口袋布自动缝制设备多电机偏差耦合同步控制技术研究.pdf

第23卷第2期2023年6月0引言传统的人工流水线加工方式，人工成本高，加工效率还低1。为加快生产效率，很多服装企业已经利用口袋布自动缝纫设备，替代人工流水线加工的方式2，通过口袋布自动缝纫设备，完成全部缝制任务，提升服装企业的经济效益3。口袋布自动缝纫设备使用过程中，需要多个电机同时工作，而多电机因为驱动与负载扰动等因素，导致多电机同步性能较差，不能满足生产需求4-6。为提升口袋布自动缝纫设备的缝制精度，需研究多电机偏差耦合同步控制技术。例如，耿强7等人依据线性系统校正原理，设计改进型多电机偏差耦合控制器，利用输出选择函数，提升跟踪误差补偿精度。该技术可有效完成多电机偏差耦合同步控制。张永龙8等人按照多电机启动原理，将补偿器与偏差耦合同步控口袋布自动缝制设备多电机偏差耦合同步控制技术研究王伟（安庆职业技术学院，安徽 安庆 246003）【摘要】通过结合自适应RBF网络与PID控制器，设计口袋自动缝制设备多电机偏差耦合同步控制器；以口袋布自动缝制设备多电机的跟踪误差与同步误差以及对应的变化率为多电机偏差耦合同步控制器中PID控制器的输入；利用自适应RBF网络在线调整PID控制器参数，由参数调整后的PID控制器输出多电机偏差耦合同步控制量。实验证明：该技术可有效在线调整PID控制器参数，完成多电机偏差耦合同步控制；在负载干扰情况下，多电机偏差耦合同步控制的超调量较小，具备较好的同步控制抗干扰性。【关键词】口袋布；自动缝制设备；多电机；偏差耦合；同步控制Research on Multi-motor Deviation Coupling Synchronous ControlTechnology for Automatic Pocket Cloth Sewing EquipmentWang Wei(Anqing Vocational and Technical College,Anqing 246003,China)【Abstract】By combining adaptive RBF network and PID controller,a multi-motor deviation coupling synchronous con-troller for automatic pocket sewing equipment is designed.The tracking error,synchronization error and correspondingchange rate of the multi-motor of the pocket cloth automatic sewing equipment are taken as the input of the PID controller inthe multi-motor deviation coupling synchronization controller.Adaptive RBF network is used to adjust PID controller param-eters online.The parameter adjusted PID controller outputs multi-motor deviation coupling synchronous control quantity.Theexperiment shows that the technology can effectively adjust the parameters of PID controller online,and complete the syn-chronous control of multi-motor deviation coupling.In the case of load disturbance,the overshoot of multi-motor deviationcoupling synchronous control is small,and it has better anti-interference performance of synchronous control.【Keywords】pocket cloth;automatic sewing equipment;multi-motor;bias coupling;synchronous control中图分类号TB486+3文献标识码A文章编号1674-3229（2023）02-0027-05收稿日期2022-12-15作者简介王伟（1985-），男，硕士，安庆职业技术学院副教授，研究方向：服装技术、服装设备及舒适性。2023年6月第23卷第2期廊坊师范学院学报（自然科学版）Journal of Langfang Normal University（Natural Science Edition）Jun.2023Vol.23 No.227廊坊师范学院学报（自然科学版）2023年6月第23卷第2期制器相结合，完成同步控制。在误差允许范围内，对多电机偏差耦合同步控制精度较高。但这两种技术均不具备自学习性，无法根据外界环境的变化，自动调整同步控制过程，影响同步控制效果。因此，研究口袋布自动缝纫设备多电机偏差耦合同步控制技术，可降低同步控制误差。径向基函数（Radial Basis Function，RBF）神经网络，具备较优的自适应学习能力，可根据外界变化，自动调整控制器参数，提升控制效果9，10。1多电机偏差耦合同步控制技术1.1口袋布自动缝纫设备多电机同步控制结构RBF网络的自适应学习性能较优11-13，为此将自适应RBF网络和PID（Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分）控制器相结合，设计口袋布自动缝纫设备多电机偏差耦合同步控制器，其结构如图1所示，令各台电机的给定与反馈转速为*1,*2,*n和1,2,n。图1多电机偏差耦合同步控制器结构图1中，口袋布自动缝纫设备电机数量是n；跟踪误差是ei()t=*i()t-i()t-1。电机间的同步误差是ci1,ci2,cin；ei()t与ci1,ci2,cin对应的控制器输出是hi0()t,hi1()t,hi2()t,hin()t；电机控制量是hi()t。按照偏差耦合同步控制原理，定义ci1,ci2,cin，表达公式如下：ci1()t=i()t-1()tci2()t=i()t-2()tcin()t=i()t-n()t（1）为确保口袋布自动缝纫设备内各电机速度能够同步运行14，则需各台电机的跟踪误差与同步误差稳定收敛15，即需要符合的条件为：limtei()t=limt*i()t-i()t-1=0limtci1()t=limti()t-1()t=0limtci2()t=limti()t-2()t=0limtcin()t=limti()t-n()t=0（2）口袋布自动缝纫设备内各电机的转速控制量为：h1()t=h10()t+h12()t+h1n()th2()t=h20()t+h21()t+h2n()thn()t=hn0()t+hn1()t+hnn-1()t（3）1.2自适应RBF网络PID的偏差耦合同步控制的实现口袋布自动缝纫设备多电机偏差耦合同步控制器中，在自适应RBF网络PID控制器内输入电机转速跟踪误差ei()t与同步误差cin()t，将ei()t与cin()t记作E=ei()t,cin()t，对应的误差变化率ei()t与cin()t，ei()t与cin()t记作E=ei()t,cin()t。将自适应RBF网络作为辨识器，用于跟踪口袋布自动缝制设备多电机的变化情况，得到Jacobian阵信息，根据该信息，在线调整 PID 控制器参数。通过调整后的PID控制器，输出口袋布自动缝纫设备多电机偏差耦合同步控制量h1,h2,hn；计算公式如下：h()t=KPE()t+KP0tE()t dt+KDdE()tdtKI（4）其中，比例、积分与微分参数是KP、KI、KD。RBF 网络的输入样本是H()t=h1()t,h2()t,hn()t,样本数量是n；高斯基函数是Z=z1,z2,zm，隐层单元数量是m，隐层输出zj为：zj()t=e-h()t-sj222j（5）其中，第j个隐层单元的中心矢量是sj；宽度是j。28第23卷第2期2023年6月RBF 网络16的权值是W=w1,w2,wn，网络输出为：h()t=w1z1()t+w2z2()t+wnzn()t（6）其中，h()t代表PID控制器的期望输出。利用自适应算法，确定RBF网络的隐层单元数量17，节约RBF网络的运行时间，提升口袋布自动缝制设备多电机偏差耦合同步控制器的实时性。具体步骤如下：步骤1：根据式（5）与式（6）求解RBF网络中隐层输出与网络输出h()t。步骤2：计算网络输出hj()t与期望输出hj()t间的误差ej()t=hj()t-hj()t。计算输入样本和已存在隐层单元间的距离，公式如下：dj=hl()t-sj（7）其中，第l个输入样本是hl()t。令输入样本和已存在隐层单元间的最小距离是dmin=min()dj，网络输出的期望与拟合精度是、；的计算公式如下：=max()max,min（8）其中，的衰减范围是min,max；衰减因子是。步骤 3：当ej()t，dmin时，则引入一个隐层单元，令sk=hl()t，sk代表第k个隐层单元的中心矢量。k的计算公式如下：k=()j=1ql=1nhl()t-sj212q（9）其中，与hl()t距离最近的q个隐层单元中心矢量是sj。步骤 4：当ej()t，dmin时，利用梯度下降法修正W。步骤 5：如果不间断输入的各样本均符合式（10）的条件，那么去掉第k个隐层单元。公式如下：wkk()hl()thl()t（10）其中，非线性映射函数是k；预定义常数是。步骤6：输入新样本，返回步骤1，以全部样本均输入结束为止。确定完RBF网络的隐层单元数量后，利用梯度下降法，修正wj、sj、j，公式如下：wj()g=wj()g-1+ej()t zj+wj()g-1-wj()g-2（11）sj()g=sj()g-1+sj+sj()g-1-sj()g-2sj=ej()t wjzjh()t-sj23j（12）j()g=j()g-1+j+j()g-1-j()g-2j=ej()t wjh()t-sj2j（13）其中，学习速率是，动量因子是，迭代次数是g。利用自适应RBF网络，获取Jacobian阵信息，计算公式如下：h()th()t=j=1ml=1nwjsj-hl()t2j（14）在线调整KP、KI与KD时，自适应RBF网络的性能指标函数为：J=h()t-h()t22（15）其中，PID控制器的输出是h()t。KP、KI与KD的在线调整公式为：KP=-JKP=-Jh()th()th()th()tKP=e()th()th()t()E,E（16）KI=-KI=-Jh()th()th()th()tKI=e()th()th()t()E,E（17）KD=-KD=-Jh()th()th()th()tKD=e()th()th()t()E,E（18）将KP、KI与KD代入式（4），获取自适应RBF网络PID控制器的最终输出hi()t，即各电机的转速控制量。将其作用至口袋布自动缝制设备的各个电机内，完成口袋布自动缝制设备多电机偏差耦合同步控制。王 伟：口袋布自动缝制设备多电机偏差耦合同步控制技术研究29廊坊师范学院学报（自然科学版）2023年6月第23卷第2期2实验分析以 某 市 一 家 服 装 企 业 的 口 袋 布 自 动 缝 制设备为实验对象，该企业口袋布自动缝制设备内共包含 3 台电机，3 台电机的具体参数如表1 所示。表1口袋布自动缝制设备内电机参数参数额定转矩（Nm）额定转速（r/min）转动惯量10-3（kgm2）数值电机125350.815电机230350.865电机335350.915体磁链/Wb极对数定子电阻/d轴电感/mHq轴电感/mH0.18553.2990.21553.410100.24553.61111利用本文技术在线调整PID控制器的参数KP、KI与KD，在线调整结果如图2所示。根据图2（a）、图2（b）、图2（c）可知，本文技术可有效根据口袋布自动缝制设备各电机的运行情况，在线调整PID控制器的参数KP、KI与KD，提升多电机偏差耦合同步控制器的控制效果。利用本文技术对该企业的口袋布自动缝制设图2PID控制器的参数在线调整结果（a）KP的在线调整结果（b）KI的在线调整结果（c）KD的在线调整结果备进行多电机偏差耦合同步控制，电机转速控制结果如图3所示。图3多电机偏差耦合同步控制结果根据图3可知，本文技术可有效对口袋布自动缝制设备进行多电机偏差耦合同步控制，在 1s 左右，令3台电机均达到额定转速，且并未出现超调情况，控制速度较快。实验证明，本文技术具备较优的控制效果，可为提升服装缝制质量提供帮助。在口袋布自动缝制设备运行3s时，加入负载干扰，分析本文技术在出现负载干扰时，多电机偏差耦合同步控制效果，控制结果如图4所示。根据图4可知，当口袋布自动缝制设备运行3s左右，3台电机的转速出现波动，经过本文技术控制后，在1s左右，3台电机的转速均稳定在额定转速位置，且超调量较小。实验证明：在存在负载干扰情况下，本文技术依旧能够有效完成口袋布自动缝制设备多电机偏差耦合同步控制，且控制的适应性较强，抗干扰性能较优。30第23卷第2期2023年6月图4加入负载干扰后多电机偏差耦合同步控制结果3结语随着人们生活水平的提升，人们对缝制质量的要求越来越高。为解决这一问题，本文研究了口袋布自动缝制设备多电机偏差耦合同步控制技术，精准控制多电机，提升缝制质量，加快缝制速度，提升了服装企业经济效益。参考文献1凌军，孙相，杜劲松.基于PLC的自动化模板缝制系统设计 J.上海纺织科技，2020，48（2）:25-27.2万蓬勃，惠品品，周素静，等.基于自动化缝纫的鞋靴工艺模板研究 J.中国皮革，2019，48（12）:48-54+56.3陈阳，李欣.基于分离设计与优化的多电机自抗扰协同控制 J.微特电机，2020，48（3）:38-42+47.4鲁煜莹，蓝益鹏.可控励磁直线同步电机磁悬浮系统合成模糊控制的研究 J.电机与控制应用，2021，48（1）:8-13.5Gao Y，Ma J，Chen Q，et al.Characteristic Model-basedAdaptive Fault Tolerant Control for Four-motor Synchronization Systems Considering Actuator FailureJ.International Journal of Control，Automation and Systems，2021，19（12）:4010-4024.6陆晟波，陈强，南余荣.多电机系统自适应非奇异固定时间同步控制 J.控制工程，2020，27（9）:1545-1552.7耿强，王少炜，周湛清，等.改进型偏差耦合多电机转速同步控制 J.电工技术学报，2019，34（3）:474-482.8张永龙，安跃军，张志恒，等.真空泵用多台屏蔽电机模式切换与位置补偿偏差耦合同步控制 J.电机与控制应用，2020，47（1）:21-28+35.9杨赛东，张士雄，刘亚奇.基于二阶LADRC的多电机同步控制系统研究 J.机床与液压，2021，49（17）:104-106+172.10Gu F，Wang W，Lai L.Improved Teaching-Learning-Based Optimization Algorithm and its Application in PIDParameter Optimization J.International Journal of Cognitive Informatics and Natural Intelligence，2019，13（2）:1-17.11淡宁，袁宇浩，冯进，等.基于双滑模结构的PMSM容错控制新方法 J.计算机仿真，2019，36（9）:288-294.12Dogruer T，Can M S.Design and robustness analysis offuzzy PID controller for automatic 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