[发明专利]基于扩张状态观测器的卷筒料印刷机料带张力测量方法

说明书

本发明公开了基于扩张状态观测器的卷筒料印刷机料带张力测量方法，根据摆辊机构转角与待测料带张力之间的力学关系，建立摆辊机构张力系统的数学模型，利用扩张状态观测器估计摆辊机构转角及其一阶、二阶导数，将摆辊转角及其一阶、二阶导数的估计值代入摆辊机构张力系统模型中，求出料带张力值。本发明所提出的张力测量方法，利用扩张状态观测器的滤波性能有效滤除摆辊转角测量过程中的干扰量，解决了求取摆辊转角一阶、二阶导数过程中存在放大干扰量的问题，实现了卷筒料印刷机料带张力的高精度测量。

技术领域

本发明属于卷筒料印刷装备控制技术领域，具体涉及基于扩张状态观测器的卷筒料印刷机料带张力测量方法。

背景技术

料带张力高精度控制是卷筒料印刷机生产高保真多色印刷品的保障，也是卷筒印刷机向印刷电子领域推广的基础。摆辊机构作为卷筒料印刷机料带张力测量中应用最广泛的部件，其测量精度是实现高精度张力控制的核心因素。然而，以摆辊机构转角为输入、料带张力为输出的摆辊机构张力系统是典型的二阶微分系统，导致直接采集摆辊机构转角求取料带张力存在放大干扰的问题。工程应用中更多的是将摆辊机构张力系统模型简化为比例系统模型，致使摆辊测量料带张力精度不高，无法满足高速高精度多色印刷时张力控制的需求。因此，卷筒料印刷装备控制技术领域亟需一种摆辊机构高精度测量料带张力的方法。

发明内容

本发明的目的是提供基于扩张状态观测器的卷筒料印刷机料带张力测量方法，旨在解决摆辊机构张力系统模型求取料带张力过程中存在放大干扰量的问题，大幅提高摆辊机构测量料带张力的精度，具有简单高效、计算方便、精确性好的特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于扩张状态观测器的卷筒料印刷机料带张力测量方法，首先根据摆辊机构转角与待测料带张力之间的力学关系，建立摆辊机构张力系统的数学模型；接着利用扩张状态观测器估计摆辊转角及θ(k)一阶、二阶导数，滤除摆辊转角采集过程中的干扰量，解决其求导过程中放大干扰量的问题；最后将摆辊转角及其一阶、二阶导数的估计值代入摆辊机构张力系统模型中，求出高精度料带张力值,具体步骤为：

步骤1：建立摆辊机构张力系统数学模型；

根据实际工况假设摆辊机构转角θ较小，忽略导向辊及浮动辊和料带之间的摩擦力，且忽略浮动辊重力对摆辊动态性能的影响，根据转矩平衡方程，可建立气缸型摆辊机构张力系统数学模型如下：

式(1)中，T为摆辊机构中料带张力，J_D为摆辊和摆杆绕摆杆支撑点的等效转矩，θ为摆辊机构偏离平衡位置的转角，B为摆轴的阻尼系数，P为气缸压力，A为气缸活塞面积，K为气缸弹簧弹性系数，d_K为气缸摆臂长度，d_D为浮动辊摆臂长度。

步骤2：设计摆辊机构转角扩张状态观测器；

为了滤除摆辊机构转角θ采集过程中存在的干扰量，利用自抗扰控制技术中的扩张状态观测器对采集到的摆辊机构转角θ及其一阶、二阶导数进行估计。根据摆辊机构张力系统数学模型，设计的扩张状态观测器为二阶观测器，其离散表达式如下：

式(2)中，e为跟踪误差；z₁、z₂、z₃为扩张状态观测器的输出量，分别用于估计θ、θ的一阶导数、θ的二阶导数；h为采样周期；δ为线性段的区间长度，且取值为0.01；β₁、β₂和β₃是扩张状态观测器的增益参数，且β₁取值为采样周期h的倒数；α₁、α₂为幂次函数参数，且取值分别为0.6和0.3；fal(e,α,δ)为幂次函数，可使扩张状观测器快速光滑收敛并避免高频颤振的出现，其具体算法为：

式中，sign(e)为符号函数；