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基于PID的高随动性绕线系统控制方法设计

王磊;王振宏

【摘要】针对绕线机中放线线轮与收线线轮难以同步的问题,提出了一种基于PID

的高随动性绕线系统控制方法.将PID控制方法和bang-bang控制方法相结合,利

用储线机构中拉线传感器的反馈实现对绕线机绕线速度的动态调节,给出了PID参

数的校正方法.经实验验证,PID和bang-bang结合的控制方法相对于单纯使用

PID的控制方法,在系统的稳定性和响应速度方面有较大提高.

【期刊名称】《机械研究与应用》

【年(卷),期】2018(031)001

【总页数】3页(P109-110,113)

【关键词】绕线机;高随动性;多轴同步;PID控制

【作者】王磊;王振宏

【作者单位】长春理工大学机电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学机电

工程学院,吉林长春130022

【正文语种】中文

【中图分类】TM315

0引言

自动绕线机是用漆包铜线绕制线圈的一种专用机器，是现代电器行业中常用的一种

加工设备[1]。其工作原理是绕线电机带动线圈骨架按照规定的方式旋转，将漆包

铜线缠绕在线圈骨架上[2]。随着加工制造行业的发展，在很多生产领域都是需要

多台设备之间紧密配合才能完成生产实践的，显然仅靠1台设备已经无法满足高

新技术的发展需求。高随动性绕线机就是能直接把打标完的漆包铜线缠绕成需要线

圈的一种加工设备。

要想实现绕线机的高随动性，实质上是绕线线轮的电机跟随放线线轮的实时速度反

馈进行动态调节的过程。由于PID控制方法存在一定的时滞性，笔者利用PID和

bang-bang相结合的方式设计了放线跟随控制系统。该控制系统可以使得系统出

现大的波动时调节时间变短，加快系统的响应速度，在系统的稳定性和响应速度方

面相对于单纯使用PID控制时的控制效果有较大提高，能够满足生产需求[3-5]。

1绕线机控制系统的组成

在绕线机的入线口与绕线轴之间设计一个滑轮组型式的储线机构，该机构以拉线位

移传感器作为动滑轮的位置反馈来实时调节绕线电机的转速，实现绕线电机随入线

电机的速度同步运行，其结构图如图1所示。

图1绕线机的结构

1.1收线轴的控制系统设计

PID控制器在控制系统中是一种应用最为广泛的控制方法，它不只原理简单、容易

实现、适用范围广，而且对于控制过程中的滞后系统具有很好的控制性能。图2

为PID控制系统的结构框图。

本绕线机的储线机构根据砝码配重块的重量调节系统的线张力，在系统运行过程中

利用动滑轮和静滑轮之间的距离对绕线线轮的速度进行实时调整。其系统的输入量

为给定砝码配重块悬浮位移量r(t)与砝码配重块实际悬浮位移量s(t)的偏差值为：

e(t)=r(t)-s(t)

(1)

输出偏差e(t)的比例、积分和微分的线性组合：

(2)

式中:Kp为比例系数；KI为积分时间常数；KD为微分时间常数。

图2PID控制系统结构框图

在系统运行过程中，当被控量的数值接近与给定的数值时，积分产生的作用受到比

例反向作用的影响，从而使得系统的震荡减小，提高系统的稳定性；当给定值与被

控量的值偏差较大时，由于比例和积分之间的作用关系，使系统的调节过程变得缓

慢，从而出现砝码配重块降到最低位置，产生松线现象，或者砝码配重块快速冲到

顶部，使得线缆被拉断。

为了提高系统开始的动态调节过程，利用bang-bang控制的方法，设置一个动滑

轮移动范围α1和α2，当α1e(t)α2时，忽略PID的控制结果，直接给u(t)一

个趋向于给定值方向的值，即u(t)能够输出的最小值或最大值。利用这样的控制方

法，加快了系统的动态响应过程。图3为PID与bang-bang控制结合时的绕线

机收线电机控制框图。

图3PID与bang-bang控制的绕线机收线电机控制框图

1.2PID参数整定

Kp、KI和KD对系统性能的影响：Kp越大，则系统越灵敏，但随着比例系统变大，

系统的振荡次数增多，系统的调节时间增长，稳定性变差；Kp偏小，系统的反应

速度缓慢。KI的作用会使得系统的稳定性降低，KI越小会使系统的稳定越差，但

可以消除系统的稳态误差，提高系统的控制精度。KD的作用可以提高系统的动态

性能，KD偏大时，会使系统的超调量增大