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【摘要】对于自动化生产而言，其生产过程通常需要借助输送带将产品顺利运输到相应的固定位置处。在整个的传输过程中，容易出现输送带劣化与长期使用磨损的状况，从而使得所需要的产品不能够准确的运输到相应的固定位置处。面对这种问题，本论文主要基于可编程控制器研究了伺服电机驱动装置定位控制技术。
【关键词】PLC技术 驱动装置 定位控制 PID 控制 模糊控制
【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0172-02
随着时代变迁，我国现代化产业已由早期劳动性密集产业转为技术性密集产业，在产业升级过程中，工厂机电自动化扮演重要角色，其中精密电机定位的发展对生产线设备迈向自动化帮助很大，而电机定位控制的精准度则有赖于伺服控制系统的设计。本论文主要针对产业输送带定位问题进行研究。在工业应用上，以PLC为核心的伺服定位控制技术已相当成熟，它通常包含PLC主机、定位控制模块及伺服电机等，控制器则以PID控制器为主。上述以PLC为主体的伺服定位控制通常能获得良好的控制，也即借助长时间运转后，电机也能依据运转命令而精确地运转至设定位置。然而，借助电机轴心所带动的输送带则容易因输送带劣化或长期磨损等问题而未能精确地传送至设定位置，因此仍需进一步加以研究。
本论文研究一套伺服电机定位控制平台，其具体工作如下：（1）采用双回路的控制架构，能实际改善现有伺服电机定位控制其应用于输送带传动系统时所产生的缺点；（2）以 PLC 为基础的控制架构由于具有较高的抗杂讯能力，因此能使伺服电机定位控制具有较好的稳定性；（3）由于 AC 伺服电机的数学模型不易获得，因此应用模糊控制器于外回路的位置修正能达到良好的控制要求；（4）建构 PC-Based VB 监控系统，可方便操作者进行系统的监控管理。
一、伺服控制系统架构
本论文所提出的控制系统架构包含PC-Based VB 监控、可编程控制器、定位模块、伺服驱动器、伺服电机及高速计数器模块等。在操作顺序上，使用者可于PC-Based VB 监控端下达运转指令给PLC，PLC 将运转命令传送至定位模块，并借助伺服驱动器驱动伺服电机，使电机依转速脉冲转动至设定位置。在伺服驱动器与电机间内建闭回路的PID 控制器，以稳定进行电机的定位控制。高速计数器模块则主要通过伺服驱动器接收电机转速脉冲，以提供PC 端即时的运转信息。在内回路控制架构中，驱动器与伺服电机为一闭回路系统。伺服电机运转时，伺服电机内编码器将其移动量编码成A、B 两相脉冲，经由回路送回伺服驱动器内，由伺服驱动器的接脚检知其编码脉冲，也即借助编码器能检知伺服电机位置。驱动器具有微调致动器的效能，伺服电机位置若稍有误差或位置命令值产生些微偏移，伺服驱动器均能自动调整偏移量予以修正，其修正控制则采用PID 控制器。其中，可编程控制器采用三菱FX2N-32MR，定位模块采用三菱FX2N-20GM，高速计数器模块采用三菱FX2N-1HC，伺服驱动器采用三菱MR-J2S。
在上述电机定位控制过程中，伺服驱动系统仅能保证电机能依运转命令运转，并无法确保输送带能被带动至指定位置，也即原系统无法修正因输送带劣化或长期磨损等因素所造成的位置偏差问题。为改善该缺点，本论文于输送带上端装设三组光感测器，并将信号传送至PLC，以进一步进行外回路的模糊控制。当中间的光感测器动作时，代表输送带有定位在正确的位置；当左、右两端任一个光感测器动作时，则代表输送带已产生偏移的现象，此时启动外回路的模糊控制器以进行输送带的位置修正。输送带上利用一条反光线为记号，以配合光感测器的检出。反光记号偏移量为正负22mm（三个光感测器彼此间的距离），本实验中，命令伺服电机带动输送带重复运转，输送带如因皮带宽松、硬件机能耗损、惯量、机械磨擦等问题，使得起始点与终点位置无法相符时，则启动模糊控制器以进行输送带的位置修正。
二、模糊控制器程序设计流程
模糊控制器程序设计流程可分为以下几个步骤：
步骤一：确知位置误差及位置误差变化量数值，并根据模糊隶属函数将位置误差及位置误差变化量模糊化，本文采用三角形归属函数。
步骤二：根据输入与输出模糊区间及模糊推论引擎建立模糊规则库，系统共建立25 条模糊规则，其中下标代表模糊规则编号。
步骤三：计算影响系统隶属函数的适合程度。
步骤四：根据步骤二所规划出的模糊规则库找出对应的输出量。
步骤五：根据法则将设备上输送带距离量化成数值并进行解模糊化。
本论文中采用重心解模糊化法。根据上述步骤，若输出量为正的控制信号，则系统会自动增加脉冲数至PLC，使输送带往前移动一个修正量；反之，若输出量为负的控制信号，则系统会自动减少脉冲数至PLC，使输送带往后移动一个修正量。
三、基于模糊PID实现的定位控制仿真
在定位控制实践中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70多年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。本文采用三角形的归属函数，将系统的误差及误差微分两者分别按照模糊规则库建立归属函数图，将模糊概念与PID 控制器结合使用，设计出模糊调变PID 控制器参数。
（一）仿真控制系統
利用MATLAB/SIMULINK建立成图1仿真系统，并将控制回路的重要参数数据带入后，建立一个交流伺服电机控制系统进行系统仿真。 1.模糊逻辑控制库建立
制定出适当的模糊规则库，将影响控制系统的性能，一般模糊规则库的规则，由多个语言叙述的if-then形式所构成，而本研究的模糊控制器为两个输入及三个输出，因此需要制定三组模糊规则库，每组具有25条模糊规则，分别为PID 控制器的比例增益KP、微分增益KD、及积分增益KI为模糊控制器输出变量。
2.系统控制特性响应分析
本实验研究是利用Simulink进行对于电机的模糊PID速度回路控制模拟。本文将利用所建立的模糊PID控制系统，进行输出响应曲线分析，并建立传统PID控制器和模糊PID控制器模拟比较。本实验研究除与传统控制器作比较外，也将系统输入要求改为动态讯号，例如以方波与弦波作为系统输入，借以分析交流伺服电机系统的反应速度与超越量等的比较，其输出响应曲线如图2所示。
从图2中我们发现电机输出响应，其中其上升时间（rise time）为0.207秒，超越量（overshoot）为16.3﹪，安置时间（setting time）为0.821秒，稳态终值（final value）误差为0。该模糊PID 控制系统与电机无控制、PID 控制系统的响应曲线的比较，经图2比较后发现，模糊PID 控制系统的各项表现均优于其它两者。
分别将输入电压改为方波与弦波形式，以分析、测试系统的控制性能，由响应波形结果来看，无论是在方波（pulse generator）与弦波（sine wave）形式，模糊PID控制系统均能有效控制电机，使其呈现良好的反应速度与系统追随性能。
总的来说，本文实验将模糊调变PID控制参数用于实际直流伺服电机控制上。经simulink仿真系统，验证所提设计方法的可行性。经模拟过后得知，模糊PID控制较传统PID控制，拥有适应性的参数调整、与较好的控制特性。本次实验研究设计的模糊PID控制，其上升时间较PID控制器提升4.1﹪，超越量减少3.3﹪，安置时间减少0.27秒，其方波与弦波的追踪性能，均有较好的表现。
四、结论
本论文主要探讨系统硬件架构、VB 监控设计、以及输送带的定位控制实验。由伺服电机的启动、定速与停止的响应情形可知，驱动器的输出端无法根据理想的方波进行响应，因此本论文于外回路增加一组模糊控制器，以因应因输出脉冲误差或输送带劣化所造成的不能精确定位问题。由实验结果显示，本论文所提出的方法能实际改善上述缺点。另外本论文所提出的方法虽已证实能有效地进行定位控制，但仍有许多问题极待克服：1、基于PLC阶梯程序的限制，本论文仅采用25条模糊规则库进行模糊控制，由实验证实系统能实现良好的定位控制。然而，若应用于较高精密度的定位控制时，25条模糊规则库显然不足以胜任。未来将考虑将模糊规则库建于VB程序中，以增加更多的模糊区间，提升控制精确度，但由于多一个界面（RS232），因此可能会增加数据存取时间，减缓系统响应速度。2、本论文虽提出一个有效的闭回路定位控制方法，但却没有与其他控制方法进行比较，未来应将其他方法纳入考量，以进一步了解本系统的优缺点，使系统更为完善。3、本论文中模糊隶属函数位置主要依实验与经验决定，未来可通过最佳化方法获得，使得伺服电机的定位控制更趋于理想。
参考文献：
[1]王惠.基于PLC的巷道式堆垛机控制设计[J].长治学院学报，2011，（2）.
[2]张晴，王呐，周浩.复合控制模式的长行程纳米定位控制系统[J].计测技术，2013，（2）.
[3]周静红.PLC及伺服控制技术在精密定位控制上的应用[J].硅谷，2008，（21）.
[4] 王世紅，徐世许，张传林.送料机定长送料的伺服控制系统设计[J].机械工程与自动化，2010，（1）.
【关键词】PLC技术 驱动装置 定位控制 PID 控制 模糊控制
【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0172-02
随着时代变迁，我国现代化产业已由早期劳动性密集产业转为技术性密集产业，在产业升级过程中，工厂机电自动化扮演重要角色，其中精密电机定位的发展对生产线设备迈向自动化帮助很大，而电机定位控制的精准度则有赖于伺服控制系统的设计。本论文主要针对产业输送带定位问题进行研究。在工业应用上，以PLC为核心的伺服定位控制技术已相当成熟，它通常包含PLC主机、定位控制模块及伺服电机等，控制器则以PID控制器为主。上述以PLC为主体的伺服定位控制通常能获得良好的控制，也即借助长时间运转后，电机也能依据运转命令而精确地运转至设定位置。然而，借助电机轴心所带动的输送带则容易因输送带劣化或长期磨损等问题而未能精确地传送至设定位置，因此仍需进一步加以研究。
本论文研究一套伺服电机定位控制平台，其具体工作如下：（1）采用双回路的控制架构，能实际改善现有伺服电机定位控制其应用于输送带传动系统时所产生的缺点；（2）以 PLC 为基础的控制架构由于具有较高的抗杂讯能力，因此能使伺服电机定位控制具有较好的稳定性；（3）由于 AC 伺服电机的数学模型不易获得，因此应用模糊控制器于外回路的位置修正能达到良好的控制要求；（4）建构 PC-Based VB 监控系统，可方便操作者进行系统的监控管理。
一、伺服控制系统架构
本论文所提出的控制系统架构包含PC-Based VB 监控、可编程控制器、定位模块、伺服驱动器、伺服电机及高速计数器模块等。在操作顺序上，使用者可于PC-Based VB 监控端下达运转指令给PLC，PLC 将运转命令传送至定位模块，并借助伺服驱动器驱动伺服电机，使电机依转速脉冲转动至设定位置。在伺服驱动器与电机间内建闭回路的PID 控制器，以稳定进行电机的定位控制。高速计数器模块则主要通过伺服驱动器接收电机转速脉冲，以提供PC 端即时的运转信息。在内回路控制架构中，驱动器与伺服电机为一闭回路系统。伺服电机运转时，伺服电机内编码器将其移动量编码成A、B 两相脉冲，经由回路送回伺服驱动器内，由伺服驱动器的接脚检知其编码脉冲，也即借助编码器能检知伺服电机位置。驱动器具有微调致动器的效能，伺服电机位置若稍有误差或位置命令值产生些微偏移，伺服驱动器均能自动调整偏移量予以修正，其修正控制则采用PID 控制器。其中，可编程控制器采用三菱FX2N-32MR，定位模块采用三菱FX2N-20GM，高速计数器模块采用三菱FX2N-1HC，伺服驱动器采用三菱MR-J2S。
在上述电机定位控制过程中，伺服驱动系统仅能保证电机能依运转命令运转，并无法确保输送带能被带动至指定位置，也即原系统无法修正因输送带劣化或长期磨损等因素所造成的位置偏差问题。为改善该缺点，本论文于输送带上端装设三组光感测器，并将信号传送至PLC，以进一步进行外回路的模糊控制。当中间的光感测器动作时，代表输送带有定位在正确的位置；当左、右两端任一个光感测器动作时，则代表输送带已产生偏移的现象，此时启动外回路的模糊控制器以进行输送带的位置修正。输送带上利用一条反光线为记号，以配合光感测器的检出。反光记号偏移量为正负22mm（三个光感测器彼此间的距离），本实验中，命令伺服电机带动输送带重复运转，输送带如因皮带宽松、硬件机能耗损、惯量、机械磨擦等问题，使得起始点与终点位置无法相符时，则启动模糊控制器以进行输送带的位置修正。
二、模糊控制器程序设计流程
模糊控制器程序设计流程可分为以下几个步骤：
步骤一：确知位置误差及位置误差变化量数值，并根据模糊隶属函数将位置误差及位置误差变化量模糊化，本文采用三角形归属函数。
步骤二：根据输入与输出模糊区间及模糊推论引擎建立模糊规则库，系统共建立25 条模糊规则，其中下标代表模糊规则编号。
步骤三：计算影响系统隶属函数的适合程度。
步骤四：根据步骤二所规划出的模糊规则库找出对应的输出量。
步骤五：根据法则将设备上输送带距离量化成数值并进行解模糊化。
本论文中采用重心解模糊化法。根据上述步骤，若输出量为正的控制信号，则系统会自动增加脉冲数至PLC，使输送带往前移动一个修正量；反之，若输出量为负的控制信号，则系统会自动减少脉冲数至PLC，使输送带往后移动一个修正量。
三、基于模糊PID实现的定位控制仿真
在定位控制实践中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70多年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。本文采用三角形的归属函数，将系统的误差及误差微分两者分别按照模糊规则库建立归属函数图，将模糊概念与PID 控制器结合使用，设计出模糊调变PID 控制器参数。
（一）仿真控制系統
利用MATLAB/SIMULINK建立成图1仿真系统，并将控制回路的重要参数数据带入后，建立一个交流伺服电机控制系统进行系统仿真。 1.模糊逻辑控制库建立
制定出适当的模糊规则库，将影响控制系统的性能，一般模糊规则库的规则，由多个语言叙述的if-then形式所构成，而本研究的模糊控制器为两个输入及三个输出，因此需要制定三组模糊规则库，每组具有25条模糊规则，分别为PID 控制器的比例增益KP、微分增益KD、及积分增益KI为模糊控制器输出变量。
2.系统控制特性响应分析
本实验研究是利用Simulink进行对于电机的模糊PID速度回路控制模拟。本文将利用所建立的模糊PID控制系统，进行输出响应曲线分析，并建立传统PID控制器和模糊PID控制器模拟比较。本实验研究除与传统控制器作比较外，也将系统输入要求改为动态讯号，例如以方波与弦波作为系统输入，借以分析交流伺服电机系统的反应速度与超越量等的比较，其输出响应曲线如图2所示。
从图2中我们发现电机输出响应，其中其上升时间（rise time）为0.207秒，超越量（overshoot）为16.3﹪，安置时间（setting time）为0.821秒，稳态终值（final value）误差为0。该模糊PID 控制系统与电机无控制、PID 控制系统的响应曲线的比较，经图2比较后发现，模糊PID 控制系统的各项表现均优于其它两者。
分别将输入电压改为方波与弦波形式，以分析、测试系统的控制性能，由响应波形结果来看，无论是在方波（pulse generator）与弦波（sine wave）形式，模糊PID控制系统均能有效控制电机，使其呈现良好的反应速度与系统追随性能。
总的来说，本文实验将模糊调变PID控制参数用于实际直流伺服电机控制上。经simulink仿真系统，验证所提设计方法的可行性。经模拟过后得知，模糊PID控制较传统PID控制，拥有适应性的参数调整、与较好的控制特性。本次实验研究设计的模糊PID控制，其上升时间较PID控制器提升4.1﹪，超越量减少3.3﹪，安置时间减少0.27秒，其方波与弦波的追踪性能，均有较好的表现。
四、结论
本论文主要探讨系统硬件架构、VB 监控设计、以及输送带的定位控制实验。由伺服电机的启动、定速与停止的响应情形可知，驱动器的输出端无法根据理想的方波进行响应，因此本论文于外回路增加一组模糊控制器，以因应因输出脉冲误差或输送带劣化所造成的不能精确定位问题。由实验结果显示，本论文所提出的方法能实际改善上述缺点。另外本论文所提出的方法虽已证实能有效地进行定位控制，但仍有许多问题极待克服：1、基于PLC阶梯程序的限制，本论文仅采用25条模糊规则库进行模糊控制，由实验证实系统能实现良好的定位控制。然而，若应用于较高精密度的定位控制时，25条模糊规则库显然不足以胜任。未来将考虑将模糊规则库建于VB程序中，以增加更多的模糊区间，提升控制精确度，但由于多一个界面（RS232），因此可能会增加数据存取时间，减缓系统响应速度。2、本论文虽提出一个有效的闭回路定位控制方法，但却没有与其他控制方法进行比较，未来应将其他方法纳入考量，以进一步了解本系统的优缺点，使系统更为完善。3、本论文中模糊隶属函数位置主要依实验与经验决定，未来可通过最佳化方法获得，使得伺服电机的定位控制更趋于理想。
参考文献：
[1]王惠.基于PLC的巷道式堆垛机控制设计[J].长治学院学报，2011，（2）.
[2]张晴，王呐，周浩.复合控制模式的长行程纳米定位控制系统[J].计测技术，2013，（2）.
[3]周静红.PLC及伺服控制技术在精密定位控制上的应用[J].硅谷，2008，（21）.
[4] 王世紅，徐世许，张传林.送料机定长送料的伺服控制系统设计[J].机械工程与自动化，2010，（1）.