基于模糊神经网络的造纸机械电力传动控制系统设计.pdf

第4 3 卷第1期2024年1月造纸科学与技术Paper Science and TechnologyVol.43No.1Jan.2024基于模糊神经网络的造纸机械电力传动控制系统设计张天舒（国网南昌供电公司，江西南昌，3 3 0 0 6 9）摘要：造纸机械中电力传动机构的传动点数量多，控制难度较大，故提出基于模糊神经网络的造纸机械电力传动控制系统设计研究。硬件设计，包括电力传动控制结构设计单元、电力传动速度测量传感器设计单元与电力传动控制器设计单元，软件设计，包括模糊神经网络控制模型构建模块、电力传动速度控制实现模块与电力传动张力控制实现模块。通过硬件单元与软件模块的联合应用共同实现造纸机械电力传动的控制。实验数据显示：应用设计系统获得的电力传动点速度控制结果与期望速度相同，电力传动点张力控制结果与期望张力相同，张天舒女士充分证实了设计系统应用性能较佳。关键词：造纸机械；控制系统；电力传动；模糊神经网络；分部传动；速度控制中图分类号：TN736D0I:10.19696/j.issn1671-4571.2024.1.023引文格式：张天舒.基于模糊神经网络的造纸机械电力传动控制系统设计，2 0 2 4，4 3（1）：10 5-10 9+110.Design of Power Transmission Control System for Paper Machinery(State Grid Nanchang Power Supply Company,Nanchang 330069,China)Abstract:The number of transmission points in the electric transmission mechanism of papermaking machinery is numerous,makingcontrol difficult.Therefore,a design and research on the electric transmission control system of papermaking machinery based onfuzzy neural network is proposed.Hardware design,including power transmission control structure design unit,power transmissionspeed measurement sensor design unit,and power transmission controller design unit,software design,including fuzzy neuralnetwork control model construction module,power transmission speed control implementation module,and power transmission tensioncontrol implementation module.The joint application of hardware units and software modules is used to achieve the control ofelectrical transmission in papermaking machinery.The experimental data shows that the speed control result of the electric powertransmission point obtained by the application design system is the same as the expected speed,and the tension control result of theelectric power transmission point is the same as the expected tension,fully confirming that the application performance of the designsystem is better.Key words:paper making machinery;control system;electric transmission;fuzzy neural network;partial transmission;speed control0引言造纸行业需求量只增不减，为其营造了良好的发展环境。现代纸业资金/技术较为密集，生产连续高现今，由于信息化技术的广泛应用，办公纸张需效，规模效益显著，并且还存在着市场容量大、产业求大幅下降，但电商、贸易等行业的兴起，大幅度提关联度强等优势，是国家重点关注行业之一，也是拉升了包装用纸、印刷用纸等需求，从整体角度出发，文献标识码：ABased on Fuzzy Neural NetworkZHANG Tianshu动其他行业发展的关键力量，例如化工行业、林业、文章编号:16 7 1-4 57 1(2 0 2 4)0 1-0 10 5-6作者简介：张天舒，生于19 9 5年，硕士，助理工程师，主要从事电气工程、电力营销的研究。E-。基金项目：国网江西省电力有限公司重大科技项目（52 18 52 2 10 0 15）106包装行业、农业、机械制造行业等 。根据数据统计结果可知：“十四五”期间全球纸、纸浆与纸板的需求呈现逐渐上升的趋势,增长率达到了3.6%。由此可见，造纸行业在国家经济发展中占据的地位逐渐提升。造纸机械是纸、纸浆与纸板生产的关键设备，也是造纸行业的基石所在2 。要想提升纸、纸浆与纸板生产量，推动造纸行业的飞速发展，必须保障造纸机械的稳定运行。现今造纸机械主要采用电力传动模式，即利用电动机将电能转化为机械能，以此来驱动造纸机械进行作业。电力传动主要由传动机构、电动机与电气控制装置构成，决定着造纸机械是否能够正常作业。由于科技水平的不断提升，造纸机械内部结构愈加复杂，使得电力传动控制难度不断攀升，传统电力传动控制系统已经无法满足造纸行业的发展需求,如文献2 提出了利用PLC技术,根据设定的条件和逻辑关系,造纸机的各个电机、阀门等设备的运行。但 PLC 的编程和调试相对复杂,维护成本较高。文献3 提出了利用PROFIBUS现场总线的三级控制技术实现了造纸机电气传动数字化控制,将控制功能分散到多个设备上，提高了系统的可靠性和灵活性。但该技术对环境要求较高，兼容性是一个局限性。为此,提出基于模糊神经网络的造纸机械电力传动控制系统设计研究。1造纸机械电力传动控制系统硬件设计1.1电力传动控制结构设计单元依据造纸机械的实际运作情况，设计电力传动控制结构,具体如图1所示。工程师站服务器交换机控制器主站操作面板1控制器从站电力线1逆变器逆变器图1电力传动控制结构示意图造纸科学与技术如图1所示，设计电力传动控制结构主要呈现分层递阶式三级模式。其中,第一级为现场设备级，例如控制器、逆变器、服务器等；第二级为控制级，例如操作员站、操作面板、工程师站等；第三级为监控级，例如工控机、计算机等3 。通过每个层级的相互协作，即可实现电力传动的有效控制。上述过程完成了电力传动控制结构的合理设计，为研究目标的实现奠定坚实的基础。1.2电力传动速度测量传感器设计单元电力传动速度测量传感器是造纸机械电力传动速度测定的主要设备，也是电力传动控制实现的主要数据采集设备。依据造纸机械的实际状况，研究选取光电编码器OMRONE6D作为电力传动速度测量传感器，具体设计过程如下所示。为了保障电力传动速度测量的精准性，对光电编码器馨OMRONE6D基本参数进行合理的设置4 ,具体如表1所示。表1光电编码器OMRONE6D基本参数设置表基本参数名称基本参数数值设备重量0.18工作温度-10 +70贮存温度-20+80防护等级IP50启动力矩15 10-4径向负载20轴向负载10最大转速6000抗冲击1000抗振动100分辨率101024响应频率100操作员站1操作员站1操作面板n控制器从站n第4 3 卷基本参数单位Kg一N.m MaxNNr/minm/s-2m/s2P/RKHz信号高电平2.5允许负载20依据表1所示数值对光电编码器E6D进行配置与调试，并通过多次测试保障光电编码器功能的正常发挥5另外，光电编码器OMRONE6D的内部电路也至关重要，影响着光电编码器测量的精准度。因此，以光电编码器具体部件接口特点为基础，设计光电编码器-OMRONE6D内部电路6 ,具体如图2所示。VmA-OMRON第1期C1R11TR9图2 光电编码器-OMRONE6D内部电路设计图上述过程完成了电力传动速度测量传感器的设计与配置，为研究数据测量提供硬件支撑。1.3电力传动控制器设计单元控制器是实现造纸机械电力传动控制的核心器件。由于造纸机械运行环境较为复杂，周围干扰因素较多，故设计自抗扰电力传动控制器，最大限度的避免干扰因素的不利影响，实现电力传动的高精度控制。设计系统选取PCC作为电力传动控制器7 ，内部配件情况如表2 所示。表2 电力传动控制器内部配件示意表内部配件数量PS4653CP3801IF7871EX4501EX2822DI4865D0486A1775A0775BP155BP150电力传动控制器-PCC具备良好的通讯功能、兼容性、适应性等优势，采用定性的分时多任务操作模式，可以优化整个设计系统，大幅提升电力传动控制的实时性8 。电力传动控制器-PCC运行模式如图3 所示。式中A,表示的是前件模糊集合;A,表示的是第i个张天舒：基于模糊神经网络的造纸机械电力传动控制系统设计任务1(1ms)C6任务2(2 ms)C5R2=100kR4=100kRi=100kR10R,=100kC4R7R6mR8电源模块CPU模块接口模块现场总线模块总线控制模块32个数字量输人32个数字量输出68个模拟量输人8个模拟量输出812107任务3（5ms）任务4(2 ms)20ms5ms0R5图3 电力传动控制器上述过程完成了系统硬件单元的设计与配置，但是仍然无法实现造纸机械电力传动的有效控制，故以设计硬件为基础,开发系统软件模块。2.造纸机械电力传动控制系统软件设计2.1模糊神经网络控制模型构建模块以1.3 节设计的电力传动控制器础，结合模糊神经网络（神经网络+模糊控制理论）构建模糊神经网络控制模型，为后续电力传动速度与张力的控制提供支撑。模糊神经网络控制基础模型如图4 所示。说明AXAlnA1X2A2AnlXA2Am底板模块（6 槽）图4 模糊神经网络控制基础模型示意图底板模块（15槽）如图4 所示，（x1，*2，,x，表示的是模糊神经网络控制模型输人数据，例如电力传动速度数据、电力传动张力数据等；模糊神经网络控制模型输出结果计算公式为=A.y:=ZI(A,)(P,x,)(1)ni=1510时间/ms-PCC运行模式示意图-PCC 为基A1IIA2Ai=11520108模糊规则关于变量的触发强度;P，表示的是模糊神经网络控制模型调节参数；y表示的是模糊神经网络控制模型输出结果9 。另外，Z表示的是求和神经元;II表示的是求积神经元10 。上述过程完成了模糊神经网络控制模型的构建,并对其控制变量计算公式进行了构造，为后续研究目标的实现提供助力。2.2电力传动速度控制实现模块采用1.2 节设计的电力传动速度测量传感器获取造纸机械的电力传动速度数据，对其进行一定的预处理，输入至模糊神经网络控制模型中获取电力传动速度控制变量，以此为依据，制定电力传动速度控制程序，执行程序即可实现造纸机械电力传动速度的有效控制。设置初始电力传动速度数据为 u，U 2，,U i,，m,其中，;表示的是第个电力传动点的速度数值，表示的是电力传动点的总数量 。由于造纸机械运作过程中会产生振动现象，再加之造纸厂噜杂环境因素的影响，使得初始电力传动速度数据中存在着一定的误差，影响着电力传动控制的精度12,13 ,故对其进行修正处理,表达式为0=式(2)中,表示的是修正后的电力传动点速度;ei表示的是噪声引起的电力传动点速度误差；U。表示的是电力传动点速度标准化因子。将公式(2)获得结果，作为模糊神经网络控制模型的输人数据,应用公式（1)可以获得电力传动速度控制变量14 ，以此为依据，制定电力传动速度控制程序15，具体如图5所示。开始加载电力传动速度控制变量控制变量大于0？TN控制变量等于0？IN控制变量小于0？TN输出最终的电力传动速度结束图5电力传动速度控制程序图造纸科学与技术执行图5所示程序即可完成造纸机械电力传动速度的精准控制，为造纸机械稳定运行提供帮助。2.3电力传动张力控制实现模块采用纸幅张力传感器获取造纸机械的电力传动张力数据，将其输人至模糊神经网络控制模型中获取电力传动张力控制变量，制定电力传动张力控制规则16 ，即可实现造纸机械电力传动张力的有效控制。设置初始电力传动张力数据为fi,f2，,f,，fm）,通过式(1)获得电力传动张力控制变量ri,以此为基础，制定电力传动张力控制规则17.18 ，具体如下式所示：3:0电力传动张力增加5=0电力传动张力不变3;0电力传动张力减少依据式(3）所示规则即可完成造纸机械电力传动张力的精准控制，为造纸机械稳定运行提供保障。3实验与结果分析选取文献2 的基于PLC的造纸机电气传动系统设计与文献3 的造纸机电气传动全数字自动化控制系统研究作为对比系统1与对比系统2,联合设(2)计系统共同进行造纸机械电力传动控制对比实验，以此来验证设计系统的应用性能。3.1实验准备阶段选取高速纸机作为实验对象，其电力传动点如表3 所示。表3 电力传动点示意表传动点编号传动点名称1底网辊2压榨底辊3烘缸传动14烘缸传动25烘缸传动36热辊Y电力传动点速度增加Y电力传动点速度不变Y电力传动点速度减小第4 3 卷(3）电机功率/kW1202053264511201207主中心传动8副中心传动9挤气辊10传送机如表3 所示，此研究实验设置了10 个电力传动点，并且依据编号顺次连接，通过多个电机共同实现造纸机械一一高速纸机的正常运作，符合设计系统应用性能测试的需求。158248367122第1期3.2实验结果分析以上述实验准备阶段内容为基础，进行造纸机械电力传动控制对比实验，通过电力传动点速度控制结果与电力传动点张力控制结果来显示设计系统的应用效果。通过实验获得电力传动点速度控制结果如图6所示。20001800160014002000100080060040020001200018001600140020001000800600400200012345678910电力传动点编号(2)实验工况二图6电力传动点速度控制结果示意图如图6 所示，应用设计系统获得的电力传动点速度控制结果与期望速度相同,而对比系统1与对比系统应用后获得的电力传动点速度控制结果与期望速度存在着偏差。通过实验获得电力传动点张力控制结果如图7张天舒：基于模糊神经网络的造纸机械电力传动控制系统设计期望速度270设计系统240210180150期望速度120设计系统9060300300270对比系统十对比系统22345678910电力传动点编号(1)实验工况一期望速度设计系统对比系统十对比系统2109所示。3002402101801501209060300图7 日电力传动点张力控制结果示意图如图7 所示，应用设计系统获得的电力传动点张力控制结果与期望张力相同,而对比系统1与对比系统应用后获得的电力传动点张力控制结果与期望张力存在着偏差。上述实验数据显示：相较于对比系统1与对比系统2 来看，应用设计系统获得的电力传动控制结果更加接近期望数值，表明设计系统电力传动控制性能较好。4结语造纸行业需求的不断增加，使得造纸机械工作对比系统+对比系统22345678910电力传动点编号(1)实验工况一期望张力设计系统对比系统十对比系统22345678910电力传动点编号(2)实验工况二110时长大幅增加,这对其性能提出了更高的要求。对于造纸机械来说，其电力传动点较多，致使电力传动控制难度较大，故提出基于模糊神经网络的造纸机械电力传动控制系统设计研究。实验结果表明设计系统有效地提升了电力传动点速度与张力控制精度，为造纸机械的稳定运行提供助力。参考文献1 祝建荣.基于59 1全数字直流调速装置实现造纸机的张力控制J.中国造纸,2 0 2 2,4 1(1):7 5-7 7.2王彦诚.基于PLC的造纸机电气传动系统设计J.造纸科学与技术,2 0 2 3,4 2(2):6 2-6 4.3宋永昌.造纸机电气传动全数字自动化控制系统研究J.湖南造纸,2 0 2 2,51(1):7-9.4李超，雷海龙，徐凯，等.造纸机水针控制系统参数测试与优化J.中国造纸,2 0 2 3，4 2(2):119-12 3.5卢恒光，温步瀛，李天扬.基于模糊神经网络的水轮机调速器PID控制J.电网与清洁能源，2 0 2 1，3 7（5）：12 8-13 3.6单士睿，王保成,赵嘉.拖拉机电机矢量控制技术的研究一一基于模糊神经网络+ADRCJ.农机化研究，2 0 2 2，4 4（1）：253-258.7朱幌秋,顾志伟.基于模糊神经网络逆系统的五自由度无轴承永磁同步电机自抗扰控制J.电机与控制学报，2 0 2 1，2 5(2):72-81.造纸科学与技术8高高阳，张晓晖，高玉儿，等.基于神经网络和模糊补偿的水下机械臂控制J.计算机工程与应用，2 0 2 2，58（15）：3 17-3 2 3.9范子彦，李立君，李宇航，等.油茶果采摘机阀控液压马达模糊神经网络PID控制J.液压与气动，2 0 2 1，4 5（11）：7 6-8 5.10余余晓兰，万云，陈靖照.基于改进BP神经网络的食品分栋机器人视觉伺服控制方法J.食品与机械，2 0 2 1（8）：12 6-13 1.11 马良玉，郑佳奕.基于动态模糊神经网络的超临界机组协调控制J.华北电力大学学报：自然科学版，2 0 2 1，4 8（2）：9 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