彩色框架纸伺服控制系统研究与设计

作     者：岳元启 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡蓉

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：伺服控制 永磁同步电机 鸡群算法 同步控制 

摘      要：在新发展格局下,烟草行业各大卷烟生产企业在研发新产品的同时,不断升级产品,逐步实现产品结构提升。新型彩色框架纸等新技术新工艺在卷烟包装设计中得到了越来越多的运用。如何在原有包装机型上实现新工艺,是各家卷烟工厂研究的热点和重点攻坚的内容。ZB45机组是目前我国烟草行业重要的卷烟包装设备,在当前的ZB45型机组上,框架纸的切割长度仅仅依靠机械传动精度来保证,当使用新型彩色框架纸时,无法保障烟包质量满足工艺要求。本文结合ZB45机组特点及群智能算法,设计研究一种能够在ZB45包装机型上实现彩色框架纸定位压痕和定长输送的伺服控制系统。该伺服控制系统由监控层、控制层、执行层三层组成,主要硬件组成包括西门子PLC控制器、AMK伺服驱动器、伺服电机、色标传感器等。伺服控制系统利用西门子300系列PLC控制器、2台KE/KW伺服驱动控制器,其中一台KE/KW伺服驱动器控制压痕辊伺服电机完成彩色框架纸的定位压痕,另一台KE/KW伺服驱动器控制送纸辊伺服电机完成彩色框架纸的定长输送,同时在运行过程中实现双伺服电机的同步控制。为满足系统位置响应无超调、定位精度高、定位迅速等要求,本文采用模糊PID控制器对永磁同步电机进行控制。为获得更好的控制性能,本文设计了一种基于增强型鸡群算法的模糊PID控制器,经验证,该控制器能够很好地实现系统控制要求,并能在线获取模糊控制器的参数,大大减少了参数调整时间。本文提出的增强型鸡群算法,是一种在普通鸡群算法的基础上,根据不同适应度引入动态权重值并在母鸡和小鸡位置更新中引入学习因子的算法。该算法能够解决普通鸡群算法存在容易陷入收敛速度慢、易陷入局部最优的问题。为验证增强型鸡群算法的有效性,本文选用3个标准测试函数对增强型鸡群算法及普通鸡群算法进行了性能比较,经验证,增强型鸡群算法在收敛速度、收敛精度、有效性以及全局搜索能力等性能方面得到了有效的提升。为较好地实现系统中的压痕辊伺服电机和送纸辊伺服电机的双轴同步控制,本文分析了三种经典同步控制策略的优缺点,并结合交叉耦合同步控制特点,提出一种基于双电机位置误差判断的交叉耦合单一补偿同步控制方案。该同步控制方案的核心部分主要包括补偿控制器、误差判断2个模块。其中,补偿控制器采用PID控制器进行控制;误差判断模块是一个具有位移的加减运算功能的模块,起到判断伺服电机角位移的作用。运行过程中,系统根据两电机同步误差的正负值,选择其中一个补偿控制器进行补偿,在满足系统性能的同时保证了稳定性。本文设计的彩色框架纸伺服控制系统经过软件设计和上机调试运行后,能够较好的实现框架纸定位压痕及定长输送,切割的彩色框架纸满足生产工艺要求,系统的整体性能较好。