何江，吳蕊，胡剛，董偉航

煙草設(shè)備

基于DR-PID與HarmonyOS的濾棒成型紙制動(dòng)控制器

何江，吳蕊*，胡剛，董偉航

湖北中煙卷煙材料廠成型車間，湖北省武漢市漢陽(yáng)區(qū)七里廟岱李灣4號(hào) 430050

【目的】解決成型紙制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零配件易磨損、維修繁瑣等問(wèn)題?！痉椒ā繉?duì)成型紙制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行研究，使用運(yùn)行HarmonyOS的華為Hi3861國(guó)產(chǎn)芯片，采用抗擾PID（Proportional-Integral-Derivative control）算法建立數(shù)據(jù)模型，并在Matlab軟件中的Simulink模塊下對(duì)該算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一種制動(dòng)控制系統(tǒng)?！窘Y(jié)果】裝有該系統(tǒng)的濾棒成型機(jī)與之前相比在啟動(dòng)時(shí)、搭接時(shí)、運(yùn)行時(shí)和停車時(shí)，斷裂次數(shù)分別下降了96%、91.2%、96%、88%和92.6%，總斷裂次數(shù)降低了92.6%，且滿足結(jié)構(gòu)新穎簡(jiǎn)單、維修方便、控制精準(zhǔn)的要求。

成型紙制動(dòng)裝置；抗擾PID；仿真實(shí)驗(yàn)；濾棒成型

目前國(guó)內(nèi)外濾棒成型機(jī)成型紙制動(dòng)裝置主要為機(jī)械式的，由制動(dòng)片與制動(dòng)盤摩擦而產(chǎn)生制動(dòng)力。成型紙穿過(guò)回轉(zhuǎn)圓盤和擺動(dòng)桿上的導(dǎo)紙輥，當(dāng)加速輥加速帶動(dòng)成型紙運(yùn)行時(shí)，使得擺動(dòng)桿所受的拉力大于拉簧的預(yù)拉力時(shí)，擺動(dòng)桿另一端的制動(dòng)片會(huì)壓向制動(dòng)盤，反之相反，兩組動(dòng)作迫使成型紙保持張力平衡。由于制動(dòng)盤和制動(dòng)片經(jīng)常處于工作狀態(tài)，因此極易磨損，從而導(dǎo)致成型紙的張力不平衡，紙帶斷裂，給設(shè)備運(yùn)行造成一定影響，且機(jī)械式的制動(dòng)裝置維修頻次較高，維修步驟較為繁瑣，因此有必要采用一種新型的制動(dòng)裝置。

基于上述原因，本文提出一種電子式的成型紙制動(dòng)裝置，主要原理是通過(guò)磁粉制動(dòng)器來(lái)代替制動(dòng)盤和制動(dòng)片，取消擺動(dòng)桿、拉簧等機(jī)械零件，兩個(gè)成型紙均穿過(guò)一組導(dǎo)紙輥和裝有編碼器的擺臂，成型紙制動(dòng)器通過(guò)編碼器輸出信號(hào)來(lái)控制磁粉制動(dòng)器，從而使得成型紙的張力保持穩(wěn)定。

1 制動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.1 影響張力的因素

圖1為成型紙制動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，其中兩盤（其中一盤半徑較小的成型紙?zhí)幱诜啪頎顟B(tài)，另一盤為待拼接狀態(tài)）成型紙分別裝在主要由磁粉制動(dòng)器構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)軸總成上，擺桿上裝有帶有減速器的編碼器，通過(guò)擺桿左右擺動(dòng)的幅度，來(lái)檢測(cè)成型紙張力的大小。

圖1 成型紙制動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)放卷狀態(tài)的成型紙進(jìn)行受力分析，考慮受到干擾因素，速度和張力都發(fā)生變化，得到動(dòng)態(tài)平衡方程：

其中T為磁粉離合器輸出力矩，為摩擦阻尼系數(shù)，為放卷狀態(tài)成型紙的角速度，為成型紙的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，F為系統(tǒng)張力，R為成型紙盤半徑，考慮盤芯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，則有：

通過(guò)體積守恒法[1]可知，成型紙?jiān)诜啪磉^(guò)程中總體積是不變的，則有：

其中為成型紙厚度，為寬度，變形后有：

公式5和公式2帶入公式1，可以得出成型紙放卷過(guò)程中的系統(tǒng)張力公式：

可以看出，系統(tǒng)的張力與成型紙運(yùn)行的線速度和半徑有很大的關(guān)系，在濾棒成型機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，停機(jī)和開(kāi)機(jī)的階段速度變化比較大，此時(shí)系統(tǒng)的張力受設(shè)備的運(yùn)行速度干擾較大；而當(dāng)濾棒成型機(jī)處于正常運(yùn)行階段時(shí)，即運(yùn)行速度達(dá)到固定值時(shí)，系統(tǒng)張力受成型紙半徑的干擾較大。

1.2 傳遞函數(shù)

通過(guò)磁粉制動(dòng)器來(lái)控制系統(tǒng)的輸出力矩，磁粉制動(dòng)器的控制過(guò)程是一個(gè)典型的一階慣性和純滯后系統(tǒng)[2]，傳遞函數(shù)可表達(dá)為：

其中為系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，為慣性時(shí)間常數(shù)。

對(duì)成型紙進(jìn)行張力控制實(shí)際上為控制成型紙盤轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，通過(guò)公式6可將傳遞函數(shù)表達(dá)為：

其中為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為阻尼系數(shù)。

系統(tǒng)通過(guò)編碼器來(lái)測(cè)量擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度，擺臂上裝有齒輪減速器和齒條，齒條通過(guò)左右平動(dòng)而帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將張力值反饋給系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為：

由上可知，整個(gè)成型紙張力控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

1.3 控制策略及仿真

為保證制動(dòng)力輸出的穩(wěn)定性，需要對(duì)制動(dòng)力的輸出響應(yīng)進(jìn)行精確控制，有必要利用相應(yīng)的算法進(jìn)行閉環(huán)控制。采用一種利用自抗擾控制原理設(shè)計(jì)的PID控制算法-抗擾PID控制（Disturbance Rejection Proportional-Integral-Derivative control，簡(jiǎn)稱DR-PID），其控制器結(jié)合傳統(tǒng)PID控制的形式，并利用自抗擾控制器的設(shè)計(jì)方法，參數(shù)調(diào)節(jié)較PID調(diào)節(jié)簡(jiǎn)潔清晰，對(duì)模型的精確性要求不高，且參數(shù)調(diào)節(jié)方式可以利用傳統(tǒng)的PID工程調(diào)節(jié)方法[4]。

對(duì)上述理論公式進(jìn)行算法簡(jiǎn)化后得到：

通過(guò)公式12和13得到DR-PID既可以單獨(dú)使用，通過(guò)調(diào)節(jié)K和ω參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)響應(yīng)。也可以做傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的輔助手段，輔助調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，能有效提高調(diào)節(jié)PID參數(shù)的效率。本文在Matlab的Simulink模塊下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從而為實(shí)際應(yīng)用提供有效的理論支撐，圖2為仿真模型。

圖2 Simulink仿真圖

按照PID調(diào)節(jié)手段，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初步計(jì)算和選定后，系統(tǒng)仿真得到圖3粉色單位脈沖響應(yīng)曲線，此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量為24%，上升時(shí)間t為0.11 s，調(diào)節(jié)時(shí)間t為0.45 s，峰值時(shí)間t為0.2 s。通過(guò)DR-PID輔助調(diào)節(jié)參數(shù)得到圖3藍(lán)色單位脈沖響應(yīng)曲線，此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量為16%，上升時(shí)間為0.06 s，調(diào)節(jié)時(shí)間t為0.31 s，峰值時(shí)間t為0.12 s，即DR-PID可以有效輔助PID參數(shù)的調(diào)節(jié)。

圖3 Simulink仿真結(jié)果曲線圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)由HI3861主控板，集成SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片的0.96寸OLED顯示屏、磁粉制動(dòng)器、L298N驅(qū)動(dòng)模塊、接近開(kāi)關(guān)及放大器和編碼器等組成。其中，主控芯片為華為Hi3861國(guó)產(chǎn)芯片，與其它ARM、STM32芯片相比，該芯片集成了2.4 GHz WLAN SOC芯片，是一款較先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)芯片，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 OLED顯示屏與按鍵

采用0.96寸OLED顯示屏顯示操作選項(xiàng)，主控芯片通過(guò)I2C總線與OLED顯示屏連接；同時(shí)利用顯示屏上所配的S1、S2兩個(gè)按鍵和主控板上的USER按鍵一起完成相關(guān)操作。由于這3個(gè)按鍵均與GPIO5相連接，同時(shí)GPIO5與ADC2接口復(fù)用同一接口，通過(guò)讀取GPIO5的模擬量值可區(qū)分3個(gè)按鍵，因此節(jié)省了2個(gè)GPIO口留作其它用處，接線示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 OLED及按鍵接線示意圖

2.3 磁粉制動(dòng)器

根據(jù)YC/T208—2006《濾棒成型紙標(biāo)準(zhǔn)》，高透濾棒成型紙的縱向抗張能量吸收≥9 J/m2、試樣寬度為15 mm、試驗(yàn)夾初始間距為180 mm。根據(jù)抗張能量吸收值TEA公式[5]：

TEA =E/L×b≈K×F×I/ L×b （14）

其中：TEA——抗張能量吸收值（J?m-2），---破裂功，被夾距間紙條所吸收的能量（J），換算系數(shù)，縱向0.62，橫向0.72，絕對(duì)抗張力（N），絕對(duì)伸長(zhǎng)度（m），紙條的有效長(zhǎng)度、即夾距（m），紙條寬度（m）。

測(cè)試機(jī)器的成型紙選用民豐12000高透成型紙，伸長(zhǎng)率約為2.08%，計(jì)算可得該成型紙的絕對(duì)抗張力約為7.78。根據(jù)磁粉制動(dòng)器選型的公式：

（15）

其中：磁粉制動(dòng)器功率，紙帶所受的最大張力，紙帶最大運(yùn)行速度。

主控芯片的4個(gè)GPIO口與L298N驅(qū)動(dòng)模塊的4個(gè)IN口連接，程序中需要將GPIO口更改為PWM模式，輸出0～5 V的電壓；L298N驅(qū)動(dòng)模塊的4個(gè)輸出口分別與2個(gè)磁粉制動(dòng)器連接，通過(guò)給定的輸入電壓輸出0～14 V左右的電壓，控制輸出的制動(dòng)力，接線示意圖如圖6所示。

圖6 制動(dòng)器接線示意圖

2.4 編碼器與光電開(kāi)關(guān)的選型

編碼器主要用來(lái)檢測(cè)擺臂的擺動(dòng)幅度，選用歐姆龍E6B2-CWZ6C型編碼器，工作電壓為24 V，控制輸出電壓為5 V。光電開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)成型紙盤的余量，以控制系統(tǒng)在更換成型紙和切換成型紙時(shí)，對(duì)兩個(gè)成型紙盤輸出相應(yīng)制動(dòng)力，經(jīng)選型采用基恩士PZ-G102型光電開(kāi)關(guān)。

編碼器的A、B、Z相輸出分別連接到主控板的3個(gè)GPIO口，2個(gè)接近開(kāi)關(guān)的放大器與主控板的2個(gè)GPIO口連接，2個(gè)接近開(kāi)關(guān)為將需要更換成型紙和切換到另一個(gè)成型紙盤的信號(hào)傳遞給主控芯片，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)7。

圖7 編碼器與光電開(kāi)關(guān)接線示意圖

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的主要功能

軟件系統(tǒng)功能主要為：1、檢測(cè)擺臂的擺幅，并將編碼器的值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)據(jù)；2、根據(jù)擺幅的數(shù)據(jù)，輸出相應(yīng)的PWM值，用來(lái)控制L298N的輸出電壓，從而調(diào)整制動(dòng)力的大小；3、DR-PID控制器用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；4、讀取接近開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并給出相應(yīng)的制動(dòng)力；5、提供相應(yīng)的顯示操作界面，顯示相關(guān)數(shù)值。

3.2 系統(tǒng)框架

HarmonyOS可支持多種操作系統(tǒng)內(nèi)核，如Linux內(nèi)核、HarmonyOS微內(nèi)核以及LiteOS，該系統(tǒng)采用liteOS-m內(nèi)核（RTOS）。分別由內(nèi)核層、系統(tǒng)服務(wù)層、框架層和應(yīng)用層組成，每層包含各種子系統(tǒng)及其功能模塊，可根據(jù)需求裁剪不同的子系統(tǒng)或功能模塊，圖8為系統(tǒng)框架圖。

圖8 系統(tǒng)框架圖

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

LiteOS采用搶占式的調(diào)度機(jī)制，同時(shí)也支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度方式。由上文可知，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5個(gè)子任務(wù)，依次為顯示操作頁(yè)面、擺臂數(shù)值計(jì)算、成型紙盤轉(zhuǎn)換位置、制動(dòng)力輸出以及操作頁(yè)面顯示。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)定前3個(gè)任務(wù)與后2個(gè)任務(wù)為優(yōu)先級(jí)的搶占調(diào)度方式，且任務(wù)1、2、3、5的優(yōu)先級(jí)高于任務(wù)4，系統(tǒng)運(yùn)行流程圖見(jiàn)圖9。

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行流程框圖

3.4 擺臂數(shù)值讀取

系統(tǒng)張力的大小是靠擺臂擺動(dòng)的幅度來(lái)判斷的，擺臂實(shí)際的擺動(dòng)幅度設(shè)計(jì)在160°以內(nèi)。為提高檢測(cè)精度，編碼器不直接安裝在擺臂上，而是將一個(gè)大齒輪裝在擺臂的一端，編碼器的軸端裝有一小齒輪，兩齒輪的齒比為1:20。

3.5 制動(dòng)力輸出

磁粉制動(dòng)器的理論制動(dòng)力大小與輸入電流成線性關(guān)系，最大控制電流0.45 A，制動(dòng)器電阻33 Ω，輸出最大制動(dòng)力時(shí)，L298N輸出電壓14.85 V。在實(shí)際使用中，電壓在11.5 V左右制動(dòng)力即可滿足要求。程序根據(jù)擺臂的數(shù)值輸出相應(yīng)的PWM值，控制L298N輸出相應(yīng)的制動(dòng)電壓，從而產(chǎn)生相應(yīng)的制動(dòng)力。

3.6 顯示操作頁(yè)面

系統(tǒng)提供一個(gè)多級(jí)菜單，程序通過(guò)檢測(cè)按鍵的輸入，顯示不同的操作頁(yè)面，并可以修改相關(guān)數(shù)據(jù)。操作頁(yè)面提供4個(gè)功能，可以手動(dòng)修改一號(hào)和二號(hào)制動(dòng)力的值用于調(diào)試任務(wù)，查看編碼器的值用于調(diào)試擺臂的幅度，設(shè)置控制參數(shù)。由于這些功能基本只在調(diào)試時(shí)使用，所以該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)最低。

3.7 控制器程序設(shè)計(jì)

本文在1.3節(jié)已經(jīng)給出了DR-PID的理論公式，其形式與PID是相似的，因此可以借用PID的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方式推導(dǎo)出DR-PID的離散化公式。PID控制器的連續(xù)形式和離散PID的增量式為：

對(duì)于DR-PID的連續(xù)形式有：

其離散形式可表達(dá)為：

對(duì)于PI控制器的參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化則有如下公式：

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)生產(chǎn)的濾棒長(zhǎng)度為120 mm，車速為394 m/min，成型紙規(guī)格為：26.0 g×25.5 mm×4000 m。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

設(shè)置DR-PID控制器的參數(shù)后進(jìn)行試車試驗(yàn)，圖10為控制器制動(dòng)力輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖10 實(shí)際制動(dòng)力輸出曲線圖

圖10可知，在濾棒生產(chǎn)過(guò)程中，成型紙盤在T4和T6時(shí)刻進(jìn)行盤紙搭接，系統(tǒng)起始時(shí)，首先放卷的成型紙長(zhǎng)度約為其規(guī)格長(zhǎng)度的1/3，T4～T6時(shí)間段為整盤紙張放卷時(shí)間。車速不變時(shí)，系統(tǒng)制動(dòng)力輸出隨著成型紙盤的直徑大小線性遞減，這與理論模型（公式6）是符合的。T5時(shí)系統(tǒng)輸出有較大的波動(dòng)，這是由于兩盤成型紙搭接轉(zhuǎn)換位置，造成系統(tǒng)的張力有突變。在T1～T4時(shí)間段，即開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，制動(dòng)控制器迅速根據(jù)實(shí)際的張力大小輸出相應(yīng)的制動(dòng)力，制動(dòng)力從35%迅速下降到20%以便保持系統(tǒng)的張力平衡。T2時(shí)刻，由于操作上的暫時(shí)停機(jī)，制動(dòng)力固定在22%不變，這是因?yàn)轶E然停機(jī)檢測(cè)張力的擺臂突然被拉動(dòng)而無(wú)法回復(fù)造成的，T7～T8時(shí)刻同理。

由于純滯后系統(tǒng)的特性，設(shè)備運(yùn)行速度穩(wěn)定時(shí)，制動(dòng)力輸出會(huì)在正常范圍內(nèi)的波動(dòng)。在開(kāi)機(jī)時(shí)和更換成型紙時(shí)，車速與成型紙直徑數(shù)據(jù)突變，雖有短暫的超調(diào)量過(guò)高的情況，但仍能迅速讓系統(tǒng)輸出的制動(dòng)力保持張力平衡。

4.2 效果驗(yàn)證

成型紙因張力不穩(wěn)定斷裂的次數(shù)，是判斷系統(tǒng)性能是否良好的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)車間兩臺(tái)成型機(jī)成型紙斷裂次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表1所示，其中A車為機(jī)械式制動(dòng)裝置，B車為本文的制動(dòng)裝置，調(diào)查統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2021年6月至2021年11月，每天兩班，單班運(yùn)行約9 h，成型紙品牌型號(hào)、生產(chǎn)時(shí)間、產(chǎn)品品規(guī)等均保持一致，每月抽取5個(gè)可用于對(duì)比的有效班次。另外，A車分別在5月底更換過(guò)剎車片和剎車盤，9月底更換剎車片。

表1 成型紙斷裂次數(shù)對(duì)比圖

Tab.1 Comparison of breaking times of formed paper

由表1可知，改裝后的系統(tǒng)，成型紙?jiān)趩?dòng)時(shí)、搭接時(shí)、運(yùn)行時(shí)和停車時(shí)，斷裂的次數(shù)分別下降了96%、91.2%、96%、88%和92.6%，總斷裂次數(shù)由148次下降到11次，降低了92.6%。另外，原成型機(jī)需約3個(gè)月更換一次剎車片，新系統(tǒng)中該工作可省略，并且檢修剎車盤和彈簧等零件的維修工作也可省卻。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的成型紙制動(dòng)控制器，可以通過(guò)擺臂檢測(cè)系統(tǒng)的張力，采用DR-PID控制器控制制動(dòng)力的輸出，能有效保持張力的穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用效果表明，5個(gè)月內(nèi)成型紙總斷裂次數(shù)由148次下降到11次，降低了92.6%。整套系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，能夠極大降低維修人員的工作強(qiáng)度。

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Brake controller of wrap paper system based on DR-PID and HarmonyOS

HE Jiang, WU Rui*, HU Gang, DONG Weihang

China Tobacco Hubei cigarette material factory, Wuhan 450001, China

[] This study aims to solve defects of the forming paper brake device, including complex structure, quick-wearing spare parts and tedious maintenance. [] The working principle of the forming paper brake system was studied. Data models were constructed by using Huawei Hi3861 domestic chip running HARMONYOS and antichard PID (ProPormressional-DeriVative Control) algorithm. The algorithm was simulated under the Simulink module in the MATLAB software, and a brake control system was designed. [] The breaking times of the filter rod forming machine equipped with this system decreased by 96%, 91.2%, 96%, 88% and 92.6% respectively, and the total breaking times decreased by 92.6%, which meets the requirements of novel and simple structure, convenient maintenance and accurate control.

forming paper brake; disturbance rejection proportional-integral-derivative control; simulation; filter rod molding

. Email：403498325@qq.com

何江，吳蕊，胡剛，等. 基于DR-PID與HarmonyOS的濾棒成型紙制動(dòng)控制器[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2022，28（5）.

HE Jiang, WU Rui, HU Gang, et al. Brake controller of wrap paper system based on DR-PID and HarmonyOS[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022,28(5).

10.16472/j.chinatobacco. 2021.T0208

何江（1985—），碩士研究生，工程師，主要研究煙草行業(yè)設(shè)備改造，Tel：13164661910，Email：502108720@qq.com

吳蕊（1993—），Tel：18602720751，Email：403498325@qq.com

2021-11-16；

2022-06-23