陳 耀，陳 霞，王 震，高 健，徐 悅，劉洪晴，劉斌斌

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266000)

模糊PID在收卷張力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

陳 耀，陳 霞，王 震，高 健，徐 悅，劉洪晴，劉斌斌

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266000)

通過對原紙卷繞中張力控制系統(tǒng)的分析，針對常規(guī)PID控制在原紙張力控制過程中難以實(shí)現(xiàn)參數(shù)整定、抗干擾能力弱等問題，提出了基于模糊PID控制方法。文中在常規(guī)張力控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入模糊控制算法，并通過Matlab仿真，對基于常規(guī)PID和模糊PID的張力控制系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真比較，證明了該方法應(yīng)用到原紙張力控制系統(tǒng)中，能使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，抗干擾能力增強(qiáng)，具有良好的穩(wěn)態(tài)性。

收卷；張力控制；模糊PID

目前國內(nèi)生產(chǎn)線上的原紙張力控制系統(tǒng)，普遍存在由于張力控制不當(dāng)引起的原紙塑性變形、斷裂、起皺等問題，造成用紙量浪費(fèi)嚴(yán)重，產(chǎn)品質(zhì)量不均勻，質(zhì)量差等問題[1]。

現(xiàn)有原紙張力控制系統(tǒng)還存在采用人工方式調(diào)節(jié)張力，由于人工調(diào)節(jié)不易隨時(shí)調(diào)節(jié)張力，使得張力在一個(gè)較大的范圍內(nèi)上下波動(dòng)，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量[2]。常規(guī)PID控制方法雖然結(jié)構(gòu)和算法簡單，但人工調(diào)節(jié)張力控制系統(tǒng)的方法在實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性上存在嚴(yán)重不足，由于在生產(chǎn)過程中的機(jī)械等因素的擾動(dòng)，使得系統(tǒng)的性能受到影響。文中利用模糊控制PID對張力控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，與常規(guī)PID張力控制系統(tǒng)相比，模糊PID張力控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和魯棒性有顯著的提高，在原紙生產(chǎn)線中有較好的應(yīng)用前景。

1 原紙收卷系統(tǒng)

1.1 原紙收卷系統(tǒng)工作原理

本收卷張力控制系統(tǒng)由兩段閉環(huán)張力直接控制，每段均有浮輥張力檢測傳感器檢測張力，張力值送給各段的張力控制器處理后再傳給工作變頻器，控制導(dǎo)輥電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整卷材的線速度，線速度的變化引起張力的變化，實(shí)現(xiàn)對張力的控制[3-5]。張力控制結(jié)構(gòu)圖1如下。

圖1 張力控制結(jié)構(gòu)圖

1.2 張力控制和收卷輥動(dòng)態(tài)性能分析

由胡克定律得[6]，卷紙內(nèi)的張力T

(1)

式(1)中，A是卷材的橫截面積；ε是楊氏彈性模量；L是傳動(dòng)點(diǎn)之間的距離；VR是收卷筒的線速度；t是紙張傳送時(shí)間。由公式可見，紙張?jiān)谧鳛閺埩φ{(diào)節(jié)對象時(shí)，是一個(gè)積分環(huán)節(jié)。在啟動(dòng)過程中令VR>V，以使紙張產(chǎn)生一定的張力，當(dāng)紙張達(dá)到所要求的張力后，應(yīng)該及時(shí)調(diào)節(jié)使VR穩(wěn)定，這樣紙張才能在此張力下穩(wěn)定運(yùn)行。

紙卷在收卷過程中，紙張受到收卷電機(jī)的拉力、摩擦力和制動(dòng)力矩作用，其關(guān)系滿足

(2)

式中，J為紙卷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

帶卷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J由卷帶材料和芯軸兩部分組成，其計(jì)算公式為

(3)

2 張力控制系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)為多電機(jī)控制的控制系統(tǒng)，在紙機(jī)中主要存在兩種多電機(jī)的同步控制結(jié)構(gòu)。這里采取等狀態(tài)同步控制，該結(jié)構(gòu)線路簡單，容易實(shí)現(xiàn)，著重系統(tǒng)的跟蹤性能，啟動(dòng)時(shí)不存在速度滯后問題，跟隨性能好，當(dāng)存在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，同步性能會受到一定的影響。

通過構(gòu)建張力控制系統(tǒng)的原理框圖，對張力控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理進(jìn)行分析[7-9]：本系統(tǒng)有兩個(gè)閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，一個(gè)是電機(jī)速度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)(ASR)；另一個(gè)是張力反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)(ATR)。對于速度反饋調(diào)節(jié)，有系統(tǒng)檢測實(shí)時(shí)速度值作為反饋，構(gòu)成速度閉環(huán)，再通過ASR來調(diào)節(jié)電機(jī)的控制電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的目的[10-12]。對于張力控制，系統(tǒng)通過張力傳感器檢測實(shí)時(shí)張力，構(gòu)成張力閉環(huán)，再由ATR來調(diào)節(jié)速度增量，從而改變ASR的設(shè)定速度，其控制框圖如圖2所示。

圖2 張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 模糊PID控制系統(tǒng)

3.1 模糊PID控制設(shè)計(jì)

常規(guī)PID控制策略在實(shí)際中應(yīng)用較為廣泛，但在不同的誤差E和誤差變化率EC下無法滿足對PID參數(shù)的自整定要求，從而影響控制效果的進(jìn)一步提高。將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制結(jié)合,則能實(shí)現(xiàn)對PID的3個(gè)參數(shù)的在線自整定[13-14]。將張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在線自調(diào)整PID參數(shù)KP、KI、KD的模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊PID控制系統(tǒng)由模糊控制器和PID控制組成，其中模糊控制是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心[15]。其主要包括模糊化接口、模糊推理、清晰化接口和知識庫等4個(gè)部分。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自調(diào)整PID參數(shù)的計(jì)算公式

3.2 輸入輸出量的模糊化及其參數(shù)調(diào)整原則

在模糊PID控制系統(tǒng)中，選擇偏差E及偏差變化率EC為輸入語言變量，論域?yàn)閇-10,10],其中ΔKp的論域?yàn)閇-6,6]，ΔKi的論域?yàn)閇-2,2],ΔKd的論域?yàn)閇-2,2]。將E、EC、ΔKp、ΔKi及ΔKd離散化為7個(gè)等級，分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，簡寫為NB、NM、NS、0、PS、PM、PB。根據(jù)模糊推理規(guī)則對參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同E和EC時(shí)對控制參數(shù)的不同要求。

4 仿真與性能分析

4.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

依據(jù)模糊控制PID控制系統(tǒng)原理，利用Matlab軟件提供的Simulink工具箱和模糊邏輯工具箱，建立如圖所示的系統(tǒng)仿真模型，模型中的張力控制系統(tǒng)采用模糊PID控制器，對電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩矢量控制進(jìn)行建模，如圖4所示。經(jīng)過不斷的調(diào)控制器的初始參數(shù)，得到Kp、Ki、Kd的初始參數(shù)。

圖4 張力控制系統(tǒng)仿真圖

4.2 仿真結(jié)果及其分析

(1)當(dāng)張力控制系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制時(shí)，其仿真結(jié)構(gòu)圖如圖5，張力仿真波形如圖6所示；

圖5 常規(guī)PID仿真模型

圖6 常規(guī)PID張力控制仿真模型

(2)當(dāng)張力控制系統(tǒng)采用模糊PID控制時(shí)，其模糊PID仿真結(jié)構(gòu)如圖7所示，張力控制系統(tǒng)仿真波形如圖10所示，電機(jī)的波形圖如圖8和圖9所示。

圖7 模糊PID控制仿真模型

圖8 牽出電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖9 收卷電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖10 模糊PID控制仿真波形圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)的控制對象是要求實(shí)時(shí)快速檢測、快速響應(yīng)的環(huán)節(jié)，在其控制規(guī)律上有其自身的特點(diǎn)。本文將模糊推理控制器和PID控制器的優(yōu)點(diǎn)集于一身，即將專家經(jīng)驗(yàn)有效的應(yīng)用到了實(shí)時(shí)PID參數(shù)中，又保持了傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。文中將其應(yīng)用到收卷機(jī)的控制改造中，仿真運(yùn)行證明，卷取質(zhì)量大幅提高。

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Fuzzy PID Application in the Winding Tension Control System Research

CHEN Yao，CHEN Xia，WANG Zhen，GAO Jian，XU Yue，LIU Hongqing，LIU Binbin

(School of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266000, China)

Through the analysis of the base paper in the winding tension control system, in view of the conventional PID control is hard to realize in the process of base paper tension control parameters setting, the problem such as anti-jamming capability is not strong.The paper increase the fuzzy PID tension control system on the basis of the tension control system .through Matlab simulation, the performance of the conventional PID and fuzzy PID are simulation compared,the method is applied to paper tension control system, can make the system response speed, anti-interference ability, good steady state.

roll-up; tension control; fuzzy PID control

2016- 03- 17

陳耀(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，自動(dòng)控制。陳霞(1968-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：電力電子，控制工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.022

TP273+.4

A

1007-7820(2017)01-080-04