专利名称：卷取机的张力模糊pid控制方法
技术领域：
本发明涉及一种卷取机张力控制方法，通过对模糊控制器对卷取机的电流环及速度环的PID参数控制，实现卷取机张力间接控制。本发明可广泛应用于纤维、造纸、塑料薄膜、电线、印刷品、磁带等轻工业相关领域以及金属制品行业。
背景技术：
在冶金行业中，卷取机是将热轧或冷轧钢材卷取成卷筒状的轧钢车间辅助设备，用卷取机将钢材弯曲成卷，从而为增大原材料重量、提高轧制速度、减小轧件头、尾温差提供了有力的条件，由此导致了产品产量与质量的提高；此外，成卷的轧材便于运送，这是各种形式卷取机的共同特点和作用。卷取机一个重要的控制就是张力控制，在冶金行业中，对薄钢板的卷取就会碰到类似问题。如果张力过大，钢材在卷取的过程中，便会使钢卷的内卷产生相对滑动，由滑动造成的表面划痕，极大地影响了钢材的表面质量，更为重要的是，张力过大会造成钢卷内部应力变大，最终使钢卷的内孔内陷，或者使整个内层卷突出，形成塔形，最终使钢卷的等级降低。如果卷取的张力过小，钢卷会在其自身重力的情况下松散、突出，无法对其包装。而且在松散过程中，由于钢卷的相对滑动，常常会在钢材表面产生大面积的划痕。解决上述问题，工业现场传统方式通过变频器对卷筒电机进行控制。通常采用PLC对电机进行PI (比例、积分)调节，或者PID (比例、积分、微分)调节。传统的PID控制算法，其设计简单、实施容易，具有很强的鲁棒性，特别对二阶系统具有最优的调节特性，因此在工业控制中一直占有主导地位。但是，张力系统中，常常有很多干扰因素，PI或者PID调节系数，如Kp(比例系数)K1 (积分系数)Kd (微分系数)一旦设定，如果没有人为对其进行调节，这些参数是固定不变的，它们不会随着受控参量的变化而变化，即不会随着环境的改变而改变。但实际上，在张力控制过程中，张力的大小是随着卷径的变化而实时变化的，当卷径较小时，卷辊线速度较小，张力不大。随着卷径的不断扩大，卷辊的线速度变快，张力变大。因此设置静态参数往往达不到最佳控制效果，PID控制常常达不到要求精度。纵观国内外的张力控制设备的发展，它的研究重点是对张力控制的算法，目前已经有一些控制算法，神经网络控制算法，不依赖对控制对象的数学模型，但是，由于神经网络需要大量的样本且需要对网络样本进行训练，而训练过程比较繁琐，不适宜卷取机这类对控制实时性有较强要求的系统；分析卷取机这一类系统，它是多参量、非线性的，不宜使用精确的数学方法控制。这样的系统，恰恰最适合使用模糊控制技术进行控制。模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言控制规则，出发点是模糊语言和相关专家的知识，在设计中不需要建立被控制对象的精确的数学模型，控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种卷取机的张力模糊PID控制方法。本申请首先对卷取机工作特性进行分析，完成卷取机主电机的选型；然后建立卷取机的数学模型，完成卷取机的工作仿真；设计卷取机张力控制的模糊控制器，该模糊控制器不是建立在数学分析基础上，而是根据工程实际运行的样本确定各参数和控制规则，最后将模糊控制器应用于实际卷取机系统，根据控制结果调整输入、输出隶属度函数，直至调整到理想效果。为了实现上述目的，本发明采用如下的技术解决方案:一种卷取机的张力模糊PID控制方法，该方法采用电流环和速度环双闭环控制，对电流环和速度环的反馈环节分别设置PID调节器，即速度调节器和电流调节器，并采用六个模糊控制器分别控制电流环和速度环的PID参数的调整，每个模糊控制器采用MISO的形式即两输入一输出，输入量均为设定张力的偏差值E以及偏差变化率Ec，输出量分别为电流控制器和速度控制器需要的P、1、D参数；在电流调节器与速度调节器之前分别串入3个相应的模糊控制器，在卷取机运行的过程中，不断调整隶属度函数，对电机的转速和电机电枢电流进行控制，从而实现对卷取机张力的自动控制，使卷取机的张力T实现自动调节始终保持恒定；具体操作如下:
用户根据公式T= σ 0bh设定所需张力T:其中，b为带钢的宽度，单位:mm ；h为带钢的厚度，单位:mm ; %为带钢的单位张力，单位:N/mm2 ；根据公Smt=T* (D/2)计算得到张力力矩Mt，单位:Nm ;其中，T为张力设定值单位:N, D为卷筒卷径D,单位:m ;计算动态力矩Md,单位:Nm ;通过实验得到空载力矩Μ。,单位:Nm ；将张力力矩Mt、动态力矩MD、空载力矩Μ。相加得到主电机的力矩极限值Mm ;在主电机M上安装脉冲编码器2测得卷筒的转速η，通过S辊的线速度Vl计算卷筒的线速度V2，将卷筒的线速度V2与卷筒的转速η经过除法器得到卷筒卷径D ；S辊的线速度Vl与S辊的直径Ds经过除法器得到转速给定值，转速给定值与转速η经过比较器得到速度偏差；卷筒卷径D与带钢带宽共同作用的转动惯量经过比例调节器，所述比例调节器用于根据卷筒卷径D与带钢带宽的变化引起的动态惯量变化来调节比例系数；将速度偏差和比例系数输入速度调节器得到速度整定值，速度整定值作为电流给定值；将电流给定值和力矩极限值Mm送入电流调节器，经电流调节器通过如下公式得到主电机M的电枢电流值，使主电机M根据得到的电枢电流Id运转；Mm=C^Id其中，Mni为主电机的力矩极限值；Φ为磁通量，单位:Wb ;C111为电动机力矩常数，取
2.68N/m.A ;Id为电枢电流，单位:A。本发明还包括如下其他技术特征:所述S辊的线速度Vl的计算如下:S辊的驱动电机Ml通过减速器I连接S辊，在S辊的驱动电机Ml安装脉冲编码器I检测S辊的转速nl，利用下式计算得到S辊的线速度Vl:Ds = ~—其中，Ds——S辊的直径，单位m;Ii1-S棍的实际转速,单位r/min ；J1-圆周率。
所述比例调节器根据系统卷径带宽的变化引起的动态惯量变化，来调节速度条件器的比例系数的计算公式如下:
权利要求
1.一种卷取机的张力模糊PID控制方法，其特征在于，该方法采用电流环和速度环双闭环控制，对电流环和速度环的反馈环节分别设置PID调节器，即速度调节器和电流调节器，并采用六个模糊控制器分别控制电流环和速度环的PID参数的调整，每个模糊控制器采用MISO的形式即两输入一输出，输入量均为设定张力的偏差值E以及偏差变化率Ec，输出量分别为电流控制器和速度控制器需要的P、1、D参数；在电流调节器与速度调节器之前分别串入3个相应的模糊控制器，在卷取机运行的过程中，不断调整隶属度函数，对电机的转速和电机电枢电流进行控制，从而实现对卷取机张力的自动控制，使卷取机的张力T实现自动调节始终保持恒定；具体操作如下: 用户根据公式T= σ 设定所需张力T:其中，b为带钢的宽度，单位:mm ;h为带钢的厚度,单位:mm ; %为带钢的单位张力，单位:N/mm2 ； 根据公SMt=T* (D/2)计算得到张力力矩Mt，单位:Nm ;其中，T为张力设定值，单位:N ；D为卷筒卷径，单位:m ;计算动态力矩Md,单位:Nm ;通过实验得到空载力矩M。,单位:Nm ;将张力力矩Mt、动态力矩Md、空载力矩M。相加得到主电机的力矩极限值Mm ; 在主电机M上安装脉冲编码器2测得卷筒的转速n，通过S辊的线速度Vl计算卷筒的线速度V2，将卷筒的线速度V2与卷筒的转速η经过除法器得到卷筒卷径D ； S辊的线速度Vl与S辊的直径Ds经过除法器得到转速给定值，转速给定值与转速η经过比较器得到速度偏差；卷筒卷径D与带钢带宽共同作用的转动惯量经过比例调节器，所述比例调节器用于根据卷筒卷径D与带钢带宽的变化引起的动态惯量变化来调节比例系数；将速度偏差和比例系数输入速度调节器得到速度整定值，速度整定值作为电流给定值；将电流给定值和力矩极限值Mm送入电流调节器，经电流调节器通过如下公式得到主电机M的电枢电流值，使主电机M根据得到的电枢电流Id运转； Mm=Cm Φ Id 其中，Mm为主电机的力矩极限值；Φ为磁通量，单位:Wb ;Cm为电动机力矩常数，取2.68N/m.A ;Id为电枢电流，单位:A。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S辊的线速度Vl的计算如下: S辊的驱动电机Ml通过减速器I连接S棍，在S辊的驱动电机Ml安装脉冲编码器I检测S辊的转速nl，利用下式计算得到S辊的线速度Vl:V rie — I ――'........................Knl 其中，V1-卷筒转速，单位:m/min ； Ds--S棍的直径，单位:m ； Ii1--S棍的实际转速,单位:r/min ； 31——圆周率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比例调节器根据系统卷径带宽的变化引起的动态惯量变化，来调节速度条件器的比例系数，给速度调节器叠加一个5%的给定值，使速度饱和；饱和的速度使电流环限幅输出，当速度饱和后，力矩极限接管系统控制；比例系数的计算公式如下: κ (Α + DfiCJm " 2haRTZM其中，Kn—比例调节器的比例系数； h—频率宽度，为了跟随特性和抗干扰性，h取5 ; β——电流反馈系数，单位:V/A，取0.0095V/A ； Ce-主电机的电势转速比,单位:V/(r.min-1),取0.1 85V/(r.mirT1)； Tm——主电机机电时间常数，单位:s，空卷时Tm=0.148s，满卷时Tm = 0.9s ； Tzn掼性时间常数，单位:s，本发明取0.0124s ； α-转速反馈系数，单位:s,本发明取0.0Ols ； R——电枢回路等效电阻，单位:欧姆。
4.一种卷取机的张力模糊PID控制方法，其特征在于，所述的模糊控制器的设置如下； 步骤1:对每个模糊控制器的输入和输出均设置七个语言值，采用Gauss型函数，并确定函数的边界点和中心点，完成所有控制语言的隶属度函数； 步骤2:建立模糊规则表，即确定输入和输出之间的控制规则；` 步骤3:对输出的模糊语言利用模糊规则表解模糊。
5.如权利要求4所述的卷取机的张力模糊PID控制方法，其特征在于，所述的步骤3采用最大隶属度法解模糊。
6.如权利要求4所述的卷取机的张力模糊PID控制方法，其特征在于，在解模糊过程中，如果推理出来的论域有多个元素同时出现最大隶属函数的值，就取这些元素的平均值作为该隶属函数的清晰值。
全文摘要
本发明公开了一种卷取机的张力模糊PID控制方法，该方法采用电流环和速度环双闭环控制，对电流环和速度环的反馈环节分别设置速度和电流调节器，并采用六个模糊控制器控制电流环和速度环的PID参数，每个模糊控制器采用两输入一输出，输入量均为设定张力的偏差值E以及偏差变化率Ec，输出量分别为电流控制器和速度控制器需要的P、I、D参数；在电流调节器与速度调节器之前分别串入3个相应的模糊控制器，在卷取机运行的过程中，不断调整隶属度函数，对电机转速和电枢电流进行控制，实现对卷取机张力的自动控制，使卷取机的张力实现自动调节始终保持恒定；通过simulink仿真，证实该方法响应快，调整能力强，鲁棒性好，有效地改善了控制效果。
文档编号G05B13/04GK103076743SQ20121059093
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者陆地, 王胜, 许岩, 崔璐 申请人:西安建筑科技大学