工程胎胎面缠绕生产线调速系统的模糊控制

王存雷

（天津机电职业技术学院，中国 天津 300131）

进入21世纪，随着公路交通和采矿业的迅速发展，使得大型的工程机械轮胎的需求不断的增加。大型工程轮胎直径大，断面宽，胎面厚，传统的贴合工艺已经不能满足正常的生产要求，同时断面宽，厚度大的胎面人工贴合很难搬运，而且容易产生窝气现象，为了适应轮胎生产厂家的需求，我公司自主研发、设计、生产了工程胎胎面缠绕生产线，是一种适用于工程子午线轮胎基部胶、胎面胶等胶部件缠绕的专用设备。

在胎面缠绕生产线的设计中，针对整条生产线交流电动机组的各个传动点速度难以互相协调、匹配等困难，提出电机线速度模糊控制的技术方案。在对生产线调速设计的基础上，详细论述模糊控制器的设计及程序的实现。以研华工控机为上位机监控，AB RSLogix5000 PLC和PF-40变频器以及工业以太网为基础，研究胎面缠绕生产线调速模糊控制的设计与实现，实际运行表明，采用模糊控制可以满足整个机组的线速度级联、同步、动态补偿等自动化控制要求。

1 生产线的组成以及速度调节的要求

1.1 生产线的组成

本生产线由挤出机，（带有形状）压型辊，冷却鼓，储料装置，缠绕主机（包括运动底座，支架及托架，缠绕头）组成，如图1所示。

胶料通过挤出机螺杆转动挤出胶条，生产状态为连续状态，胶条经过型辊，产生工艺要求的胶条形状，然后经过主动辊进入双鼓冷却装置，经过冷却后的胶条进入储料装置，支架及托架装置，最后进入缠绕头，为了避免胶条的宽窄不一，出现飞边或过窄的现象，所以整条生产线速度的匹配十分重要。

缠绕过程中，整条生产线的运动控制均采用伺服控制，通过各个伺服电机间的速度匹配，保证缠绕过程中的速度可控，减少拉伸；压型辊的出口处安装有测宽装置，以保证胶条宽度基本恒定。通过安装在缠绕机头上的编码器，可以实时检测成型鼓的线速度，通过调整成型机成型鼓的转速来保证成型鼓的线速度与胶条输送速度的匹配，将胎面胶以连续胶条形式以受控螺旋、可变螺距缠绕到轮胎上形成胎面，从而完成准确重量的缠绕。

工程胎胎面缠绕的胎面重量控制是整个缠绕过程的决定因素，为保证缠绕重量的准确，必须使胶条连续稳定，并且缠绕生产线的速度和成型机成型鼓的速度必须做到精确匹配。

图1 缠绕生产线结构图

1.2 生产线速度控制要求

胎面缠绕出生产线的主要控制要求是：缠绕胶条通过口型板挤出预成型后，在经过设定的型辊形成工艺要求的形状，然后按顺序依次经过其后的各输送装置，各输送环节之间有严格速度匹配，通过各个输送装置间伺服电机速度的匹配，实现对胶料的张力控制，使挤出的胶料既不能拉伸又不能堆积，从而达到全线的速度匹配，防止堆胶和胶条拉伸。

根据上述控制过程和要求，需要生产线具有较强的速度整定能力，以保证胎面的产品质量。胶条宽度稳定是缠绕重量稳定的基础，挤出机型辊的出口装有测宽传感器，测宽传感器的信号通过以太网进入模拟量模块，模拟量模块将信号传入PLC中，PLC通过调节伺服驱动器调节型辊伺服电机转速大小来调解胶条宽度，当胶条宽度高于设定宽度时，提高型辊转速，反之，降低型辊速度。

缠绕机可以通过模拟信号（0-10V）来控制成型鼓的速度，然后发出一个启动/停止信号，同时从成型机上得到准备和故障信号，作为反馈信号。

图2 测宽调速装置

从图2测宽调速装置原理可以看出：型辊的速度由两部分组成：V±△V，其中，V为系统设定速度值；△V为系统设定速度值与实际速度的差值；由此两部分合成型辊的控制速度，该速度大小可根据物料工况进行调节。

2 模糊控制器的设计

模糊控制器的设计包括输入和输出的定义、模糊推理机制的确立和模糊判决的实现。模糊控制器的任务是对输入的信息模糊化,然后进行模糊推理,给出模糊控制量，最后将模糊控制量清晰化为清晰控制量。

2.1 输入和输出定义

根据图2所示，关键是对△V的控制，选取胶条的宽度调节，来改变△V的大小与方向。

模糊理论是建立在模糊集合之上，传统集合是严格的0或1，而模糊集合可以从“不隶属”到“隶属”逐渐过渡，即隶属度在0到1的范围内。文中“宽”、“窄”、“快”、“慢”这些在常规集合中无法解决的含糊概念就可在模糊集合中得到表达，这就为计算机处理这类带有含糊性的信息提供了一种方法。

描述输入变量及输出变量的语言值的模糊子集为 {负大，负小，零，正小，正大}，简记形式为{NB，NM，Z0，PM，PB}。

根据控制工艺，型辊转速是单输入单输出控制的，其模糊系统如图3所示。

图3 单输入单输出模糊系统

系统中的偏差e，偏差变化率ec和模糊控制器的输出控制量u都是确定的数值，不是模糊集合。输入变量为从型辊出来的胶条的宽度：E论域［0，＋10］，0表示胶条宽度最窄，10表示胶条宽度最宽；输出变量为型辊的速度变化值：u论域［－5，＋5］负数表示减速，正数表示加速。电压隶属度函数、速度隶属度函数分别如图4、图5所示。

图4 电压隶属度函数

2.2 模糊规则

这里各模糊子集的隶属度与速度的关系都是线性的，分别为三角形或半三角形。模糊控制规则语言描述：①若e负大，则u正大；②若e负小，则u正小；③若e负零，则u正零；④若e正小，则u负小；⑤若e正大，则u负大。

模糊规则是模糊推理的基础，根据控制对象的实际工况制定模糊规则见表1。

表1 模糊控制规则

表1中共用5条模糊规则，表达的关系为：

IF E＝ei THEN U＝ui

其中E为输入模糊变量，U为输出模糊变量，ei、ui分别为 E，U的语言值。

2.3 模糊推理

模糊控制器的控制规则是由一组彼此间通过“或”的关系联结起来的模糊条件语句来描述的，其中每条模糊条件语句，当输入、输出语言变量在各自论域上反映各语言值的模糊子集为已知时，都可表达为论域集上的模糊关系。

根据if E and C then U类型的推理规则，输出控制量集合U＝（E×C）·R 即：Uu(z)＝UR(x，y，z)∧［UE（x）∧Uc（y）］。

根据上述规则和上式可得出这一规则的模糊关系：R＝（E×C）T×U即：

由于一个过程控制的规则库都是由若干条规则组成，对于每一条推理规则都可以得到一个相应的模糊关系，N条规则就有N个模糊关系：R1…Rn整个系统的总的控制规则所对应的模糊关系R可对N个模糊关系取“并”得式：

3 模糊控制在PLC上的实现

胎面缠绕的型辊速度控制在传统的可变程序控制器是通过查表的方式实现的。PLC是典型的二值逻辑控制器，通过PLC来实现模糊控制，需要复杂的数值运算，这将占用PLC大量资源，降低了控制系统的实时性。利用Matlab提供的模糊逻辑工具箱可建立胎面、胎侧输送带调速模糊控制系统的仿真，得到10个值的模糊控制查询表为表2所示。

本文采用AB RSLogix5000的PLC，在可编程序控制器的软件编制中着重解决两点问题：一是模糊输入变量的实现；二是模糊控制查询表的实现。速度调整程序流程如图6所示。

若通过型辊的胶条经测宽后，尺寸没有变化，则型辊的速度等于设定速度并保持不变，若胶条的宽度过宽，则测宽装置反馈回来的电压信号的A/D转换值减去5V电压信号对应的A/D转换值，乘以一定的模糊规则比例系数之后再加上之前型辊的速度给定。

图6 速度调整程序流程图

1）如果反馈回来的模拟量电压信号大于5V，则型辊的速度增加。2）如果反馈回来的模拟量电压信号小于5V，则型辊的速度减小。3）电压信号等于5V，则型辊速度保持不变。这样通过测宽装置对应的电压信号的变化去自动调节型辊的速度，达到了型辊速度整定的目的，使各段辊道速度相匹配满足挤出的胎面胶条既不会拉伸也不会堆积。联动线控制系统通过采集线性位移传感器的检测信号达到了对系统的闭环控制。

4 结束语

相比之下，目前国内的工程胎缠绕机主要的结构方式：一是主要采用仿型原理，需要扫描轮胎基线，耗时长，影响效率。二是挤出机出胶处没有宽度检测控制，胶条形状波动较大，不利于重量控制。而胎面重量及形状尺寸控制恰恰是胎面缠绕的关键。

本文设计的胎面缠绕生产线调速模糊控制器，能实现对胎面输送带的智能调速控制，满足整个机组的线速度级联、同步、动态补偿等自动化控制要求，提高了生产线连续平稳生产的能力。论文采用模糊控制量查询表的方式，从而避免在PLC程序中作模糊算法而导致系统实时性降低的缺陷，实现了在传统可编程序控制器上的智能控制。

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