◎余克軍 王勝勇 盧家斌 康現(xiàn)偉 王傲能

模糊PID控制在冷軋線卷取張力控制中的應(yīng)用

◎余克軍 王勝勇 盧家斌 康現(xiàn)偉 王傲能

在冷軋板帶的生產(chǎn)過程中，卷取張力的穩(wěn)定性對板型、尺寸精度和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。本文對冷軋生產(chǎn)線中卷取張力系統(tǒng)的控制特點和控制方式進行了深入的分析和研究，建立了卷取系統(tǒng)的數(shù)學模型。結(jié)合卷取張力控制系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律，研究探討了基于人工智能的自適應(yīng)PID控制算法在張力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

冷軋生產(chǎn)線卷取張力控制系統(tǒng)

冷軋生產(chǎn)線卷取張力控制系統(tǒng)簡介。冷軋生產(chǎn)線上的卷取張力控制系統(tǒng)是一種具有復(fù)雜性和時變性的機電工藝相綜合的控制系統(tǒng)。卷取張力控制一般分為直接張力控制和間接張力控制，直接張力控制是通過張力計直接測量張力反饋給控制系統(tǒng)，形成張力的閉環(huán)控制；間接張力控制是將張力轉(zhuǎn)換為電機轉(zhuǎn)矩，通過控制轉(zhuǎn)矩間接的控制張力。直接張力控制系統(tǒng)具有實時性好、控制系統(tǒng)簡單、控制精度較高等優(yōu)點，但也存在成本較高、檢測信號易受現(xiàn)場電磁信號干擾造成控制不穩(wěn)定等缺點；間接張力控制系統(tǒng)不需要張力檢測元件，降低了控制系統(tǒng)成本，但控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比直接張力控制系統(tǒng)復(fù)雜。隨著計算機技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，間接張力控制的精度得到了極大地提高，在實際中的應(yīng)用也越來越廣泛。

卷取機轉(zhuǎn)矩設(shè)定值包括了以下幾部分：生產(chǎn)線的張力轉(zhuǎn)矩、摩擦轉(zhuǎn)矩以及加減速過程中所需要的加速轉(zhuǎn)矩，如圖1所示。其中張力轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩與鋼卷的卷徑實時相關(guān)。

圖1 卷取機張力控制系統(tǒng)框圖

在生產(chǎn)線的實際工作中，卷取機轉(zhuǎn)速設(shè)定值在生產(chǎn)線的線速度設(shè)定值基礎(chǔ)上疊加一個小的速度ΔV，疊加后卷取機的速度給定與實際生產(chǎn)線的速度總是有一個恒定的差值，這樣卷取機的速度調(diào)節(jié)器很快達到飽和，卷取機控制器由速度控制轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩控制，此時轉(zhuǎn)矩控制的目標值為卷取機的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。

轉(zhuǎn)矩的控制在變頻器中采用閉環(huán)控制，我們用到了PID控制器讓實際轉(zhuǎn)矩跟隨指令轉(zhuǎn)矩。根據(jù)經(jīng)典控制理論，該系統(tǒng)一般可以整定為二介控制系統(tǒng)，從而計算得到PID控制器的比例、積分和微分參數(shù)，但在實際控制系統(tǒng)中，該理論計算值往往并不能取得很好的控制效果，還需要做反復(fù)的調(diào)試并且在不同工況下，往往需要不同的參數(shù)才能達到最佳效果。

模糊PID在張力控制中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的PID控制器廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，取得了良好的效果。但是常規(guī)的PID控制器一般只適用于線形系統(tǒng)，且不能根據(jù)實際情況在線調(diào)整K_P，K_I, K_D參數(shù)。當系統(tǒng)狀態(tài)變化時，常規(guī)PID控制器的參數(shù)不能自動調(diào)整，從而使控制器性能下降。

傳統(tǒng)的PID控制器的數(shù)字離散表達式為：

式中：u(k)為第k次采樣時的計算輸出值; e(k)為第k次采樣時的輸入偏差值; e(k-1)為第(k-1)次采樣時的輸入偏差值; KP、KI、KD分別為比例、積分和微分參數(shù)。

針對傳統(tǒng)PID控制器的不足之處，模糊PID控制器是一種處于快速發(fā)展中的控制方式，目前依然有許多問題和課題需要探討和研究。

典型的模糊PID控制結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖2 典型的模糊PID控制結(jié)構(gòu)框圖

上圖中Gec、Ge為量化因子，可以看出，此模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖中輸入分別為變化量e和變化量的變化率de/dt，輸出為PID控制器的參數(shù)調(diào)整量ΔKP、ΔKI、ΔKD。在具體的控制過程中，由于微分參數(shù)過于敏感，往往造成控制系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，所以在實際過程中多只取PI參數(shù)。

在轉(zhuǎn)矩的模糊控制中，我們采用以常規(guī)PI控制為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)矩（即張力）穩(wěn)定在某一區(qū)間時采用常規(guī)PI控制，在轉(zhuǎn)矩的動態(tài)變化過程中，采用模糊PI控制，這樣既能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定又能加快張力的控制響應(yīng)速度 。改造后的轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖3 轉(zhuǎn)矩的模糊PID控制結(jié)構(gòu)框圖

在進行模糊化時，我們采用了通常使用的三角型隸屬函數(shù)?？稍O(shè)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的誤差和誤差變化率的模糊量e和ec的模糊子集均為：

模糊PI的具體的調(diào)整原則是：當|e|很大時，為迅速調(diào)整誤差，取較大Kp，較小Ki；當e＊ec＞0時，說明誤差在向誤差絕對值變大的趨勢變化。為迅速減小誤差絕對值，取較大Kp，較小Ki。當e＊ec＜0或e=0時，說明誤差絕對值朝減小的方向變化，或者已達到平衡狀態(tài)。可采取保持參數(shù)不變。當e＊ec=0且e!=0時，表明系統(tǒng)曲線與理論曲線平行或一至。為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，取較大Kp，較大Ki。

實驗研究

該方法在某?；嵯刺幚砭€現(xiàn)場進行了實際應(yīng)用，其卷曲機張力曲線如下：

圖4 動態(tài)時卷取機張力曲線

由運行結(jié)果我們可以看出，在動態(tài)時，張力能快速的跟隨給定且變化平穩(wěn)。該方法在實際控制中，取得了較好的效果。

本文分析了模糊PID在冷軋?zhí)幚砭€卷取張力控制中的應(yīng)用，通過理論分析和仿真的方式比較了模糊PID與常規(guī)PID控制間的區(qū)別，并將模糊控制PID應(yīng)用于實踐中，取得了較好的效果，有一定的工程應(yīng)用價值。

（作者單位：中冶南方（武漢）自動化有限公司）