生产线变带速控制模型研究

2023-02-09

大型企业全自动连续生产线生产形式, 是目前降低成本、节约能源的主要途径, 但是由于大型全自动连续性生产线生产节拍固定、生产线带速基本不变化, 带来了无法解决的困难。

本文针对变带速控制过程进行深入研究, 首先, 建立模型, 由于不确定性、随机性问题的存在, 传统确定性数学模型无法应用, 本文采用模糊数学描述控制规律, 隶属度用来刻画客观事物中大量的模糊界限, 而隶属度可用隶属函数来表达, 隶属度函数是模糊控制应用的基础, 正确构造隶属度函数是建立模糊控制模型的关键。

1 建立变带速随机控制实验模型

1.1 模糊集合与隶属度

论域U中的任一元素x, 都有一个数A (x) ∈[0, 1]与之对应, 则称A为U上的模糊集, A (x) 称为x对A的隶属度。当x在U中变动时, A (x) 就是一个函数, 称为A的隶属函数。隶属度A (x) 越接近于1, 表示x属于A的程度越高, A (x) 越接近于0表示x属于A的程度越低。在本模糊集A (X) =生产线堵塞, X表示每米生产线上待加工产品个数, 论域U[20, 30]上的隶属度函数用µA (x) 表示, 则隶属度函数µA (x) 就是x的一个单变量函数。图2 (a) , 图2 (b) 传统数学确定集不能完整描述问题的全貌, 本文采用图2 (c) 隶属度函数。在模糊集合A (x) 的上图 (c) 中设论域元素每米上待加工产品数目{0, 10, 20, 25, 30}, 待加工产品数越接近30个, 隶属于生产线堵塞概念的程度越接近于真“1”, 隶属函数的一个可能的表示如下:

生产线堵塞={0/0+0.1/10+0.7/20+0.9 2/2 5+1/3 0}

用分段函数方法近似表示为:

1.2 确定隶属函数

本文采用的中间型模糊分布集合a=30个产品, 当生产线出现堵塞趋势时x≠a, 20

2 设计仿真变带速控制系统

2.1 控制系统硬件设计

(1) 根据数学模型以及实验要求建立控制系统框架结构。

控制系统电路主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路、与总线数据交换电路、输出控制直流电机PWM波五部分组成。采用AT89S52来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送, 然后单片机不停的检测INT0引脚, 当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间, 通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。如图2所示。

(2) 控制系统电路设计。

超声波发、超声波接收子系统控制框架, 如图3、图4所示。

图4示意了超声波测距的原理, 即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号, 当超声波遇到被测物体后反射回来, 就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间, 就可算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离计算公式:d=s/2= (c*t) /2

*d为被测物与测距器的距离, s为声波的来回路程, c为声速, t为声波来回所用的时间声速c与温度有关, 如温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。考虑本实验对于在线生产产品距离要求精度没有高精度要求, 未对温度进行补偿, 确定温度在摄氏20度为系统确认速度。

如表1所示。

2.2 部分控制系统程序设计

(1) 主程序主程序首先对系统环境初始化, 设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式, 置位总中断使能位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲, 为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发, 需延迟0.1ms (这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因) 后, 才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振, 机器周期为1us, 当主程序检测到接收成功的标志位后, 将计数器T0中的数 (即超声波来回所用的时间) 。

按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离, 设计时取20℃时的声速为3 4 4 m/s则有:

d= (C*T0) /2=172T0/10000cm (其中T0为计数器T0的计数值) 。

测出距离后结果将以十进制BCD码方式显示在LED数码管, 输出计算后的占空比PWM波, 上传数据到总线控制器, 接收生产线速度实际数值, 比较数据调整占空比数据, 再次输出, 如果数据与计算数据相等则再次发出超声波脉冲重复测量过程。主程序框图如图5。

(2) 系统制作和调试, 其中超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1 (T发射) 和TCT40-10S1 (R接收) , 中心频率为40kHz, 安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4cm~8cm。根据测量范围要求不同, 可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小, 以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

3 仿真试验结果

3.1 实验结果数据

通过基于以太网现场总线系统环境下单片机模糊控制系统的测试, 我们得到数据。

如表2、图6、图7所示。

3.2 控制系统实现的功能

系统解决了生产线节拍不适应产品换代;人身生理因素造成的故障;传统数学模型方法因过分复杂而难以应用以及非线性随机干扰等问题。

4 试验结果分析与改进

硬件电路制作完成并调试好后, 便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间, 以适应不同距离的测量需要。

生产线带速的反馈信号是利用光电数码盘进行测量, 单片机系统通过数码盘输入的信号得到实际生产线带速, 经过数据调整后实现对生产线带速的实时控制, 我们从系统仿真结果图中得出速度增加时有滞后现象, 是由于电机输出功率限制或生产环境变化造成生产线机械阻力变化使电机过载, 用夹表测量电流变化较大, 有可能造成电机损坏。为此设计加装电机保护电路改善系统适应机械阻力变化的能力, 需要在后面的实验中进行验证。

在测试过程中发现场效应管温度较高, 分析原因是在软件设计过程中应尽量考虑硬件电路的弱点, 软件在保证占空比的前提下, 延长MOSFET的开通时间可以减小开通时的涌入电流。由于电机负载为感性负载, 所以在PWM关断时存在续流现象, 为了减小续流侧反向恢复电流 (Irr) 的大小, PWM侧开关管的开通速度不宜过快。

摘要：大中型企业连续化生产线在实际应用中遇到产品更新换代与生产节拍的矛盾, 多智能体 (人) 系统具有不一致性多种因素造成某工位故障以及不确定性、随机性问题, 传统数学模型方法因过分复杂而难以应用。为此提出了运用模糊控制理论的随机模糊控制规律, 核心内容是模糊逻辑控制和多点式线性逼近控制模式。

关键词：连续化生产线,模糊控制,线性变化控制,生产线故障