CN109709799A - 一种用于动力收放卷的pid模糊控制优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，参数自整定模糊PID控制器通过将误差e和误差变化率ec作为模糊规则，利用模糊逻辑推理对PID控制器的参数进行自动调整，将调整后的PID控制器参数作为输出控制参数，能够有效的抑制在满卷或者空卷时卷径计算过程中由于偶尔系统不稳定所引起的卷径计算波动，通过对设定张力值和输出张力值实时监测，使在收放卷过程中模糊PID控制器可以动态的适应系统中的卷径变化，将参数自整定模糊PID控制算法应用到张力控制器中，使控制参数随卷径大小或运行频率或运行速度进行调整，使系统运行更稳定，卷径计算更准确，解决了现有技术中传统PID在满卷与空卷时的控制效果不好所引起的系统振荡。

Description

一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法

技术领域

本发明属于张力控制器控制技术领域，具体涉及一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法。

背景技术

因为在收放卷过程中，收卷和放卷的料卷卷径是随时间变化，当卷径大时或者料卷的材料密度大等原因这算到电机轴上的转动惯量大，从而会导致系统张力不稳定，使卷上材料跑偏、松套、断带等现象。目前张力控制器内置的PID控制算法是传统的PID控制方法，虽然设有两组PID参数，根据卷径、偏差、线速度或者运行频率进行控制参数固定切换，但整个张力控制系统的控制效果不是很佳，是由于卷径在整个张力系统中是时时变化的，所以传统的PID控制器是很难抑制在收放卷过程中由于卷径计算误差或者卷径在空卷和满卷的传统PID的调节能力有所影响，引起摆杆位置不稳，导致控制效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，以下步骤：

步骤1)、获取系统收放卷上材料所受的输出张力值y(k)；

步骤2)、计算设定张力值和输出张力值的偏差e：

e＝r(k)-y(k)

r(k)表示设定张力值；y(k)表示输出张力值；

步骤3)、根据步骤2)得到的偏差e，计算当前收放卷上材料所受的张力大小值偏差变化率ec：

ec＝e(k)-e(k-1)

e(k)表示当前设定张力值和输出张力值的偏差；e(k-1)表示上一拍设定张力值和输出张力值的偏差；

步骤4)、以误差e和误差变化率ec作为模糊控制器输入，利用模糊规则对误差e和误差变化率ec进行模糊推理，通过模糊矩阵表对PID控制器原设定输出参数k_p、k_i、k_d进行参数调整，以调整后的参数k_p、k_i、k_d作为新的输出参数，实现PID模糊控制的优化，其中k_p为控制器比例系数，k_i为控制器积分系数，k_d为控制器微分系数。

进一步的，以偏差e和偏差变化率ec作为输入，通过实时检测偏差e和偏差变化率ec的大小，依据模糊推理方法实现对PID控制器原设定输出参数k_p、k_i、k_d的在线时时调整，以满足各个时刻PID控制器的实际输出参数的自调整。

进一步的，用于参数调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式，模糊控制器是以误差e和误差变化率ec作为输入，以PID控制器的三个参数k_p、k_i、k_d的修正量Δk_p、Δk_i、Δk_d作为输出，取输入误差e和误差变化率ec及输出Δk_p、Δk_i、Δk_d模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其中Δk_p为控制器的比例系数的修正量，Δk_i为控制器的积分系数的修正量，Δk_d为控制器的微分系数的修正量。

进一步的，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计分数阶PID控制器参数的模糊矩阵表，算出参数Δk_p、Δk_i、Δk_d代入式(1.1)计算：

kp＝kp₀+Δkp

ki＝ki₀+Δki

kd＝kd₀+Δkd (1.1)

式中：

k_p0、k_i0、k_d0为PID参数的初始设计值，Δk_p、Δk_i、Δk_d为模糊控制器的3个输出，根据被控对象的状态自动调整PID控制器输出三个控制参数的取值。

进一步的，模糊控制器中各变量的基本论域取值如下：

e∈[-3,3]，ec∈[-0.5，0.5]，△k_p∈[-6,6]，△k_i∈[-0.6,0.6]，△k_d∈[-5,5]。

进一步的，当2＜|e|≤3，取k_i＝0；k_d取值为0≤|kd|≤1.7；

当0≤|e|＜1，取3≤|k_p|≤5，0.3≤|k_i|≤0.5；当0≤|e|＜1，0≤|ec|＜0.2，取k_d为3.4≤|k_d|≤5；当0≤|e|＜1，0.2≤|ec|≤0.5，取k_d为0≤|kd|≤1.7；

当1≤|e|≤2，分别取k_p、k_i和kd为0≤|k_p|≤2，0.1≤|k_i|＜0.3，k_d＝0。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，以设定张力值和输出张力值的偏差及偏差变化率作为模糊控制器输入，参数自整定模糊PID控制器通过将误差e和误差变化率ec作为模糊规则，通过利用模糊逻辑推理对PID控制器的参数进行PID控制器参数自动调整，将调整后的PID控制器参数作为输出控制参数，这样就可以有效的抑制在满卷或者空卷时卷径计算过程中由于偶尔系统不稳定所引起的卷径计算波动，通过对设定张力值和输出张力值实时监测，使在收放卷过程中模糊PID控制器可以动态的适应系统中的卷径变化，所以卷径计算控制效果更佳，将参数自整定模糊PID控制算法应用到张力控制器中，这样就可以使控制参数随卷径大小或运行频率或运行速度进行调整，使得整个系统运行更稳定，卷径计算更准确，解决了现有技术中传统PID在满卷与空卷时的控制效果不好所引起的系统振荡，本发明方法将张力控制器引入模糊PID控制器，能较好的解决系统波动而引起的卷径计算误差。

进一步的，通过实时检测偏差和偏差变化率的大小，使模糊控制器的输入和输出参数及时更正，以更好的适应系统波动。

附图说明

图1为本发明控制方法系统流程图。

图2为自整定模糊PID控制框图。

图3为放卷变频器工作在闭环速度模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图3所示，一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，包括以下步骤：

步骤1)、获取当前采样值，即获取系统收放卷上材料所受的输出张力值y(k)；

步骤2)、获取设定张力值和输出张力值的偏差e：

e＝r(k)-y(k)

r(k)表示设定张力值；y(k)表示输出张力值；

步骤3)、根据步骤2)得到的偏差e，计算当前收放卷上材料所受的张力大小值偏差变化率ec：

ec＝e(k)-e(k-1)

e(k)表示当前设定张力值和输出张力值的偏差；e(k-1)表示上一拍设定张力值和输出张力值的偏差；

步骤4)、以误差e和误差变化率ec作为输入，利用模糊规则对误差e和误差变化率ec进行模糊推理，通过模糊矩阵表对PID控制器原设定输出参数k_p、k_i、k_d进行参数调整，以调整后的参数k_p、k_i、k_d作为新的输出参数，实现PID模糊控制的优化，从而满足不同时刻的误差e和误差变化率ec对PID参数自整定的要求，其中k_p为控制器比例系数，k_i为控制器积分系数，k_d为控制器微分系数。

模糊化：在进行模糊推理时，确定模糊集论域中语言变量各值所对应的模糊子集的隶属度函数；

设计控制规则表：控制规则表的条件和结论中要用到一些变量，PID控制器用来解决多输入多输出和单输入单输出问题，即传统PID控制器控制方法；

推理机：控制规则表只反应了控制信号是误差和误差变化率等量通过了计算得到的，而推理决策才是模糊控制的核心，它利用知识库中的信息和模糊运算方式，在一定的输入条件下激活相应的控制规则给出适当的模糊控制输出，具体如下：

以偏差e和偏差变化率ec作为输入，通过实时检测偏差e和偏差变化率ec的大小，依据模糊推理方法实现对PID控制器原设定输出参数k_p、k_i、k_d的在线时时调整，以满足各个时刻PID控制器的实际输出参数的自调整，具体实施如下：

模糊控制器的确定：

用于参数调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式，模糊控制器是以误差e和误差变化率ec作为输入，以PID控制器的三个参数k_p、k_i、k_d的修正量Δk_p、Δk_i、Δk_d作为输出，取输入误差e和误差变化率ec及输出Δk_p、Δk_i、Δk_d模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，误差e和误差变化率ec的论域分别为[-3,3]和[-0.5，0.5]，误差e的量化等级为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，其中Δk_p为控制器的比例系数的修正量，Δk_i为控制器的积分系数的修正量，Δk_d为控制器的微分系数的修正量；

根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计分数阶PID控制器参数的模糊矩阵表，算出参数Δk_p、Δk_i、Δk_d代入式1.1计算：

式中：

k_p0、k_i0、k_d0为PID参数的初始设计值，由常规的PID控制器的参数整定方法设计，Δk_p、Δk_i、Δk_d为模糊控制器的3个输出，可根据被控对象的状态自动调整PID控制器输出三个控制参数的取值；

模糊控制器中各变量的基本论域取值如下：

e∈[-3,3]，ec∈[-0.5，0.5]，△k_p∈[-6,6]，△k_i∈[-0.6,0.6]，△k_d∈[-5,5]。

当|e|较大的时候，即2＜|e|≤3，为了加快系统响应速度，为了避免出现较大的超调，所以去掉积分作用，即k_i＝0；为避免开始时出现过饱和，所以kd取值较小，即0≤|kd|≤1.7；

当|e|较小的时候，即0≤|e|＜1，即接近设定值时，应取较大的k_p和k_i，3≤|k_p|≤5，0.3≤|k_i|≤0.5，以使系统有较好的稳定性；为避免出现振荡，应增强系统的抗干扰性能，当偏差变化率绝对值较小的时，即0≤|ec|＜0.2，k_d取值可以大一些，即3.4≤|k_d|≤5；当偏差变化率绝对较大的时，即0.2≤|ec|≤0.5，k_d取值可以小一些，即0≤|k_d|≤1.7；

当|e|处于中等大小时候，即1≤|e|≤2，为了响应有较小的超调，应取较小的k_p、适当的k_i，即0≤|k_p|≤2，0.1≤|k_i|＜0.3；这时的k_d取值对系统的影响较大，要大小适中，以保证系统的响应速度和稳定性，一般会舍掉，即k_d＝0；

由于参数自整定模糊PID控制器通过将误差e和误差变化率ec作为模糊规则，通过利用模糊逻辑推理对PID控制器的参数进行程序内进行PID参数自动调整，这样就可以有效的抑制在满卷或者空卷时卷径计算过程中由于偶尔系统不稳定所引起的卷径计算波动。

Claims (6)

1.一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，其特征在于，以下步骤：

步骤1)、获取系统收放卷上材料所受的输出张力值y(k)；

步骤2)、计算设定张力值和输出张力值的偏差e：

e＝r(k)-y(k)

r(k)表示设定张力值；y(k)表示输出张力值；

步骤3)、根据步骤2)得到的偏差e，计算当前收放卷上材料所受的张力大小值偏差变化率ec：

ec＝e(k)-e(k-1)

e(k)表示当前设定张力值和输出张力值的偏差；e(k-1)表示上一拍设定张力值和输出张力值的偏差；

步骤4)、以误差e和误差变化率ec作为模糊控制器输入，利用模糊规则对误差e和误差变化率ec进行模糊推理，通过模糊矩阵表对PID控制器原设定输出参数k_p、k_i、k_d进行参数调整，以调整后的参数k_p、k_i、k_d作为新的输出参数，实现PID模糊控制的优化，其中k_p为控制器比例系数，k_i为控制器积分系数，k_d为控制器微分系数。

2.根据权利要求1所述的一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，其特征在于，以偏差e和偏差变化率ec作为输入，通过实时检测偏差e和偏差变化率ec的大小，依据模糊推理方法实现对PID控制器原设定输出参数k_p、k_i、k_d的在线时时调整，以满足各个时刻PID控制器的实际输出参数的自调整。

3.根据权利要求2所述的一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，其特征在于，用于参数调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式，模糊控制器是以误差e和误差变化率ec作为输入，以PID控制器的三个参数k_p、k_i、k_d的修正量Δk_p、Δk_i、Δk_d作为输出，取输入误差e和误差变化率ec及输出Δk_p、Δk_i、Δk_d模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其中Δk_p为控制器的比例系数的修正量，Δk_i为控制器的积分系数的修正量，Δk_d为控制器的微分系数的修正量。

4.根据权利要求3所述的一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，其特征在于，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计分数阶PID控制器参数的模糊矩阵表，算出参数Δk_p、Δk_i、Δk_d代入式(1.1)计算：

kp＝kp₀+Δkp

ki＝ki₀+Δki

kd＝kd₀+Δkd (1.1)

式中：

k_p0、k_i0、k_d0为PID参数的初始设计值，Δk_p、Δk_i、Δk_d为模糊控制器的3个输出，根据被控对象的状态自动调整PID控制器输出三个控制参数的取值。

5.根据权利要求3所述的一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，其特征在于，模糊控制器中各变量的基本论域取值如下：

e∈[-3,3]，ec∈[-0.5，0.5]，△k_p∈[-6,6]，△k_i∈[-0.6,0.6]，△k_d∈[-5,5]。

6.根据权利要求3所述的一种用于动力收放卷的PID模糊控制优化方法，其特征在于，当2＜|e|≤3，取k_i＝0；kd取值为0≤|k_d|≤1.7；

当0≤|e|＜1，取3≤|k_p|≤5，0.3≤|k_i|≤0.5；当0≤|e|＜1，0≤|ec|＜0.2，取k_d为3.4≤|k_d|≤5；当0≤|e|＜1，0.2≤|ec|≤0.5，取k_d为0≤|k_d|≤1.7；

当1≤|e|≤2，分别取k_p、k_i和k_d为0≤|k_p|≤2，0.1≤|k_i|＜0.3，k_d＝0。