基于智能双闭环控制的卷筒机及其控制方法.pdf

本发明公开了一种基于智能双闭环控制的卷筒机及其控制方法，卷筒机包括卷筒机构、送纸机构以及微处理器；在机架上还设置有湿度传感器、键盘以及转速传感器，在卷筒机构的斜板的上端和下端各设置有1个用于检测纸筒滚落速度的光电传感器；微处理器通过气动式驱动机构与切刀连接；微处理器的输出端与比例阀的开度控制端连接，喷头组与水源之间的水管上设有开度可调的比例阀；微处理器上设有转速控制器和喷水量控制器。本发明采用模糊控制与PID控制结合，再结合扫描式逐次逼近最优值的闭环控制策略，很好地解决了纸张喷水控制的难题，充分体现了系统的智能化。本发明涉及的卷筒机成本低、适应性强、所制得的纸筒的成品率高。

1.  一种基于智能双闭环控制的卷筒机，其特征在于，包括用于将纸张卷成纸筒的卷筒机构、用于为卷筒机构喂送纸张的送纸机构以及用于控制送纸机构的微处理器；
所述的送纸机构包括机架(12)、安装于机架底部的定滑轮(2)、用于拉动纸带的主动轮(15)和压轮(4)、用于切断纸带的切刀(5)、用于为纸张的一端喷水的喷头组(6)、电机、用于调节电机转速的变频器以及用于驱动主动轮的间歇式传动机构；所述的切刀(5)和喷头组(6)设置在机架(12)的面板(7)上方；压轮(5)和主动轮(15)呈上下方向设置在机架上；由纸卷引出的纸带(3)绕过定滑轮(2)并从主动轮(15)与压轮(4)之间穿过，在主动轮(15)与压轮(4)的共同拉动作用下，所述的纸带(3)的端部沿机架的面板(7)延伸；电机通过间歇式传动机构与主动轮(15)传动连接；
微处理器设置在机架上，在机架上还设置有湿度传感器、用于数据输入的键盘以及用于检测电机转速的转速传感器，在卷筒机构的斜板的上端和下端各设置有1个用于检测纸筒滚落速度的光电传感器；湿度传感器、光电传感器和键盘均与微处理器的输入端连接；微处理器通过气动式驱动机构与切刀连接；喷头组与水源之间的水管上设有开度可调的比例阀，微处理器的输出端与比例阀的开度控制端连接；变频器的控制端接微处理器，变频器的电能输出端接电机的电源端；
微处理器上设有转速控制器和喷水量控制器。

2.  根据权利要求1所述的基于智能双闭环控制的卷筒机，其特征在于，所述的转速控制器为PID控制器，PID控制器的输入量为预设转速n0与实际转速值n的误差，PID控制器的输出量为变频器的频率值；
所述的喷水量控制器的输入量为实际转速值n、湿度x和纸筒滚落速度值v，输出量为比例阀开度值Q；喷水量控制器中包含有模糊控制器、粗调控制器和微调控制器；
实际转速值n和湿度x作为模糊控制器的输入量，模糊控制器的输出量为初始比例阀开度值Q0，即基准值；实际转速值n的论域为1000～1500r/min；语言变量为S1、M1和L1，分别表示小、中和大；湿度x的论域为0～100％，语言变量为S2和L2，分别表示小和大；
初始比例阀开度值Q0的论域为0.3～0.9，语言变量为NL3、NM3、NS3、PS3、PM3和PL3，分别表示负大、负中、负小、正小、正中和正大；
模糊推理规则为：

粗调控制器的步进值ΔQ1为0.05；微调控制器的步进值ΔQ2为0.01；
喷水量控制器根据模糊控制器输出的基准值再结合粗调控制器累加的粗调值以及微调控制器累加的微调值，最后得出的输出量为比例阀开度值Q。

3.  根据权利要求1或2所述的基于智能双闭环控制的卷筒机，其特征在于，所述的间歇式传动机构为扇形齿轮-齿轮机构；电机的输出轴与扇形齿轮(13)连接，扇形齿轮(13)与用于驱动主动轮的齿轮(14)相啮合。

4.  根据权利要求1所述的基于智能双闭环控制的卷筒机的控制方法，其特征在于，首先微处理器通过电机以及间歇式传动机构控制纸带在机架面板上间歇式运动，微处理器再控制切刀从纸带上依次切下一张张长度相等的纸张；切下来的纸张的一端经喷头组喷水后被送入卷筒机构制成纸筒，纸筒经卷筒机构的斜板滚落；检测纸筒在卷筒机构的斜板滚落的速度作为评价纸筒合格的参量；
微处理器通过控制变频器的频率调节电机的转速；微处理器通过喷水量控制器控制比例阀开度，从而调节喷头组的喷水量；
喷水量控制器的控制策略为，先采用模糊控制器获得初始比例阀开度值Q0，再采用粗调控制器获得粗调量k0＊ΔQ1，再采用微调控制器获得微调量m0＊ΔQ2，其中k0和m0分别为粗调次数和微调次数，则最终的比例阀开度值Q为：Q＝Q0+k0＊ΔQ1+m0＊ΔQ2；
模糊控制器的输入量为实际转速值n和湿度x，模糊控制器的输出量为初始比例阀开度值Q0，即基准值；实际转速值n的论域为1000～1500r/min；语言变量为S1、M1和L1，分别表示小、中和大；湿度x的论域为1～99％；语言变量为S2和L2，分别表示小和大；
初始比例阀开度值Q0的论域为0.3～0.9，语言变量为NL3、NM3、NS3、PS3、PM3和PL3，分别表示负大、负中、负小、正小、正中和正大；
模糊推理规则为：

粗调控制器的步进值ΔQ1为0.05；微调控制器的步进值ΔQ2为0.01。

基于智能双闭环控制的卷筒机及其控制方法
技术领域
本发明属于花炮卷筒机及其控制领域，设计一种基于智能双闭环控制的卷筒机及其控制方法。本发明的卷筒机尤其适用于制作长度在50～150cm乃至更长的纸筒。
背景技术
现有的卷筒机，主要为适合于制作小型纸筒的小型卷筒机，成品纸筒的长度为10-15cm；对于制作长度在50～150cm乃至更长的花炮纸筒，由于技术要求完全不一样，因此，小型卷筒机根本无法适用。现有的大型卷筒机，只有卷筒机构，没有送纸机构，送纸还需人工辅助，而且还需人工在纸张的一端涂上用于将纸筒封口的水或胶，因此自动化程度低，生产效率低。而且，由于纸筒次品率与涂胶或点水的多少有极大的关系，人工涂胶或点水很难均匀，因此，造成纸筒产品的一致性差、次品率居高不下。
发明内容
本发明要解决技术问题是克服现有卷筒机的不足，提出一种基于智能双闭环控制的卷筒机及其控制方法，本发明提出的卷筒机自动化程度高、成本低且能保证产品和合格率高。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于智能双闭环控制的卷筒机，其特征在于，包括用于将纸张卷成纸筒的卷筒机构、用于为卷筒机构喂送纸张的送纸机构以及用于控制送纸机构的微处理器；
所述的送纸机构包括机架、安装于机架底部的定滑轮、用于拉动纸带的主动轮和压轮、用于切断纸带的切刀、用于为纸张的一端喷水的喷头组、电机、用于调节电机转速的变频器以及用于驱动主动轮的间歇式传动机构；所述的切刀和喷头组设置在机架的面板上方；压轮与主动轮呈上下方向设置在机架上；由纸卷引出的纸带绕过定滑轮并从主动轮与压轮之间穿过，在主动轮与压轮的共同拉动作用下，所述的纸带的端部沿机架的面板延伸；电机通过间歇式传动机构与主动轮传动连接；
微处理器设置在机架上，在机架上还设置有湿度传感器、用于数据输入的键盘以及用于检测电机转速的转速传感器，在卷筒机构的斜板的上端和下端各设置有1个用于检测纸筒滚落速度的光电传感器；湿度传感器、光电传感器和键盘均与微处理器的输入端连接；微处理器通过气动式驱动机构与切刀连接；喷头组与水源之间的水管上设有开度可调的比例阀，微处理器的输出端与比例阀的开度控制端连接；变频器的控制端接微处理器，变频器的电能输出端接电机的电源端；
微处理器上设有转速控制器和喷水量控制器。
所述的转速控制器为PID控制器，PID控制器的输入量为预设转速n0与实际转速值n的误差，PID控制器的输出量为变频器的频率值；
所述的喷水量控制器的输入量为实际转速值n、湿度x和纸筒滚落速度值v，输出量为比例阀开度值Q；喷水量控制器中包含有模糊控制器、粗调控制器和微调控制器；
实际转速值n和湿度x作为模糊控制器的输入量，模糊控制器的输出量为初始比例阀开度值Q0，即基准值；实际转速值n的论域为1000～1500r/min；语言变量为S1、M1和L1，分别表示小、中和大；湿度x的论域为0～100％，语言变量为S2和L2，分别表示小和大；
初始比例阀开度值Q0的论域为0.3～0.9，语言变量为NL3、NM3、NS3、PS3、PM3和PL3，分别表示负大、负中、负小、正小、正中和正大；
模糊推理规则为：

粗调控制器的步进值ΔQ1为0.05；微调控制器的步进值ΔQ2为0.01；
喷水量控制器根据模糊控制器输出的基准值再结合粗调控制器累加的粗调值以及微调控制器累加的微调值，最后得出的输出量为比例阀开度值Q。
所述的间歇式传动机构为扇形齿轮-齿轮机构；电机的输出轴与扇形齿轮连接，扇形齿轮与用于驱动主动轮的齿轮相啮合。
上述基于智能双闭环控制的卷筒机的控制方法，其特征在于，首先微处理器通过电机以及间歇式传动机构控制纸带在机架面板上间歇式运动，微处理器再控制切刀从纸带上依次切下一张张长度相等的纸张；切下来的纸张的一端经喷头组喷水后被送入卷筒机构制成纸筒，纸筒经卷筒机构的斜板滚落；检测纸筒在卷筒机构的斜板滚落的速度作为评价纸筒合格的参量；
微处理器通过控制变频器的频率调节电机的转速；微处理器通过喷水量控制器控制比例阀开度，从而调节喷头组的喷水量；
喷水量控制器的控制策略为，先采用模糊控制器获得初始比例阀开度值Q0，再采用粗调控制器获得粗调量k0＊ΔQ1，再采用微调控制器获得微调量m0＊ΔQ2，其中k0和m0分别为粗调次数和微调次数，则最终的比例阀开度值Q为：Q＝Q0+k0＊ΔQ1+m0＊ΔQ2；
模糊控制器的输入量为实际转速值n和湿度x，模糊控制器的输出量为初始比例阀开度值Q0，即基准值；实际转速值n的论域为1000～1500r/min；语言变量为S1、M1和L1，分别表示小、中和大；湿度x的论域为1～99％；语言变量为S2和L2，分别表示小和大；
初始比例阀开度值Q0的论域为0.3～0.9，语言变量为NL3、NM3、NS3、PS3、PM3和PL3，分别表示负大、负中、负小、正小、正中和正大；
模糊推理规则为：

粗调控制器的步进值ΔQ1为0.05；微调控制器的步进值ΔQ2为0.01。
本发明的有益效果：
1.自动化程度高，减轻了人工的劳动强度。由于本发明采用了自动的送纸机构，统一完成了送纸、切纸、喷水操作，能连续不断地自动为卷筒机构传送纸张，因此，显著提高了卷筒机的自动化程度，减轻了操作工人的劳动强度。
2.成本低、电机寿命长：本发明巧妙的采用了光电传感器检测纸筒的滚落速度来衡量纸筒的质量，再根据闭环控制实现了加水量的自动寻优，另外，由于采用了间歇式旋转机构，电机一直稳定工作在设定的转速，避免了电机频繁的启停过程，有利用维持电机长时间的工作，保障了电机的使用寿命。而且，本发明采用的电机为普通的异步电机，而非采用价格高昂的步进电机，因此，本发明用极低的成本结合巧妙且有效的控制策略实现了一个复杂系统的控制。
3.适应性强；由于电机转速可调，而且微处理器可以对切刀和喷水的时机进行灵活的控制，因此，本发明设计的卷筒机灵活性强，适用于不同类型的纸筒的制作。只需修改相关参数则可以适用不同的要求，如对应宽尺寸的纸卷采用较低转速，容易保证纸带不会被拉断，调整切刀动作的时机可以做到切下的纸张长度可控，可以根据纸张的类型，设置喷水时间的长短来控制喷水量。
4.模糊控制与PID控制结合，再结合扫描式逐次逼近最优的控制策略。本发明将现场操作人员的长期经验融合到模糊规则中，再结合扫描式逐次逼近最优的控制策略，很好地解决了纸张喷水控制的难题，充分体现了系统的智能化。另外，本发明巧妙的采用了简单实用的速度测量方法，测量纸筒滚落的速度作为反馈，形成闭环控制，有效提高和保障了成品率。
本发明的卷筒机经实践证明，具有良好的稳定性，且生产的纸筒的次品率低于1％。
附图说明
图1为实施例1的总体结构示意图；
图2为间歇式传动机构示意图；
图3为实施例1的电控系统的原理框图；
图4为喷水控制器的示意图；
图5为隶属度函数(图a、b和c分别对应转速值、湿度和初始比例阀开度值的隶属度)。
标号说明：
1-纸卷，2-定滑轮，3-纸带，4-压轮，5-切刀，6-喷头组，7-面板，8-制筒主轮，9-纸筒，10-斜板，11-光电传感器，12-机架，13-扇形齿轮，14-齿轮，15-主动轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1和3，一种基于智能双闭环控制的卷筒机，其特征在于，包括用于将纸张卷成纸筒的卷筒机构、用于为卷筒机构喂送纸张的送纸机构以及用于控制送纸机构的微处理器；微处理器采用DSP。
所述的送纸机构包括机架、安装于机架底部的定滑轮、用于拉动纸带的主动轮和压轮、用于切断纸带的切刀、用于为纸张的一端喷水的喷头组、电机、用于调节电机转速的变频器以及用于驱动主动轮的间歇式传动机构；所述的切刀和喷头组设置在机架的面板上方；压轮与主动轮呈上下方向设置在机架上；由纸卷引出的纸带绕过定滑轮并从主动轮与压轮之间穿过，在主动轮与压轮的共同拉动作用下，所述的纸带的端部沿机架的面板延伸；电机通过间歇式传动机构与主动轮传动连接；
主动轮15和压轮4呈相反方向转动，主动轮和压轮的外缘部采用橡胶制作，如图1，在没有纸带穿过时，主动轮和压轮外缘部接触并且它们之间存在一定的压紧力，当纸带穿过主动轮和压轮时，由于压轮将纸带压在主动轮上，主动轮旋转时，主动轮与压轮的互相配合，共同拉动纸带运动，起到输送纸带的作用。主动轮15与齿轮14同轴转动。压轮是可以上下移动的(这样设计，便于将纸带从主动轮与压轮之间穿过)。
微处理器设置在机架上，在机架上还设置有湿度传感器、用于数据输入的键盘以及用于检测电机转速的转速传感器，在卷筒机构的斜板的上端和下端各设置有1个用于检测纸筒滚落速度的光电传感器；此处的斜板是卷筒机制得的纸筒滚落到纸筒收集框的通道，在斜板左右两侧有边缘，防止纸筒滚落到纸筒收集筒外部。光电传感器由发射端和接收端构成，无遮挡的情况下，发射端发出的光线能直射到接收端，一旦该光线被遮挡，比如被滚落的纸筒暂时遮挡，接收端在光线被遮挡期间不能接收到光信号，则产生电信号【一个脉冲信号】发送给微处理器；每一个纸筒经过斜板，都会依次遮挡上下2个光电传感器的光路，使得2个光电传感器产生2个脉冲信号，记录2个脉冲信号的时间差，由于2个光电传感器之间的距离是固定的，因此，这个时间差即与纸筒滚落的速度v对应。
湿度传感器、光电传感器和键盘均与微处理器的输入端连接；微处理器通过常用的气动式驱动机构与切刀连接(现有技术)；气动式驱动机构包括控制气路的阀门、活塞和活塞杆，活塞杆与切刀相连；微处理器需要切刀动作时，只需发电信号打开气路上的阀门，接通气路后，气缸的活塞两侧形成压力差，活塞向下动作，导致活塞杆推动切刀动作，微处理器再发电信号关闭阀门，此时气缸的活塞两侧形成反方向压力差，活塞向上运动，带动切刀回位。喷头组与水源之间的水管上设有开度可调的比例阀，微处理器的输出端与比例阀的开度控制端连接；变频器的控制端接微处理器，变频器的电能输出端接电机的电源端；
微处理器上设有转速控制器和喷水量控制器。
所述的转速控制器为PID控制器，PID控制器的输入为预设转速n0与实际转速值n的误差，PID控制器的输出量为给变频器的频率值；采用变频器和PID控制电机转速，为电机控制和电机调速领域的成熟技术。
所述的喷水量控制器的输入量为实际转速值n、湿度x和纸筒滚落速度值v，输出量为比例阀开度值Q；喷水量控制器中包含有模糊控制器、粗调控制器和微调控制器；
实际转速值n和湿度x作为模糊控制器的输入量，模糊控制器的输出量为初始比例阀开度值Q0，即基准值；实际转速值n的论域为1000～1500r/min；语言变量为S1、M1和L1，分别表示小、中和大；湿度x的论域为0～100％；语言变量为S2和L2，分别表示小和大；湿度的变化对纸张的特性有一定的影响，环境的湿度与加水量成反比。
初始比例阀开度值Q0的论域为0.3～0.9，语言变量为NL3、NM3、NS3、PS3、PM3和PL3，分别表示负大、负中、负小、正小、正中和正大；
模糊推理规则为：

粗调控制器的步进值ΔQ1为0.05；微调控制器的步进值ΔQ2为0.01；
喷水量控制器的作用是根据模糊控制器输出的基准值再结合粗调控制器累加的粗调值以及微调控制器累加的微调值，最后得出最优的输出量为比例阀开度值Q。
如图2，所述的间歇式传动机构为扇形齿轮-齿轮机构；电机的输出轴与扇形齿轮连接，扇形齿轮与用于驱动主动轮的齿轮相啮合。
所述的基于智能双闭环控制的卷筒机的控制方法，其步骤为：微处理器首先通过电机以及间歇式传动机构控制纸带在机架面板上间歇式运动，微处理器控制切刀从纸带上切下一段纸带，切下来的这段纸带即为准备送入卷筒机的纸张；所述的纸张的一端经喷头组喷水后被送入卷筒机构制成纸筒，纸筒经卷筒机构的斜板滚落；检测纸筒在卷筒机构的斜板滚落的速度作为评价纸筒合格的参量；
通过控制变频器的频率调节电机的转速；通过喷水量控制器控制比例阀开度，从而调节喷头组的喷水量；
喷水控制器的原理示意图如图4，喷水量控制器的控制策略为，先采用模糊控制器获得初始比例阀开度值Q0，再采用粗调控制器获得粗调量k0＊ΔQ1，再采用微调控制器获得微调量m0＊ΔQ2，其中k0和m0分别为粗调次数和微调次数，则最终的比例阀开度值Q为：Q＝Q0+k0＊ΔQ1+m0＊ΔQ2；
模糊控制器的输入量为实际转速值n和湿度x，模糊控制器的输出量为初始比例阀开度值Q0，即基准值；实际转速值n的论域为1000～1500r/min；语言变量为S1、M1和L1，分别表示小、中和大；湿度x的论域为1～99％；语言变量为S2和L2，分别表示小和大；
初始比例阀开度值Q0的论域为0.3～0.8，语言变量为NL3、NM3、NS3、PS3、PM3和PL3，分别表示负大、负中、负小、正小、正中和正大；模糊变量的隶属度函数如图5所示。
模糊推理规则为：

粗调控制器的步进值ΔQ1为0.05；微调控制器的步进值ΔQ2为0.01。
本发明的控制策略是基于被控对象的特殊性质决定的，如果纸张的喷水量不够，则导致纸筒不能良好的封口，即封口处的纸接头翘起，这样滚落速度比标准的圆筒(即封口良好，且外形没有产生扭曲形变的圆筒)速度要慢。另外，如果加水量过多，封口良好，但是纸筒在过多水量的作用下有较严重的变形，此时的纸筒滚落速度也不及标准圆筒的滚落速度。因此，本控制方法的最终目的就是找到一个最佳的喷水量使得纸筒滚落的速度最大。
具体控制过程为：
(1)获取初始比例阀开度值Q0：模糊控制器根据输入量的值(实际转速值n和湿度x)以及模糊规则(模糊规则根据实际经验总结得出)得出输出量的值，即初始比例阀开度值Q0(为实数值)。模糊化、模糊推理和去模糊化均为智能控制领域的成熟技术。为求程序设计简单，Q0的取值偏小，也就是说，最终的比例阀开度值Q大于Q0值。
(2)粗调：粗调控制器的步进值ΔQ1为0.05，首先在Q0的基础上增加0.05(此时，k＝1)，测得对应的速度值v，再在Q0的基础上增加2＊0.05(此时k＝2)，。。。，直到出现一个v的峰值vmax1，假设峰值所对应的值为k0，则取k0＊ΔQ1作为粗调值。
(3)微调：在Q0+k0＊ΔQ1的基础上增加ΔQ2(此时m为1)，检测此时对应的速度v是否大于vmax1，如果是，将新的v值作为vmax1，则继续增加一个ΔQ2(此时m为2)；否则减少一个ΔQ2(此时m为-1)，再检测此时的v值是否比vmax1大。直到获得最大v值，此时对应的m值为m0.
举例说明，m＝1时，如果此时的速度值v(1)＞vmax1，【v(1)中，括号中的1表示m＝1，下同】，则将v(1)的值赋值给vmax1；令m＝2，如果此时的速度值v(2)＞vmax1，则将v(2)的值赋值给vmax1，按照前面的方法继续判断v(3)，否则，即如果v(2)＜vmax1，则说明v(1)对应的速度值为最终的最大值，扫描结束，说明m0＝1.如果m＝1对应的速度值v(1)＜vmax1，说明需要减少开度值才能获得最优值，则检测v(-1)，如果v(-1)＞vmax1，则将v(-1)的值赋值给vmax1；再判断v(-2)，如果此时的速度值v(-2)＞vmax1，则将v(-2)的值赋值给vmax1，继续判断v(-3)，否则，如果v(-2)＜vmax1，则说明v(-1)对应的速度值为最终的最大值，扫描结束，说明m0＝-1.
(4)计算最终的比例阀开度值Q为：Q＝Q0+k0＊ΔQ1+m0＊ΔQ2；
本实施例的卷筒机工作及控制过程如下：
首先，电机启动到转速恒定(恒定的转速值由用户通过键盘设定)，电机的输出轴带动扇形齿轮动作，扇形齿轮在驱动主动轮作间歇式转动，主动轮运动时，由主动轮与压轮配合拉动纸带，主动轮不动时，此时纸带不动。由微处理器根据电机的转速来定时以确定进纸的长度，定时到，由微处理器依此控制切刀和喷头组动作，完成切纸和喷水2个工序。切纸后的纸张经喷水后，送入卷筒机构制得纸筒从斜板滚落，微处理器通过安装在斜板上的光电传感器探测出纸筒滚落的速度，微处理器同时还实时监测现场电机的转速和现场湿度，微处理器中的喷水控制器根据该速度以及转速与湿度值，对喷水量进行控制【控制策略前文已经详细说明】，直到最终纸筒的滚落速度保持在最高值，也就是说，卷筒机持续工作在成品率最高的状态。
本实施例中，喷头组的喷水时间固定在2s，因此，比例阀的开度值就直接决定了喷水量的多少。
用户需要另一规格的纸筒，即纸筒的大小变化，也就要求被切的纸张的长度变化，此时，假设要求更大的纸筒(对应更长的单张纸张)，即在相同的时间内，可以是主动轮动作更多次再切一次纸，且喷一次水(比如原来主动轮每动5次切一次纸，由于设定的转速提高，则动7次切一次纸)，这就要求喷水量更多。因此，喷水量与电机转速相关。由于转速的变化，喷水量需要进行一次新的调控以达到新的最优效果。