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第二十九中国控制会议论文集

7月29-31日，2010，北京，中国

基于模糊自适应PID算法的复卷机张力控制

陈景文

电气与信息工程学院，陕西科技大学，西安科技，710021，中国

E-mail: chenjw@sust.edu.cn

摘要：由于具有非线性、大时滞、强干扰等特点，网络张力控制是复卷机电气控制系统的主要困难。当复卷机在加速或减速下工作时，传统的PID算法不能很好的实现性能指标。基于模糊控制自适应PID的新算法可以解决这个问题，该算法能很容易地由可编程逻辑控制器（PLC）实现。以这种方式，可通过使用模糊逻辑投机在线调整PID参数。这个结果表明，该方法能较好地提高系统的动态性能和稳定性，以及具有更强的鲁棒性。

关键词：模糊控制、自适应控制、PID控制、张力控制、复卷机

1 引言

复卷是在旋转网络生产过程中的最后一个过程。纸机生产的原卷，必须在产品成为产品之前再进行轧制。为了防止纸张在运输和储存过程中的变形和开裂，并能在印刷设备或其他加工设备上稳定移动，纸张的表面必须光滑，并具有一定的硬度。此外，纸张的内侧应是紧绷的，相反，外侧是松散的。同时，在径向方向上，硬度分布也需要均匀。为了实现这些目标，一个关键点是自动控制纸张张力。

我们通常使用PID算法来控制张力的退纸辊。但是经常断断续续的复卷机，和由机械设备的高速运动引起的振动，给我们带来了很多在如何选择和调整PID控制器参数以应付突发扰动方面的困难。在实际应用中，当我们使用PID控制算法时，其结果是不满意的。因此，不少学者纷纷转向其他方式。在这篇文章中，对属于复卷机的退纸辊的张力控制是基于模糊自适应PID算法。它可以同步调整网络PID参数，满足系统的需求。

2 复卷机生产工艺及张力控制的要求

2.1复卷机的生产工艺

在复卷过程中，纸弦从退卷，绕过领导辊和螺旋辊，通过开槽结构的固定位置，送到圆底辊，然后被卷在轴。当我们开始控制退卷的张力时，纸张张力检测器通常安装在龙头辊或螺旋辊，或单独成立。这是由你所拥有的设备所决定的。不同的设备需要不同的方式安装检测器。张力检测器可分为2种类型。他们是悬浮型和枕型，如图1所示。

图1 复卷机的生产工艺

[注]

Front carrier drum 前载波鼓

Entering reel 进入卷

Ride roll 骑辊

Back carrier drum 后载波鼓

Tension roll 张力辊

Forming shoe 成型鞋

Round knife 圆刀

Stretch roll 拉伸辊

Pick roll 选择辊

Unreeling roll 松开辊

2.2张力控制要求

根据在复卷机的实际应用中，当我们采用张力控制室，有如下几点要求需要遵循：

（1）在正常功能中，退卷应以纸张的引线向前移动。如果必要的话，为了确保有足够的力量来翻转纸张，纸张应该保持一定的张力。附带提一下，在电机的电源状态下，退卷电机必须工作。

（2）在反向绕组的过程中，纸张的直径是不断减小的。为了保持张力不变，电机的制动力矩应同时降低。

（3）考虑到内侧的紧绷和外侧的宽松的要求，对于已经产生的纸卷，当生产达到一定规模时，纸卷本身的重力不能忽略。在这一刻，你可以用压力辊的帮助来解决这个问题，通过它，你可以适当地减少压力，调整纸卷的硬度。

（4）如果采用直流电动机产生拉回动力，则可通过直流电机电流控制来实现转矩控制。在一个大范围的调整速度，必须考虑到励磁磁场的影响。

3 退卷辊张力模糊自适应PID控制原理

3.1退卷张力控制

为了获得一个好的倒带效果，我们需要退卷张力有自动控制能力。在传统的PID控制中，可编程控制器（PLC）是我们用来实现目标的方法。但如果采用了模糊自适应PID控制器，不仅PLC可以实现它，而且还可以采用专用的模糊控制器来实现它。控制结构的特征如图2所示。纸张通过拉伸辊之后，安装在张力辊两侧的张力传感器将运输检查信号0 ~ 5V标准电压到模糊控制器。通过推理，模糊控制器调整PID控制参数，同时PID调节器将输出一个直流调速器的需求信号来控制速度。

图2 退卷张力控制原理

[注]

Front carrier drum 前载波鼓

Back carrier drum 后载波鼓

Tension roll 张力辊

Fuzzy controller 模糊控制器

DC Speed Controller 直流调速器

Encoder feedback 编码器反馈

Unreeling roll 松开辊

3.2模糊自适应PID控制原理

PID控制器是一种在线控制器。其控制偏差是根据给定的值r（t）和实际输出量y（t），如公式（1）：

(1)

数字形式的PID控制规则为公式（2）：

(2)

在公式中：

K——采样序列，K = 0,1,2，hellip;；

u（k）——第k次采样时间控制器输出值；

e（k）——第k次采样时间输入的偏差值；

ec（k）——第k次采样时间输入偏差变化值；

K_P——比例系数；

K_i——积分因子；

K_d——微分系数；

模糊自适应PID控制器是基于传统的PID控制器。它采用模糊集合理论建立了一个通过构造参数K_p，K_i，K_d和绝对偏差值|e|和偏差变化|ec|的关系的二元连续函数，如公式（3）：

(3)

根据不同的|e|，|ec|，它会通过本身模糊原理在线调节参数K_p，K_i和K_d。PID参数模糊自适应控制原理如图3所示。

图3 模糊自适应PID控制原理

[注]

Fuzzy controller 模糊控制器

PID controller PID控制器

Controlled object 被控对象

3.3模糊自适应PID参数调整模型

不同|e|和|ec|下，自我调节的请求参数K_p，K_i，K_d的控制过程可以总结概括如下：

（1）当|e|大时，无论误差的变化趋势是怎样的，控制器的输出被认为是其输出量在它自身最大（或最小）的水平。以这种方式，误差就会迅速调整，误差的绝对值将以最大的速度减小。同时，为了防止积分饱和，我们需要一个大的K_p，一个小的K_i和一个为零的K_d。

（2）当e*ec＞0时，则显示该错误是遵循绝对价值增加的方向。这时，如果存在一个很大的错误，可通过控制器实现的强大的控制的实现应被纳入考虑范围。它将扭转方向误差绝对值的方法可能会继续下降，并迅速地减少误差绝对值；在这种情况下，K_p应该大，但K_d不应该像它一样大，和K_i仍应小。如果误差绝对值小，控制器只需要一个通用控制的实现，以扭转变化的趋势，并通过误差绝对值减小的方向使其改变。

（3）当e*eclt; 0，或者e=0时，说明了误差绝对值朝减少的方向变化，无论是达到了平衡状态，这个时候，都可以采用始终保持控制器的输出。

（4）当e*ec = 0，或ene;0时，表明系统曲线和理论曲线平行或一致。为了帮助该系统获得一个良好的稳定性能，我们应该采取大K_p和K_i参数值。同时，应避免设置值附近的振动，并考虑系统的抗干扰性。然后选择一个合适的K_d参数值。

对模糊自适应PID参数的调整，我们可以用根据语言变量偏差e和偏差变化ec的模糊逻辑推理来总结K_p ，K_i，K_d的模糊逻辑模型。这可以从表1，表2，表3中得到。

表1 K_p 定期调整模糊集合模型

Kp		e
		NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
ec	PB	PB	ZO	ZO	ZO	NS	NB	NB
	PM	PB	ZO	ZO	ZO	NS	NB	NB
	PS	PB	ZO	ZO	ZO	NS	NM	NB
	ZO	PB	PM	PM	ZO	NM	NM	NB
	NS	PB	PM	PS	ZO	ZO	ZO	NM
	NM	PB	PB	PS	ZO	ZO	ZO	NB
	NB	PB	PB	PS	ZO	ZO	ZO	NB

表2 K_i 定期调整模糊集合模型

Ki		e
		NB	NM	NS	Zero	<p 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[147633]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word </p