[发明专利]卷取机的张力模糊PID控制方法

说明书

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K_P(比例系数)K_I（积分系数）K_D（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、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=σ₀bh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；σ₀为带钢的单位张力，单位：N/mm²；