本發(fā)明涉及一種帶材自動糾偏系統(tǒng)，屬于機械電控系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

糾偏控制裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冶金、印染、紡織、薄膜、造紙、印刷、包裝等諸多行業(yè)，是一種保證卷邊整齊的自動化設(shè)備；通常情況下對于連續(xù)運行的帶狀材料生產(chǎn)線，由于機組運行速度變化、生產(chǎn)線延伸以及帶狀材料本身特性的影響，往往容易出現(xiàn)“跑偏”現(xiàn)象，進而影響了帶狀材料收卷的整齊性，因而需要額外的糾偏控制裝置，實現(xiàn)帶狀材料傳送過程中寬度方向的在線檢測和糾正，提高帶狀材料生產(chǎn)線的機械自動化水平。

目前市場上常見的自動糾偏系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)大體包括三類:電機驅(qū)動、氣動、液壓驅(qū)動；其中電機驅(qū)動糾偏系統(tǒng)以電機作為執(zhí)行機構(gòu)，具有響應(yīng)速度快、反應(yīng)靈敏、集成度高等特點，比較適合重量較小的物料，特別是寬度不大的包裝帶材；氣動或液壓驅(qū)動式糾偏系統(tǒng)具有抗干擾能力強、簡單可靠、推力大等優(yōu)點，比較適合重量大的物料；三類執(zhí)行機構(gòu)，其控制原理一般采用的都是類似“盲人探路”的擺動式糾偏方法，在沿帶狀材料運行路線的寬度邊沿位置的機械結(jié)構(gòu)上，安裝1只或2只光電傳感器，可以形成常見的單邊單光電、雙邊單光電、單邊雙光電等多種檢測手段，如附圖1-3；糾偏控制系統(tǒng)根據(jù)光電傳感器反饋信號，控制執(zhí)行機構(gòu)左右擺動，保持帶材寬度邊沿“游走”于1只（圖中a）或2只（圖中a和b）光電傳感器之間，使光電傳感器的感應(yīng)從有效到無效，再從無效到有效之間循往復(fù)。

這種“盲人探路”式的控制機制，簡單方便，控制成本低。但是，由于帶材“跑偏”受材料本身、運行張力、機械傳動機構(gòu)等多種不可控因素影響，是非線性的。因此，傳統(tǒng)控制機制的糾偏精度不高，適合對糾偏精度在1mm左右的帶狀材料運行場合。

另外，這種持續(xù)的左右擺動對機械結(jié)構(gòu)的靈活性和機械損耗也帶來很大挑戰(zhàn)，反過來，持續(xù)的機械擺動也在影響糾偏精度；市場上也有一些其它的糾偏控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)控制基礎(chǔ)上，增加了pid調(diào)節(jié)，但是，也無法達到理想的糾偏效果（精度0.5mm以下）。

近些年來，arm嵌入式處理器發(fā)展十分迅速，其精簡指令集（risc）結(jié)構(gòu)簡單、高效，利用arm能夠設(shè)計出高性能、低成本、低功耗的控制系統(tǒng)，另外，arm處理器的字長、運算速度正在不斷提高，還具備wifi、藍牙等無線接口，在處理速度、開發(fā)成本、靈活性等方面均具有一定優(yōu)勢，綜合性能占優(yōu)，本發(fā)明就是在分析傳統(tǒng)糾偏控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，基于arm嵌入式處理器設(shè)計了一種模糊控制的帶材自動糾偏系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的是一種帶材自動糾偏系統(tǒng)，其目的旨在解決現(xiàn)有糾偏控制系統(tǒng)糾偏精度不高、執(zhí)行機構(gòu)往復(fù)運動頻繁、機械損耗大等問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種帶材自動糾偏系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括微控制器、傳感器模塊、a光電隔離、b光電隔離、人機交互模塊、步進電機驅(qū)動器、繼電器模塊、無線傳輸模塊；其中，傳感器模塊的信號輸出端與a光電隔離的信號輸入端相連，a光電隔離的信號輸出端與微控制器的信號輸入端相連，微控制器的信號輸出端與b光電隔離的信號輸入端相連，b光電隔離的第一信號輸出端與步進電機驅(qū)動器的信號輸入端相連，b光電隔離的第二信號輸出端與繼電器模塊的信號輸入端相連，微控制器的第一信號輸入輸出端與人機交互模塊的信號輸入輸出端相連，微控制器的第二信號輸入輸出端與無線傳輸模塊的信號輸入輸出端相連。

本發(fā)明的優(yōu)點：

1）糾偏精度高；

2）避免糾偏機構(gòu)往復(fù)頻繁運動；

3）處理速度快；

4）支持手機移動端查詢。

附圖說明

附圖1單邊單光電糾偏檢測示意圖。

附圖2雙邊單光電糾偏檢測示意圖。

附圖3單邊雙光電糾偏檢測示意圖。

附圖4是本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖。

附圖5是帶材自動糾偏系統(tǒng)的控制原理圖。

具體實施方式

對照附圖4，一種帶材自動糾偏系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括微控制器、傳感器模塊、a光電隔離、b光電隔離、人機交互模塊、步進電機驅(qū)動器、繼電器模塊、無線傳輸模塊；其中，傳感器模塊的信號輸出端與a光電隔離的信號輸入端相連，a光電隔離的信號輸出端與微控制器的信號輸入端相連，微控制器的信號輸出端與b光電隔離的信號輸入端相連，b光電隔離的第一信號輸出端與步進電機驅(qū)動器的信號輸入端相連，b光電隔離的第二信號輸出端與繼電器模塊的信號輸入端相連，微控制器的第一信號輸入輸出端與人機交互模塊的信號輸入輸出端相連，微控制器的第二信號輸入輸出端與無線傳輸模塊的信號輸入輸出端相連。

所述步進電機驅(qū)動器的信號輸出端與步進電機的信號輸入端相連；所述繼電器模塊的信號輸出端與報警裝置的信號輸入端相連。

所述微控制器是模糊控制的帶材自動糾偏系統(tǒng)的核心，用于接收糾偏傳感器和左右限位傳感器采集的數(shù)據(jù)，進行分析計算后，控制步進電機驅(qū)動器和繼電器模塊，同時負責人機交互操作、數(shù)據(jù)顯示和無線數(shù)據(jù)傳輸；本發(fā)明微控制器優(yōu)先采用arm32位嵌入式微處理器，比如：armcortex-a8。

所述傳感器模塊包括糾偏傳感器、左右限位傳感器；其中，糾偏傳感器的信號輸出端與a光電隔離的第一信號輸入端相連，左右限位傳感器的信號輸出端與a光電隔離的第二信號輸入端相連。

所述糾偏傳感器由光電開關(guān)構(gòu)成，檢測薄膜邊沿位置，用于薄膜的跑偏量檢測；本控制系統(tǒng)在帶材放卷和收卷處分別設(shè)置糾偏檢測，各自采用單邊雙光電檢測模式，各自選用2只糾偏傳感器，優(yōu)選型號為中川rlk161型光電糾偏傳感器。

所述左右限位傳感器：用于限制糾偏執(zhí)行機構(gòu)的左右行程極限，保護機械傳動機構(gòu)，左右限位傳感器優(yōu)選歐姆龍hl-5000型限位開關(guān)；優(yōu)選本控制系統(tǒng)在糾偏執(zhí)行機構(gòu)的左、右兩側(cè)極限位置分別安裝1只歐姆龍hl-5000型限位開關(guān)。

所述a光電隔離優(yōu)選tlp521型普通光耦；所述b光電隔離包括tlp521型普通光耦和6n137型高速光耦，tlp521型普通光耦處在微控制器和繼電器模塊之間，6n137型高速光耦處在微控制器和步進電機驅(qū)動器之間；工業(yè)現(xiàn)場工作環(huán)境比較惡劣，干擾信號多且強，因此需要通過光耦將控制模塊和外圍電路模塊隔離，實現(xiàn)光電隔離，包括輸入信號和輸出信號的光電隔離，對于頻率較低的開關(guān)信號如傳感器模塊信號、繼電器控制模塊信號，選用普通光耦tlp521實現(xiàn)光電隔離，對于高速的脈沖信號如步進電機驅(qū)動模塊控制信號，選用高速光耦6n137實現(xiàn)光電隔離。

所述人機交互模塊采用工業(yè)觸摸屏設(shè)計，與微控制器之間通過modbus總線進行數(shù)據(jù)交互傳輸，可實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)指示、糾偏數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，同時具有操作模式（自動/手動）選擇、點動操作、糾偏控制算法選擇等。

所述步進電機驅(qū)動器根據(jù)微控制器的指令，驅(qū)動步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，通過傳動機構(gòu)使帶材糾偏機構(gòu)移動一定行程，進行偏差調(diào)整；優(yōu)選通過絲杠傳動,帶動糾偏輥移動一定行程，進行偏差調(diào)整。

所述繼電器模塊：當系統(tǒng)發(fā)生故障時，根據(jù)控制模塊指令，驅(qū)動報警控制電路發(fā)出警報。

所述無線傳輸模塊：以無線傳輸形式（如wifi、藍牙等無線傳輸技術(shù)），將糾偏控制系統(tǒng)運行狀態(tài)等工況數(shù)據(jù)實時發(fā)送給車間管理中心，支持手機移動端查看。

所述帶材自動糾偏系統(tǒng)微控制器的控制功能包括參數(shù)設(shè)置、啟?？刂?、操作模式（自動/手動）選擇、點動操作、糾偏控制、數(shù)據(jù)上傳；本發(fā)明一種模糊控制的帶材自動糾偏系統(tǒng)在控制方法上與市場常見其它控制器在糾偏控制算法和數(shù)據(jù)上傳二個方面做了改進。

現(xiàn)有的文獻資料表明，導(dǎo)致帶材“跑偏”的原因主要包括:(1)帶材表面不平，例如厚薄不均、帶有印刷圖案等；(2)帶材運行時的張力波動或外部振動等；(3)各傳動輥之間位置不水平或不平行；(4)傳動輥表面存在加工缺陷、形狀不是標準的圓柱形；（5）溫度、濕度、牽引力波動等因素導(dǎo)致的機械或帶狀材料變形等等；如上所述,導(dǎo)致帶材跑偏是多種多樣不可控因素影響的結(jié)果，是非線性的，而模糊控制則可以利用控制經(jīng)驗或?qū)I(yè)知識有效地解決非線性問題，本發(fā)明基于模糊控制研究設(shè)計了一種帶材自動糾偏控制方法，其糾偏控制的原理如圖5所示。

所述微控制器采用模糊控制方法進行糾偏控制，具體方法包括如下步驟：

（1）在采樣時刻k，計算帶材跑偏量期望值和跑偏量實際綜合值的誤差（k）和誤差變化率（k）：

（2）誤差（k）和誤差變化率（k）進入模糊控制器模塊，首先進行模糊化處理,誤差用語言變量來描述，在專家知識庫中將誤差e分為負向偏大（nb）、負向中等（nm）、負向偏?。╪s）、正向偏大（pb）、正向中等（pm）、正向偏?。╬s）和無誤差（o）七個元素，對應(yīng)的模糊子集為；同理，誤差變化率用語言變量來描述，按照專家知識庫經(jīng)驗，對應(yīng)的模糊子集為；模糊關(guān)系r為：

所述模糊控制器模塊中的專家知識庫，確定的控制規(guī)則為：

①如果誤差和誤差變化率二者都為0；或者誤差為ps，而誤差變化率為ns；或者誤差為ns，而誤差變化率為ps；或者誤差為pm，而誤差變化率為nm或nb；或者誤差為nm，而誤差變化率為pb或pm；或者誤差為pb，而誤差變化率為nb；或者誤差為nb，而誤差變化率為pb；則輸出控制保持現(xiàn)狀，即=0；

②如果誤差和誤差變化率均為pb或pm時，則輸出控制=nb；

③如果誤差和誤差變化率均為nb或nm時；或者誤差為nb，而誤差變化率為ns、nm或nb時；或者誤差為nm，而誤差變化率為nm或nb時；則輸出控制=pb；

④如果誤差為ps或0，而誤差變化率為pb時；或者誤差為ps，而誤差變化率為pm時；或者誤差為pb或pm，而誤差變化率為ps或0時，則輸出控制=nm；

⑤如果誤差為ns，而誤差變化率為pb或pm時；或者誤差為0，而誤差變化率為pm或ps時；或者誤差為ps，而誤差變化率為ps或0時；或者誤差變化率為ns，而誤差為pm或pb時；或者誤差為pb，而誤差變化率為nm時；則輸出控制=ns；

⑥如果誤差為0，而誤差變化率為ns或nm時；或者誤差為ps，而誤差變化率為nm時；或者誤差為ns，而誤差變化率為ns或0時；或者誤差為nm，而誤差變化率為ps時；或者誤差為nb，而誤差變化率為pm或ps時；則輸出控制=ps；

⑦如果誤差變化率為nb，而誤差為ps、0或ns時；或者誤差變化率為nm，而誤差為ns時；或者誤差變化率為ns，而誤差為nm時；誤差變化率為0，而誤差為nm或nb時；則輸出控制=pm。

（3）模糊推理:模糊推理部分采用mamdani型推理法，那么第條規(guī)則的強度表示為：

(3)

式(3)中為誤差相應(yīng)于模糊子集的隸屬度函數(shù)；為誤差率相對于模糊子集的隸屬度函數(shù)；第條規(guī)則的模糊輸出可表示為：

(4)

式(4)中表示相對于模糊集的隸屬度；

那么總輸出的模糊子集可表示為：

(5)

（5）清晰化處理：清晰化處理選用中心平均法，那么模糊控制器的輸出量表示為：

(6)

式(6)中為模糊控制器的實際輸出控制量；為輸出論域內(nèi)第條規(guī)則所對應(yīng)隸屬度；為輸出論域內(nèi)最大隸屬度對應(yīng)數(shù)值。

所述微控制器還帶有前饋控制：用表示帶材放卷處跑偏量，表示收卷處跑偏量；表示步進電機的傳遞函數(shù)，表示前饋補償器的傳遞函數(shù)；將步進電機驅(qū)動器和步進電機視為一體，輸入為脈沖指令s，輸出為電機轉(zhuǎn)角θ，則指令當量近似為；糾偏輥和絲杠可看成一階慣性環(huán)節(jié)，故步進電機的傳遞函數(shù)可表示成；同時前饋環(huán)節(jié)表示成，進一步前饋環(huán)節(jié)表示為，其中為帶材從放卷運行到收卷所需時間，t為系統(tǒng)控制時間常數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況進行現(xiàn)場調(diào)整；

模糊控制器的輸出量得到步進電機傳遞函數(shù)的輸入，的輸出為實際的步進電機糾偏控制量，與復(fù)合得到帶材跑偏量實際綜合值反饋給微控制器輸入端。

所述數(shù)據(jù)上傳：目前市面上常見的自動糾偏控制器在數(shù)據(jù)上傳方面處于如下兩種狀態(tài)：

（1）完全沒有數(shù)據(jù)上傳功能。單機獨立運行，需要每臺控制設(shè)備的操作人員根據(jù)本臺設(shè)備的運行要求和機組特性，獨立設(shè)置相應(yīng)糾偏控制器的運行參數(shù)。

（2）采用有線通訊模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳功能?，F(xiàn)有的一些糾偏控制器采用了plc、工控機作為核心控制模塊，可以利用rs485、profibus等工業(yè)現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)等有線通訊方式來組成集散控制系統(tǒng)，可以集中下發(fā)各臺設(shè)備的控制參數(shù)，采集設(shè)備的實時運行狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。但是，因為目前糾偏控制器的制造利潤非常低廉，而且基本都是作為包裝、冶金等帶材整機機械的附屬設(shè)備。而現(xiàn)有的包裝行業(yè)如包裝袋生產(chǎn)廠商基本都是中小規(guī)模的個體經(jīng)營為主，集散控制系統(tǒng)的建設(shè)成本較高，布線復(fù)雜，所以這種形式的控制模式在包裝袋生產(chǎn)行業(yè)幾乎沒有。

近幾年，隨著智能移動終端和wifi熱點的普及，基于wifi的移動應(yīng)用在建設(shè)和使用成本上大幅度下降，本發(fā)明模糊控制的帶材自動糾偏系統(tǒng)核心控制模塊采用具備wifi接口的arm32位系列嵌入式微處理器，不用布線，可以使車間內(nèi)的每一臺糾偏控制系統(tǒng)成為無線局域網(wǎng)內(nèi)的一個節(jié)點，被授權(quán)的負責人，可隨時隨地通過電腦或移動終端登錄管理平臺，實現(xiàn)廠級、車間級的生產(chǎn)計劃指令下達、控制參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運行狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)匯總等功能。