CN113536510A - 弹性材料振荡抑制方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种弹性材料振荡抑制方法、系统、设备及存储介质，所述弹性材料振荡抑制方法用于抑制弹性材料在卷曲作业中的振荡，且该方法包括：根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量；将转矩目标值与所述转矩目标值调节量之差作为转矩设定值，生成卷轴驱动电机的驱动信号，并通过所述驱动信号控制卷轴驱动电机运行。本发明实施例根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量，并通过转矩目标值调节量对转矩目标值进行调节，无需获取线速度和卷径信息即可实现弹性材料振荡抑制。

Description

弹性材料振荡抑制方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明实施例涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种弹性材料振荡抑制方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

印刷包装行业中，根据加工工艺的不同，设备的规模和结构会存在比较大的差异，但每一种加工工艺，都要求收、放卷环节能提供稳定的张力。随着电机控制技术的日益成熟，电机力矩控制的精度已经达到了比较高的水准，因此在行业中的一种典型的应用方案是通过控制电机输出随卷径渐变的转矩，间接控制材料的张力保持恒定，即转矩模式间接张力控制方案。这种应用方案无需额外的张力检测环节，实现简单、成本低，也可满足大多数对张力精度要求不高的加工工艺的要求。

然而，由于加工材料通常具备一定的弹性，在恒转矩控制下会产生无阻尼振荡，从而使得采用转矩模式间接张力控制方案中，材料张力必然存在波动。这一方面影响了材料张力的稳定进而影响印刷等工艺的加工效果，另一方面也影响了收卷的整齐程度进而影响了加工成品的美观。

针对上述弹性材料振荡这一问题，当前主要通过加装浮动辊或者张力传感器等检测装置，通过张力闭环的方式来解决材料张力的波动问题。然而，该种方式一方面增加了设备的成本和复杂度，另一方面增加了张力闭环控制环路，从而可能引起系统的稳定性问题，同时增加了闭环控制的参数调节工作。

发明内容

本发明实施例针对上述张力闭环方式增加设备成本和复杂度的问题，提供一种弹性材料振荡抑制方法、系统、设备及存储介质。

本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种弹性材料振荡抑制方法，用于抑制弹性材料在卷曲作业中的振荡，所述方法包括：

根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量；

将转矩目标值与所述转矩目标值调节量之差作为转矩设定值，生成卷轴驱动电机的驱动信号，并通过所述驱动信号控制卷轴驱动电机运行。

优选地，所述根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量，包括：

对所述运行频率进行积分运算；

对积分运算结果做限幅处理获得转矩目标值调节量。

优选地，所述对所述积分运算结果做限幅处理，包括：

在所述积分运算结果的绝对值小于或等于预设值时，将所述积分运算结果作为转矩目标值调节量；

在所述积分运算结果大于所述预设值时，将所述预设值作为转矩目标值调节量；

在所述积分运算结果小于所述预设值的相反数时，将所述预设值的相反数作为转矩目标值调节量；

所述预设值为转矩目标值与比例系数的乘积，所述比例系数小于或等于20％。

优选地，所述对所述运行频率进行积分运算通过以下计算式实现：

所述ΔTe为所述积分运算结果，所述Kp为比例增益，Δω为频率波动量。

本发明实施例还提供一种弹性材料振荡抑制系统，用于抑制弹性材料在卷曲作业中的振荡，所述抑制系统包括调节量获取单元以及驱动信号生成单元，其中：

所述调节量获取单元，用于根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量；

所述将转矩目标值与所述转矩目标值调节量之差作为转矩设定值，生成卷轴驱动电机的驱动信号，并通过所述驱动信号控制卷轴驱动电机运行。

优选地，所述调节量获取单元包括积分运算子单元以及限幅调节子单元；

所述积分运算子单元，用于对所述运行频率进行积分运算；

所述限幅调节子单元，用于对积分运算结果做限幅处理获得转矩目标值调节量。

优选地，所述限幅调节子单元在所述积分运算结果的绝对值小于或等于预设值时，将所述积分运算结果作为转矩目标值调节量；在所述积分运算结果大于所述预设值时，将所述预设值作为转矩目标值调节量；在所述积分运算结果小于所述预设值的相反数时，将所述预设值的相反数作为转矩目标值调节量；

所述预设值为转矩目标值与比例系数的乘积，所述比例系数小于或等于20％。

优选地，所述积分运算子单元通过以下计算式进行积分运算：

所述ΔTe为所述积分运算结果，所述Kp为比例增益，Δω为频率波动量。

本发明实施例还提供一种弹性材料振荡抑制设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述弹性材料振荡抑制方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述弹性材料振荡抑制方法的步骤。

本发明实施例的弹性材料振荡抑制方法、系统、设备及存储介质，根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量，并通过转矩目标值调节量对转矩目标值进行调节，无需获取线速度和卷径信息即可实现弹性材料振荡抑制。本发明实施例运算量小，易于工程实现，且无需复杂调试，易用性好，可大幅提升转矩模式间接张力控制在收、放卷应用上的控制性能。

附图说明

图1是卷轴收卷的示意图；

图2是本发明实施例提供的弹性材料振荡抑制方法的流程示意图；

图3是本发明另一实施例提供的弹性材料振荡抑制方法的简易控制框图；

图4是本发明实施例提供的弹性材料振荡抑制系统的示意图；

图5是本发明实施例提供的弹性材料振荡抑制设备的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，在收卷过程中(放卷过程类似)，当卷轴11稳态运行时，电磁转矩T_e与材料张力F_T通过以卷轴半径D为力臂所建立的转矩相平衡，电磁转矩T_e恒定，材料张力F_T也为恒定值，这是本发明通过转矩模式间接张力控制实现弹性材料振荡抑制的基本原理。

在具体实现时，需建立系统的动态模型。以下进一步分析弹性振荡产生的原理。根据牛顿第二定律可得：

根据胡克定律可得：

F_T＝k_e×Δθ (2)

其中T_e为折算至卷轴11上的电磁转矩，F_T为材料张力，D为卷轴11的直径，J为卷轴11的总惯量，Δω为卷轴旋转角速度变化量，Δθ为卷轴角度变化量，k_e为弹性材料的弹性系数。

根据式(1)式(2)，可建立电磁转矩T_e和卷轴角度变化量Δθ之间的关系式如下：

对上式(3)进行拉氏变换，建立Δθ(s)与T_e(s)之间的传递函数如下：

上述s为微分算子，通过式(4)可见该系统为二阶无阻尼振荡系统，当电磁转矩T_e或材料张力F_T受到扰动，材料张力F_T将以

为角频率无衰减振荡。

通过在电磁转矩T_e上叠加控制量

(K_p为比例增益，可根据经验或实验数据进行设置)，可分别得到系统模型的时域和频域形式如下：

相比于式(4)，式(6)所表示的系统为二阶阻尼振荡系统，材料张力F_T波动量呈阻尼衰减，弹性振荡可得到抑制和消除。

由于

频率波动量Δω的准确计算是实现该方案的关键，Δω由瞬时频率和中心频率作差得到，瞬时频率通常实时检测或估算比较容易获取，而中心频率与线速度、卷径、传动比等诸多因素关联，获取该量值对系统方案提出了更复杂的要求，在多数应用场合，准确获取中心频率是该方案实现的主要障碍。

基于以上难点，可进行进一步优化，首先对式(5)进行微分运算，当目标转矩T_e为恒值，则其导数为0，运算结果如下：

同样地，该系统也为二阶阻尼振荡系统，当Δω衰减为0时，

为0，即Δθ为恒值，材料张力变化量k_e×Δθ也为恒值，振荡现象同样得到抑制。而此时的控制方案可表示为：

对式(8)进行积分运算，可得控制方案表达式如下：

ΔT_e是为了实现振荡抑制控制方案下的转矩目标值调节量，该方案的优势在于，实现控制方案的关键变量由Δω优化为

由于卷径是渐变量，因此在线速度不发生变化的情况下，中心频率的微分量在运算周期内可认为是0。因此仅需检测实时频率，并通过微分运算来获取

即可，因此是可基于以上推导过程提供一种易于工程实现的弹性振荡抑制方案。

具体地，如图2所示，是本发明实施例提供的弹性材料振荡抑制方法的流程示意图，该方法可集成到用于驱动卷轴运行的电机的控制设备，并通过该方法抑制弹性材料在卷曲作业中的振荡。本实施例的方法包括：

步骤S21：根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量。上述卷轴的运行频率可从控制设备的控制指令中获取，即通过卷轴的目标转速获得运行频率。当然，在实际应用中，上述运行频率也可通过位置传感器等检测获得。

步骤S22：将转矩目标值与转矩目标值调节量之差作为转矩设定值，生成卷轴驱动电机的驱动信号，并通过该驱动信号控制卷轴驱动电机运行。

通过在转矩目标值上叠加转矩目标值调节量，可使得放卷和收卷过程中的材料张力波动量呈阻尼衰减，弹性振荡可得到有效抑制和消除。

结合图3所示，在上述步骤S21中，当获得卷轴的运行频率后，可对上述运行频率进行积分运算，从而将关键变量由Δω优化为

并且考虑到卷轴的线速度发生变化时，其中心频率会发生变化，从而

也会产生比较大的变化，因此可增加对转矩目标值调节量进行积分限幅，限幅值由目标转矩T_e乘以一定的比例系数a得到(该比例系数可根据具体的应用场合调整，其范围不超过目标转矩T_e的20％，最好为10％)，以避免在加减速过程中材料张力与目标张力存在较大的差异。即在上述步骤S21中，还需要对积分运算结果做限幅处理，从而获得转矩目标值调节量，即该转矩目标值调节量如以上计算式(9)所示。

由于本实施例的弹性材料振荡抑制方法中，控制目标为

而不是Δθ＝0，因而材料的稳态张力与目标张力可能存在一定偏差，偏差的最大比例受限幅处理影响。

具体地，在对积分运算结果做限幅处理时，当积分运算结果的绝对值小于或等于预设值时，将积分运算结果作为转矩目标值调节量；当积分运算结果大于预设值时，将预设值作为转矩目标值调节量；当积分运算结果小于预设值的相反数时，将预设值的相反数作为转矩目标值调节量。

如图4所示，本发明实施例还提供一种弹性材料振荡抑制系统，该系统用于抑制弹性材料在卷曲作业中的振荡，且该抑制系统包括调节量获取单元41以及驱动信号生成单元42，其中：

调节量获取单元41用于根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量。上述卷轴的运行频率可从控制设备的控制指令中获取，即通过卷轴的目标转速获得运行频率。当然，在实际应用中，上述运行频率也可通过位置传感器等检测获得。

驱动信号生成单元42则用于将转矩目标值与转矩目标值调节量之差作为转矩设定值，生成卷轴驱动电机的驱动信号，并通过该驱动信号控制卷轴驱动电机运行。

在本发明的一个实施例中，上述调节量获取单元41包括积分运算子单元以及限幅调节子单元，其中积分运算子单元用于对运行频率进行积分运算；限幅调节子单元用于对积分运算结果做限幅处理获得转矩目标值调节量。

并且限幅调节子单元在积分运算结果的绝对值小于或等于预设值时，将积分运算结果作为转矩目标值调节量；在积分运算结果大于所述预设值时，将预设值作为转矩目标值调节量；在积分运算结果小于预设值的相反数时，将预设值的相反数作为转矩目标值调节量。上述预设值为转矩目标值与比例系数的乘积，该比例系数小于或等于20％。

上述积分运算子单元具体可通过以上计算式(9)进行积分运算。

本实施例中的弹性材料振荡抑制系统与上述图2-3对应实施例中的弹性材料振荡抑制方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本系统实施例中均对应适用，这里不再赘述。

本发明实施例还提供一种弹性材料振荡抑制设备5，该设备具体可由卷轴驱动电机的控制器构成，如图5所示，该弹性材料振荡抑制设备5包括存储器51和处理器52，存储器51中存储有可在处理器52执行的计算机程序，且处理器52执行计算机程序时实现如上所述弹性材料振荡抑制方法的步骤。

本实施例中的弹性材料振荡抑制设备5与上述图2-3对应实施例中的弹性材料振荡抑制方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述弹性材料振荡抑制方法的步骤。

本实施例中的计算机可读存储介质与上述图2-3对应实施例中的弹性材料振荡抑制方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理器中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的弹性材料振荡抑制方法、系统及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的弹性材料振荡抑制系统实施例仅仅是示意性的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理器中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或界面切换设备、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弹性材料振荡抑制方法，用于抑制弹性材料在卷曲作业中的振荡，其特征在于，所述方法包括：

根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量；

将转矩目标值与所述转矩目标值调节量之差作为转矩设定值，生成卷轴驱动电机的驱动信号，并通过所述驱动信号控制卷轴驱动电机运行。

2.根据权利要求1所述的弹性材料振荡抑制方法，其特征在于，所述根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量，包括：

对所述运行频率进行积分运算；

对积分运算结果做限幅处理获得转矩目标值调节量。

3.根据权利要求2所述的弹性材料振荡抑制方法，其特征在于，所述对所述积分运算结果做限幅处理，包括：

在所述积分运算结果的绝对值小于或等于预设值时，将所述积分运算结果作为转矩目标值调节量；

在所述积分运算结果大于所述预设值时，将所述预设值作为转矩目标值调节量；

在所述积分运算结果小于所述预设值的相反数时，将所述预设值的相反数作为转矩目标值调节量；

所述预设值为转矩目标值与比例系数的乘积，所述比例系数小于或等于20％。

4.根据权利要求2所述的弹性材料振荡抑制方法，其特征在于，所述对所述运行频率进行积分运算通过以下计算式实现：

所述ΔTe为所述积分运算结果，所述Kp为比例增益，Δω为频率波动量。

5.一种弹性材料振荡抑制系统，用于抑制弹性材料在卷曲作业中的振荡，其特征在于，所述抑制系统包括调节量获取单元以及驱动信号生成单元，其中：

所述调节量获取单元，用于根据卷轴的运行频率生成转矩目标值调节量；

所述将转矩目标值与所述转矩目标值调节量之差作为转矩设定值，生成卷轴驱动电机的驱动信号，并通过所述驱动信号控制卷轴驱动电机运行。

6.根据权利要求5所述的弹性材料振荡抑制系统，其特征在于，所述调节量获取单元包括积分运算子单元以及限幅调节子单元；

所述积分运算子单元，用于对所述运行频率进行积分运算；

所述限幅调节子单元，用于对积分运算结果做限幅处理获得转矩目标值调节量。

7.根据权利要求6所述的弹性材料振荡抑制系统，其特征在于，所述限幅调节子单元在所述积分运算结果的绝对值小于或等于预设值时，将所述积分运算结果作为转矩目标值调节量；在所述积分运算结果大于所述预设值时，将所述预设值作为转矩目标值调节量；在所述积分运算结果小于所述预设值的相反数时，将所述预设值的相反数作为转矩目标值调节量；

所述预设值为转矩目标值与比例系数的乘积，所述比例系数小于或等于20％。

8.根据权利要求6所述的弹性材料振荡抑制系统，其特征在于所述积分运算子单元通过以下计算式进行积分运算：

所述ΔTe为所述积分运算结果，所述Kp为比例增益，Δω为频率波动量。

9.一种弹性材料振荡抑制设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4中任一项所述弹性材料振荡抑制方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至4中任一项所述弹性材料振荡抑制方法的步骤。

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