3 ( k g m 2 ) 去= 去+ 去= o 0 0 4 9 4 4 6 2 + 0 0 0 0 ，o ，= o o 魄s 。s ： k l = i 0 0 0 5 2 5 3 6 2 = 1 9 0 3 4 4 9 4 3 1 ( k g m 2 ) 1 9 0 ( 培m 2 ) 2 4 3 机械传动机构的传递函数 有了机械传动机构的等效动力学模型，以及机械参量的折算值以后，便可 推导出系统的动态特性方程和传递函数。对于图2 5 所示的动力学模型，其转矩 平衡方程为 l 矗= 五曰三+ 占z 日f + m z ( 2 - 8 ) 弹性变形方程为 m m = 舷( 巩一吼) 对以上两式进行拉氏变换得 整理后可得 靠( s ) = ( j j s 2 + 脚) 仇( s ) + j j l 无( s ) 坛( s ) = 缸 巩( s ) 一0 t ( s ) o l ( s ) = 面k z o 气, ( s 西) - 磊m l ( 2 9 ) 如果以吼( s ) 为系统的输出，巩( s ) 为输入，m l 为扰动输入，则m l = o 的 情况下，吼( s ) 与“p ) 之间的传递函数为 ( s ) = 硒e 4 s ) = 面丽k z = 而丽可1 9 0 丽( 2 1 。) 令缸正= 曲，b l 2 瓜= 乒，则上式可变成如下的标准形式 = 器= 而两( 0 2 n 磊( 2 - 1 1 ) 可见机械传动系统是一个固有频率为曲，阻尼比为乒的二阶系统，其结构 框图如图2 7 所示。 图2 7 机械传动系统结构框图 由式( 2 1 0 ) 确定了系统传动机构的传递函数后，就可以根据传递函数对紧 头自动跟踪控制系统的p i d 参数进行整定。我们将在第三章“紧头跟踪控制系 统的设计及其软件开发”的“p i d 控制参数整定”小节中对控制系统的p i d 参数 整定工作进行具体阐述。 2 5术章小结 l 、分掇分绍了紧头蠢动跟踪系绞= 传原理及系绞组成，在j 鲢：基础上对系绞凝械 部分进行设计。 2 、根据设计好的机械传动机构建立紧头相位调整机械执行机构的数学模烈。 3 、对执行机构转动惯量、粘性阻尼系数及刚度系数等机械参量进行折算，最终 磁立系统懿簧递添数。 1 6 第三章紧头跟踪控制系统的设计及其软件开发 3 。基予建递黼数穰墅豹控制蕊统分耩 烟支紧头相位自动控制系统柢图如图3 1 所示，是一个考虑扰动的反馈控制 系统。除埝入售号0 羚，翅支紧关经嚣不叛受裂啜丝繁、毒繁努湮豹瓣穗， 则系统等于接受第二输入。当要求不论怒否存在打滑等闲素的影响，烟支实际 紧头链置都必须礁礁地跟随器竣入x i ( s ) 辩，羽抒湮影确瓣俸题可以被认为是一 个干扰输入，记为n ( s ) 。 圈3 1 烟支紧头葙位自动控稍系统框圈 x 辽律岗f 承缓静健遽篮裂菇； 啪) = 器= 器 此时认为n ( s ) = o ； n ( s ) 作用下系统的传递函数为： 哪) = 鬻一丽1 此时认为x i ( s ) = o 。 输入x i ( s ) 和干扰n ( s ) 同时律用于系统时，总输出是两输出的叠加。敞得总 输出为： x o ( s ) = x o 。( s ) + 盖：( s ) =菩器盟鹚+丽丽l纠n(1s ) g o ( s ) s ) + & fl + 疆j o o j 即 x o ( s ) 2 赢夏丽1 丽 ( 踟( s ) 石( s ) + ( s ) 若设计确保l 虢( s ) 1 ，且i 虢( s ) g o ( s ) l l ，则可知干扰的输出x 0 2 ( s ) 为： 皿z ( s ) = 雨丽1 ( s ) m 丽1 叭。，n ( s ) a 占( s ) 式中，6 为极小值。由此可见，潜要使干扰引起的输出极小，也就是使干扰引 起的镤麓极小，必须使用较大的按露4 增盏。下露我们进行其体分拆。 p i d 控制器其鸯简单酶控翻绪擒，在实际藏擂中又较翁予整定，因此它在工 业过程控制中有着煅广泛的应用。大多数p i d 控制器是现场调节的，可以根据 控制原理和控制效果对p i d 控制器进行精确而细致的现场调节。 a c ( s ) = 眉，( 1 + 去+ 乃j ) 1 设逐续p i d 控制器的传递函数为： 图3 ，2 控制系统结擒框图 3 1 1 铡、章r 分、徽分控制作用的分橱 下面分析比例、微分、积分控制对系统的影响。 比例控制 魄骥系数灌大，凌嚣系统鹣爱敏度缮热，稳态误差减夺，系统豢耱臻强； 比例系数超过某个值时，闭环系统可能变得不稳定。 积分控制 可爨提高系统黝型裂，使系绞由专差交必定差；积分佟愿太强会导致耀舔 系统不稳定。 微分控制 微分具有预报作用，会使系统的超调量减小，响应时间变快。 3 1 2 增量式离散化p i d 控制算法 连续型p i d 控制算法公式如式( 3 。1 ) u ( o 。粼玲+ - 譬t i e ( r ) d r + 舔。西童攀垒 “。 ( 3 - 1 ) 式中，k p ：比例增擞，t i ：积分时间t d ：微分时间 对式( 3 一1 ) 离散化，式中各项可：i 鼗戗表示戈： 1 8 l t z k t k = o , 1 ，2 纛 | | e f t ) 。 ， 。 量 l 蚶婶z # “疆2 砭蛳d | 渺艘 i 盟。e ( k t ) - e ( k - 1 ) t ：l 。 斑t ( 3 2 1 将采样黠闯序列雄瘸k 来蔼化装忝，则式可离数必 喇一k ， 啦) 斗争蚴串鲁稚) _ 姑一瑚 。“ 1 ( 3 - 3 ) 由予式( 3 - 3 ) 蛇输国u ( k ) 直接对应执行极构螅位置，故猕为位置式算法。位 置式算法有不安全爨索，如采诗算机盘馥障，u ( k ) 便会造成执乎亍辊构鬣嚣麓突 变，在某些场合会造成生产事故。 增量式算法克服了上述缺点，计算机输出不直接对应执行机构，而是将控制增 量簧辏绘某些吴毒积分箨曩熬疆传，翔步进毫礁等，秀壶磴件怼应瓠嚣壤稳懿 位置。这样一旦出现计算机故障，只影响控制增量，不会产生执行机构俄鬣的 突变，同时节省空问和计算时间。推导如下： i ) 出位鼹式算法可麓蹬翦一刻的输出量 村抟一1 ) 一巧凇一哿+ 睾砹，) + 导潞一封一醛一期 礴 1 ( 3 - 4 ) ii ) 式( 3 3 ) 减去式( 3 - 4 ) 镘到第k 个时刻的增爨 幽鳓髟和鳓一e ( k 一匐+ 专荔啦蛹+ 等一2 妻一匐母嚣抟一鞠 ! 爱：f 譬逮) 一。姥一磁+ 毛蛰串鬈器6 醇一2 。鐾一蛰+ 。鎏2 麓( 3 - 5 、 式( 3 - 5 ) 中= 芷一专称