模糊PID在收卷张力控制系统中的应用_陈连业.pdf

202313技术应用与研究66Modern Chemical Research当代化工研究202313技术应用与研究66Modern Chemical Research当代化工研究模糊PID在收卷张力控制系统中的应用陈连业 刘雪丽（传奇电气（沈阳）有限公司 辽宁 110136）摘要：文章的研究中首先对原纸收卷系统的工作原理进行介绍，介绍张力控制系统框架的基本内容，梳理模糊PID控制系统基本结构。进而以模糊控制PID控制系统原理为依据，借助专业仿真软件，建立收卷张力控制系统模型，得出基于模糊PID器以及常规PID张力控制的系统控制仿真效果，验证模糊PID控制器的应用效果。实验结果显示，模糊PID的应用可以有效提高收卷张力控制系统的响应速度，且具备良好的稳态性和抗干扰能力。关键词：模糊PID控制器；收卷；张力控制；控制系统；应用中图分类号：TP273 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.13.022Application of Fuzzy PID in Winding Tension Control SystemChen Lianye,Liu Xueli(Legend Electric(Shenyang)Co.,Ltd.,Liaoning,110136)Abstract：In the research process of this paper,the basic content of tension control system framework is introduced,and the basic structure of fuzzy PID control system is sorted out.Then,with the help of professional simulation software based on the principle of fuzzy control PID control sys-tem,the winding tension control system model is established,and the simulation effect of system control based on fuzzy PID controller and conven-tional PID tension control is obtained,and the application effect of fuzzy PID controller is verified.The experimental results show that the application of fuzzy PID can effectively improve the response speed of the winding tension control system,and has good steady-state and anti-interference ability.Key words：fuzzy PID controller；reeling；tension control；control system；application卷状材料的收卷直接影响到下一道工序的再加工或者产品成品率的大小，对于卷状材料的加工起着至关重要的作用，所以收卷张力稳定不变化是一个非常关键的因素1。目前国内生产线上的原纸张力控制系统，普遍存在由于张力控制不当引起的原纸塑性变形、断裂、起皱等问题2。为了保证生产效率和收卷质量，张力控制系统尤为关键。模糊比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential coefficient，PID）是控制系统中一种常用的调节方式，具有简单、易于实现、稳定性好、可靠性高等优点3-6。目前，在生产实践中常规PID控制方法在收卷张力控制系统中的应用较为普遍，此种控制方法具有结构简单，易于操作等特点，但存在稳定性不足等问题。1.基于模糊PID的收卷张力控制系统(1)原纸收卷系统工作原理在生产实践中，原纸收卷的质量是人们高度关注的一个问题。导致原纸收卷出现质量问题的原因是多方面的，其中，影响原纸收卷质量的主要因素是原纸收卷过程中的张力大小。如果收卷过程中存在张力过大的情况，会导致原纸发生变形，甚至会导致原纸出现断裂。如果收卷的张力偏小，则极易导致原纸在收卷过程中出现褶皱、不平等情况，严重的情况下甚至会导致原纸松卷，无法完成收卷。另外，在原纸收卷中，相应的张力不仅需要控制在适宜大小水平，还应当维持在较为稳定的状态。张力控制方面存在不够稳定的情况，会造成原纸切断长度不稳定等现象的出现，严重影响到生产质量7。所以，在原纸收卷作业中，还需要积极的采取有效措施，维持原纸张力大小合适，并维持恒定。想要实现上述目的，难点和关键就在于设计一套高精度的张力控制系统来保持原纸上张力的稳定。此次研究中涉及到的收卷张力控制系统受到两段闭环张力的直接控制，每段闭环在对相应的张力大小进行检测的时候，均借助浮辊张力检测传感器完成检测。对于检测所得张力数值大小，均传送到各段的张力控制器中。在张力控制器对相关的张力数据进行处理之后，再将信息传递到工作变频器中，并对导辊电机的转速进行控制，进而实现对卷材线速度的调整8。传统常用的收卷张力控制一般采用张力传感器实时监测收卷张力，根据反馈值进行PID运算后控制，或者采用张力摆动辊监测控制收卷张力，其缺点是收卷卷径变化不能太大，卷径太大时张力波动大，张力控制不稳定。(2)张力控制系统框架原纸经分切机之后进入收卷机中卷收成卷，但是收料辊上卷收原纸的厚度一直处于变化之中，为了保证生产的效率和原纸的表面质量，在卷收过程中保持原纸恒定的张力是十分必要的。在该系统中一共包202313技术应用与研究67Modern Chemical Research当代化工研究202313技术应用与研究67Modern Chemical Research当代化工研究含了两个闭环反馈环节，分别为电机速度反馈调节系统以及张力反馈调节系统。其中，在速度反馈调节方面，系统检测实时速度值作为反馈，构成速度闭环，再通过电机速度反馈调节系统来对电机控制电压大小进行适当的调整，进而达到有效调整电磁转矩的效果。对于张力控制，系统通过张力传感器检测实时张力，构成张力闭环，再由张力反馈调节系统来对速度增量大小进行调整，从而实现对电机速度反馈调节系统设定速度的改变。(3)模糊PID控制系统目前，在各种控制系统中，对常规PID控制方法的应用较多9-10。但是，在应用常规PID控制方法的时候，不同的误差E和误差变化率EC下，无法满足对PID参数的自整定要求。因此，会对实际的控制效果产生一定的影响11-12。针对这一情况，在本次研究中，选择将模糊控制与传统PID控制联合在一起进行系统控制，通过这一设计思路，可以完成对PID3个参数的在线自整定。通过这一方式，将收卷张力控制系统设计为可以满足在线自调整PID相关参数的模糊控制器，模糊PID控制系统结构示意图，如图1所示。图1 模糊PID控制系统结构示意图在整个模糊PID控制系统中，包含了不同的组成部分，分别为模糊控制器以及PID控制，其中系统实现的核心内容在于模糊控制。在整个系统中，还包含了4个不同的部分，分别为模糊化接口、模糊推理、清晰化接口以及知识库13。本文所提出模糊PID控制系统实现自调整PID参数的过程中，参照的计算公式如下所示。pppKKK+=（1）iiiKKK+=（2）dddKKK+=（3）其中，PID参数的初始值分别以pK和iK以及dK进行描述，模糊控制器的输出值则以pK和iK以及dK进行表示，最终控制输出参数值分别以pK、iK、dK进行表示。在对该系统进行设计和应用的过程中，对于相关的输入和输出量需要进行一定的模糊化处理，同时，在调整相关参数的时候，需要遵循一定的调整原则。在该模糊PID控制系统中，所选择的输入语言变量为偏差E以及偏差变化率EC，其论域范围为-10，10，对于系统相关参数，其论域范围进行了相应的设置，模糊PID控制系统相关参数与输入语言变量的论域范围统计结果见表1。表1 模糊PID控制系统相关参数与输入语言变量的论域范围统计序号系统相关输入语言变量与参数论域范围1偏差E-10，102偏差变化率EC-10，103pK-6，64iK-2，25dK-2，2结合系统应用的需求，对系统相关输入语言变量与参数进行离散化处理，将其划分为7个不同的等级，分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，简写为NB、NM、NS、0、PS、PM、PB。在实际应用中，为了满足不同偏差和偏差变化率时，对控制参数做出的相应要求，需要依照模糊推理规则的相关内容适当修改相关参数。2.仿真与性能分析(1)系统仿真模型构建为了验证本文所提出模糊PID控制系统在收卷张力控制系统中的控制效果，此次研究还以模糊控制PID控制系统原理为依据，借助专业仿真软件构建收卷张力控制系统仿真模型，对比分析模糊PID控制与常规PID张力控制的仿真情况，验证模糊PID控制器的应用效果。在仿真工具方面，选择使用Matlab软件14。在仿真实验中，应用软件中的Simulink工具箱以及模糊逻辑工具箱，进行系统仿真模型构建。在该模型所建立的张力控制系统选择使用模糊PID控制器，并对电机采用转矩矢量控制情况实施建模处理。在仿真分析中，通过对控制器的初始参数进行适当的调整，可以获得pK、iK、dK的初始参数。(2)仿真结果分析（1）模糊PID控制仿真波形图；（2）常规PID张力控制仿真波形图图2 不同PID控制下的仿真实验波形图进行仿真实验，得出仿真结果，获得不同PID控制202313技术应用与研究68Modern Chemical Research当代化工研究202313技术应用与研究68Modern Chemical Research当代化工研究下的仿真实验波形图，具体结果如图2所示。在采用模糊PID控制的过程中，对于相应的pK、iK以及dK参数大小，分别设置为3.21、0.02、0.031。在采用常规PID控制的过程中，对于相应的pK、iK、dK参数大小，分别设置为3.21、0.02、0.031。参照模糊PID的初始值大小，对模糊控制器pK、iK以及dK的系数大小进行相应的设置，将张力值F大小设定为10N。在实际生产过程中，所使用的电机类型存在一定的差异，不同电机在初始速度方面存在一定的差异。同时，在生产过程中所使用的设备会产生一定的扰动，为此，存在一定的张力控制误差，相应的误差大小在0.010.06的范围之内15-16。通过仿真实验，可以获得不同PID控制下的仿真实验波形图。对相应的波形图进行对比分析可以发现，在0.75后，系统的张力大小会达到稳定状态。收卷电机的初始速度大于牵出电机，在传感器的作用下，可以调整收卷电机以及牵出电机的速度大小，待0.75s之后，收卷电机以及牵出电机在速度方面会达到相同的大小。按照对卷纸内张力大小进行分析的时候，可以参照公式（4）。（4）式中，T是卷纸内的张力大小；T是纸张的传送时间；是杨氏弹性模量；VR是收卷筒的线速度；A是卷材的横截面积；L是传动点之间的距离。由公式（4）可以发现，在实际生产过程中，张力所调节的具体对象为纸张。在系统的启动过程中，如果可以使VVR，则会导致纸张产生一定的张力17。如果这一张力不断变化，当纸张达到所要求的张力大小之后，还需要及时进行必要的调整，使VR维持在较为稳定的状态18。通过这一方式，在生产过程中，纸张便能够在这一张力大小下保持稳定的运行状态。结合仿真实验的相关内容，参照公式（4）进行计算，可以得到相应卷纸内的张力大小数值，此时张力值达到稳定。模糊PID控制下的收卷张力调控系统，以实现调节原纸的张紧度、提高原纸的表面质量的目的，有效地降低原纸的报废率、提高生产效率。实验结果显示，模糊PID的应用可以有效提高收卷张力控制系统的响应速度，恒张力收卷，控制精度高，且具备良好的稳