CN108646547A

CN108646547A - 一种基于混代遗传优化的张力控制方法

Info

Publication number: CN108646547A
Application number: CN201810391447.4A
Authority: CN
Inventors: 何金保; 骆再飞; 廖远江
Original assignee: Ningbo University of Technology
Current assignee: Ningbo University of Technology
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2018-10-12

Abstract

本发明提供了一种基于混代遗传优化的张力控制方法，该方法采用了离线和在线控制器共同输出的方式，离线控制器是张力误差和误差变化率设计，输出值查表方式得到，在线控制器输出值采用混代遗传优化得到。通过混代遗传优化算法，有效减少个体等待时间，大大加快了算法执行速度，提高了效率。并且，优化过程中限定参数范围和时间，保证遗传算法结果的可靠性，提高系统稳定性。本发明实现简单，满足实际应用的需要。

Description

一种基于混代遗传优化的张力控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于混代遗传优化的张力控制方法。

背景技术

张力系统在造纸、纺织等工业场合中应用广泛，它是典型的多输入多输出非线性系统，卷径及转动惯量是一个时变参数，而且速度和张力存在耦合关系，造成系统的动力学模型十分复杂。另外，张力系统中还存在速度扰动，严重的情况下会发生材料断裂等问题，张力控制一直以来是制约制造业发展的瓶颈。

针对张力控制问题，近年来国内外展开了较为广泛的研究，取得了一定的研究成果。譬如，发明专利“卷绕张力控制系统”(授权公告号：CN 102923511 B)、“一种络筒机纱线张力控制装置及其控制方法”(授权公告号：CN 103010837 B)、“一种真空镀膜高速恒卷绕张力设备和控制方法”(授权公告号：CN 105603380 B)等等，但是张力系统收放卷机构在运行过程中，卷径不断变化引起转动惯量和张力的变化，然而张力控制系统要求系统响应速度快、抗干扰能力强、鲁棒性好，而且要求控制系统能够在线实时调节，能够抑制卷径时变的影响，因此必须提出新的方法提高张力控制精度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高精度的张力控制方法。

为实现上述目的，本发明一种基于混代遗传优化的张力控制方法，针对张力控制系统中的收卷轴和放卷轴，通过电机速度调节控制张力恒定，其特征在于在线和离线控制器共同输出控制电机的方式，离线控制器是根据张力误差和误差变化率设计，使用时采用查表方式得到，在线控制器采用混代遗传算法对PID的三个参数在线优化，在遗传优化过程中，将子代和父代个体同等对待，根据个体适应度函数，选择适应度高的个体进行遗传优化操作，并且遗传操作采用平行形式，多个遗传优化操作并行进行，加快算法收敛速度。

优选的，采用混代遗传算法对在线控制器PID的三个参数优化时，限定参数范围和时间，超出范围参数删除，保证系统稳定运行。

综上所述，本发明提出的张力控制方法采用了离线和在线控制器共同输出的方式，在线控制器的参数优化过程中利用混代遗传优化算法和并行操作形式，有效减少个体等待时间，大大加快了算法执行速度，提高了效率。并且，限定参数范围和时间保证遗传算法优化结果的可靠性，提高系统稳定性。

附图说明

图1为本发明系统张力控制结构图。

图2为本发明张力混代遗传优化流程图。

图3为本发明并行操作实施例。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地实施。

本发明一种基于混代遗传优化的张力控制方法，针对张力控制系统中的收卷轴和放卷轴，通过电机速度调节控制张力恒定。如图1所示，在线和离线控制器共同输出控制电机的方式，离线控制器是根据张力误差和误差变化率设计，使用时采用查表方式得到，在线控制器采用混代遗传算法对PID的三个参数在线优化，图1中V为相邻导轮的速度。在线遗传优化过程中，将子代和父代个体同等对待，根据个体适应度函数，选择适应度高的个体进行遗传优化操作，并且遗传操作采用平行形式，多个遗传优化操作并行进行，加快算法收敛速度。优化流程如图2所示，说明如下：

A.PID参数编码，采用二进制编码将PID的比例、积分、微分三个参数编码，长度根据具体情况设计，且比例、积分、微分参数设置范围。

B.产生种群，随机产生各个参数初始种群。

C.适应度函数，在遗传优化过程中，考虑张力系统时滞的影响，设计带误差预测功能的适应度函数：

式中：z1＝e，e为张力误差。

D.个体评价，采用轮盘法，由适应度函数计算种群中的父代和子代个体适应值。

E.选择运算，以个体适应值确定各个体的选择和复制概率。适应值越高，就有更多的机会产生一个甚至多个相同的子代个体。选择操作时不区分父代和子代，按照混代处理，即同代来对待。个体i被选中复制的几率Pi为：

其中：fi为第i个个体适应值。

F.交叉运算，在两个父代染色体的位串上随机选择一个位置(交叉点)，并把交叉点以后的部分互换而产生两个子代染色体。

H.变异运算，随机地把染色体的某些基因位的状态变成其他状态而产生新的染色体，变异操作能够阻止一些有用遗传基因的丢失，起到保持和恢复染色体多样性的作用，防止早熟现象出现。

I.判断是否超出范围，如果PID参数超出范围，则删除，否则，保留。

J.判断时间是否到：采用遗传算法对PID的三个参数在线优化时，限制遗传优化计算时间，保证系统稳定运行。如果时间到，则停止运行，反之，继续优化参数。

为了详细描述遗传操作采用平行形式，下面举例说明。如图3所示，假设初始种群为M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7，计算所有个体适应度，选择适应度最高的个体M1、M2进行遗传操作，在M1、M2进行交叉操作时，M3、M4进行选择操作，M1、M2突变操作时，M3、M4交操作，M5、M6选择操作，实现了遗传的并行操作。假设M1、M2的子代中，有一个满足参数范围，一个不满足参数范围，保留满足参数范围的子代，编号M8，M7、M8进行遗传操作。假设M3、M4子代M9、M10满足参数范围，均保留编号，同理，M5、M6子代M11、M12保留，然后计算各个子代适应度值，挑选适应度值高的个体M9、M11配对，其余M10、M12配对进行遗传优化操作。M13是M7、M8符合参数范围的子代，图3中下划线表示配对成功。通过遗传操作的并行处理，大大加快了优化效率。

综上所述，本发明提供一种基于混代遗传优化的张力控制方法，针对收卷轴和放卷轴，通过电机速度调节控制张力恒定张力，采用了离线和在线控制器共同输出的方式。在线控制器的参数优化过程中利用混代遗传优化算法和并行操作形式，限定参数范围和时间，大大加快了算法执行速度，提高了系统稳定性。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

Claims

1.一种基于混代遗传优化的张力控制方法，针对张力控制系统中的收卷轴和放卷轴，通过电机速度调节控制张力恒定，其特征在于:在线和离线控制器共同输出控制电机的方式，离线控制器是根据张力误差和误差变化率设计，使用时采用查表方式得到，在线控制器采用混代遗传算法对PID的三个参数在线优化，在遗传优化过程中，将子代和父代个体同等对待，根据个体适应度函数，选择适应度高的个体进行遗传优化操作，并且遗传操作采用平行形式，多个遗传优化操作并行进行，加快算法收敛速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于混代遗传优化的张力控制方法，其特征在于：采用混代遗传算法对在线控制器PID的三个参数在线优化时，限定参数范围和时间，超出范围参数删除，保证系统稳定运行。