CN110244550A - 一种基于生物启发法优化pid的wedm电极丝张力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生物启发法优化PID的WEDM电极丝张力控制方法，采用改进的生物启发法来实现对PID参数的优化，减少了PID控制参数调节的繁复工作，提高了对张力控制的效果和系统安全性，解决了全局搜索能力差、容易受参数影响等问题，同时生物启发法中的目标函数既考虑到系统中的误差绝对值，也考虑阶跃响应中的系统性能，从而得到的最优PID控制参数可使系统的超调量、稳态误差更小，调节时间更短，上升时间快。
Description
技术领域
本发明涉及一种张力控制方法，尤其涉及一种基于生物启发法优化PID的WEDM电极丝张力控制方法。
背景技术
慢走电火花线切割(WEDM)加工是在传统电火花加工的基础上改造而成的一种新型特种加工方式，不仅具有传统电火花加工的优点(如加工材料不受硬度限制)，而且具有自身的特点(如能加工形貌复杂的工件)，广泛应用于高端制造领域(如模具汽车、航空航天等)。电火花线切割与传统电火花加工的根本区别为移动电极丝取代了传统固体电极，使得电火花线切割具有更快的加工速度和加工精度。电极丝在上下丝嘴之间移动过程中，在放电通道内受到横向力而形成弯曲变形和振动；与此同时，电极丝的张力处于无控制或开环控制状态，使得电极丝张力容易发生较大的波动，从而降低加工效率和加工精度。
为了克服传统电火花线切割电极丝张力难以控制的问题，设计智能PID控制器来控制电极丝的张力。现有技术《基于智能PID算法的WEDM电极丝恒张力控制》中采用模拟退火与PID结合的智能控制实现压力控制，但此种智能控制算法全局搜索能力差，容易受参数的影响，不能保证一次就收敛到最优值，一般需要多次尝试才能获得，大部分情况下还是会陷入局部最优值。
发明内容
为了解决现有技术中电极丝张力智能PID控制中存在的全局搜索能力差、容易受参数影响等的问题，本发明的目的在于，提出一种基于生物启发法优化PID的WEDM电极丝张力控制方法，通过改进的PID算法，得到一组最优的PID控制参数，从而能更好的实现对张力的实时在线控制，可达到调整时间短、稳态精度高、稳态误差小、超调量小等优点。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于生物启发法优化PID的WEDM电极丝张力控制方法，包括以下步骤：
步骤1：根据慢速走丝电火花线切割的走丝系统中双电机速度差控制电极丝张力的传递函数，通过仿真计算过程的阶跃响应曲线，采用ZN工程整定法求得该PID控制器初始参数，包括Kp0、Ki0、Kd0；
步骤2：采用生物启发法优化PID控制器参数：KP、KI和KD：
将PID控制器参数作为该生物启发法中解S的参数，通过生物启发法优化PID控制器参数，通过如下步骤实现：
步骤2.1、设置该生物启发法参数，并生成初始种群：其中生物启发法参数包括：设置种群大小p、迭代最大次数N，将步骤1中的PID初始参数设置为初始解S0、设置最优解Sbest、最差解Sworst；
J(Si)＝μ·ITAEi+Mi
步骤2.2：设置如下式的目标函数：Mi＝e3Essi+(1-e3)(tsi-tri)，其中e为实际张力
与期望张力的误差；J(Si)为第i次迭代解Si对应的目标函数，tsmi为第i次迭代系统的仿真持续时间，μ为常数，取值为45；Essi为第i次迭代系统在单位阶跃响应下的稳态误差，tsi为第i次迭代系统在单位阶跃响应下的调节时间，tri为第i次迭代系统在单位阶跃响应下的上升时间；
步骤2.3：利用Si＝Si-1+rand(Sbest-Si-1)公式(1)生成新解Si，应用公式(2)对生成的新解Si进行检测；
如果解Si对应的f小于设定的阈值，则被分配给W子群中，被分配到W子群后，利用公式(1)重新生成新解，若经过f对生成的新解进行检测后仍不满足条件，则从W子群中排出；
如果解Si对应的f大于等于设定的阈值，则该解被分配给B子群中作为备选解；被分配到B中的备选解的质量若低于B中的最差解Sworst对应的f值，则该解被排出，若高于B中的最差解Sworst对应的f值，则最差解Sworst被排出，当前解作为最差解Sworst，最后排列B中的所有解，在所有解中找到当前迭代中对应的f值最大的解作为最新解Sbest，更新最优解Sbest，合并B、W，更新公式(2)；
步骤2.4，不断重复步骤2.2-2.3，直到满足达到最大迭代次数终止操作，将结果输出给PID控制器；
步骤3：利用优化后的PID控制器参数，通过执行结构双电机转速差来实现对走丝系统中电极丝张力的恒定控制。
进一步地，在利用基于生物启发法优化PID实现对WEDM电极丝张力控制之前，采用张力传感器测量电极丝张力，采用BP神经网络，根据电极丝恒张力控制系统中的对张力控制影响的参数和当前时刻的张力值，预测下一时刻的张力值，判断预测的张力值与实际张力值误差是否小于设定的阈值，若小于，则采用基于生物启发法优化PID实现对WEDM电极丝张力控制，否则，进行警报提示。
本发明采用改进的生物启发法来实现对PID参数的优化，减少了PID控制参数调节的繁复工作，提高了对张力控制的效果和系统安全性，解决了全局搜索能力差、容易受参数影响等问题，同时生物启发法中的目标函数既考虑到系统中的误差绝对值，也考虑阶跃响应中的系统性能，从而得到的最优PID控制参数可使系统的超调量、稳态误差更小，调节时间更短，上升时间快。
附图说明
图1是慢速走丝电火花切割走丝系统结构图；
图2是基于生物启发法PID优化的WEDM电极丝张力控制方法的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
慢速走丝电火花线切割的走丝系统绝大部分如图1所示，主要包括：丝筒、导轮、上丝嘴、下丝嘴、压力轮和旋转电机。丝筒完成放丝工序，丝筒最大储存电极丝的长度一般为400～500m；电极丝是半径为0.25mm的铜丝，在旋转电机的带动下，离开丝筒、穿过导轮、被牵引至废料仓，其运转线速度一般为0.2m/s；上丝嘴和下丝嘴保证电极丝与机床XY平面的垂直度，中间导轮完成电极丝的导向功能。
图2为基于生物启发法PID优化的WEDM电极丝张力控制方法的控制原理图，采用改进的生物启发法来实现对PID参数的优化，具体，一种基于生物启发法优化PID的WEDM电极丝张力控制方法包括以下步骤：
步骤1：根据慢速走丝电火花线切割的走丝系统中双电机速度差控制电极丝张力的传递函数，通过仿真计算过程的阶跃响应曲线，采用ZN工程整定法求得PID控制器初始参数，包括Kp0、Ki0、Kd0；
步骤2：采用生物启发法优化PID控制器参数：KP、KI和KD：
将PID控制器参数作为该生物启发法中解S的参数，通过生物启发法优化PID控制器参数，通过如下步骤实现：
步骤2.1、设置该生物启发法参数，并生成初始种群：其中生物启发法参数包括：设置种群大小p、迭代最大次数N、参数α，将步骤1中的PID初始参数设置为初始解S0、设置最优解Sbest、最差解Sworst；
J(Si)＝μ·ITAEi+Mi
步骤2.2：设置如下式的目标函数：Mi＝e3Essi+(1-e3)(tsi-tri)，其中e为实际张力
与期望张力的误差；J(Si)为第i次迭代解Si对应的目标函数，tsmi为第i次迭代系统的仿真持续时间，μ为常数，取值为45；Essi为第i次迭代系统在单位阶跃响应下的稳态误差，tsi为第i次迭代系统在单位阶跃响应下的调节时间，tri为第i次迭代系统在单位阶跃响应下的上升时间；
步骤2.3：利用Si＝Si-1+rand(Sbest-Si-1)公式(1)生成新解Si，应用公式(2)对生成的新解Si进行检测；
如果解Si对应的f小于设定的阈值，则被分配给W子群中，被分配到W子群后，利用公式(1)重新生成新解，若经过f对生成的新解进行检测后仍不满足条件，则从W子群中排出；
如果解Si对应的f大于等于设定的阈值，则该解被分配给B子群中作为备选解；被分配到B中的备选解的质量若低于B中的最差解Sworst对应的f值，则该解被排出，若高于B中的最差解Sworst对应的f值，则最差解Sworst被排出，当前解作为最差解Sworst，最后排列B中的所有解，在所有解中找到当前迭代中对应的f值最大的解作为最新解Sbest，更新最优解Sbest，合并B与W，更新公式(2)；
步骤2.4，不断重复步骤2.2-2.3，直到满足达到最大迭代次数终止操作，将结果输出给PID控制器；
步骤3：利用优化后的PID控制器参数，通过执行结构双电机转速差来实现对走丝系统中电极丝张力的恒定控制。
在利用基于生物启发法优化PID实现对WEDM电极丝张力控制之前，采用张力传感器测量电极丝张力作为反馈信号，同时为了更加保证系统的安全性，采用BP神经网络，根据电极丝恒张力控制系统中的对张力控制影响的参数和当前时刻的张力值，预测下一时刻的张力值，判断预测的张力值与实际张力值误差是否小于设定的阈值，若小于，则采用基于生物启发法优化PID实现对WEDM电极丝张力控制，否则，进行警报提示。
本发明采用改进的生物启发法来实现对PID参数的优化，减少了PID控制参数调节的繁复工作，提高了对张力控制的效果和系统安全性，解决了全局搜索能力差、容易受参数影响等问题，同时生物启发法中的目标函数既考虑到系统中的误差绝对值，也考虑阶跃响应中的系统性能，从而得到的最优PID控制参数可使系统的超调量、稳态误差更小，调节时间更短，上升时间快。
Claims (2)
1.一种基于生物启发法优化PID的WEDM电极丝张力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据慢速走丝电火花线切割的走丝系统中双电机速度差控制电极丝张力的传递函数，通过仿真计算过程的阶跃响应曲线，采用ZN工程整定法求得该PID控制器初始参数，包括Kp0、Ki0、Kd0；
步骤2：采用生物启发法优化PID控制器参数：KP、KI和KD：
将PID控制器参数作为该生物启发法中解S的参数，通过生物启发法优化PID控制器参数，通过如下步骤实现：
步骤2.1、设置该生物启发法参数，并生成初始种群：其中生物启发法参数包括：设置种群大小p、迭代最大次数N，将步骤1中的PID初始参数设置为初始解S0、设置最优解Sbest、最差解Sworst；
步骤2.2：设置如下式的目标函数：其中e为实际张力与期望张力的误差；J(Si)为第i次迭代解Si对应的目标函数，tsmi为第i次迭代系统的仿真持续时间，μ为常数，取值为45；Essi为第i次迭代系统在单位阶跃响应下的稳态误差，tsi为第i次迭代系统在单位阶跃响应下的调节时间，tri为第i次迭代系统在单位阶跃响应下的上升时间；
步骤2.3：利用Si＝Si-1+rand(Sbest-Si-1)公式(1)生成新解Si，应用公式(2)对生成的新解Si进行检测；
如果解Si对应的f小于设定的阈值，则被分配给W子群中，被分配到W子群后，利用公式(1)重新生成新解，若经过f对生成的新解进行检测后仍不满足条件，则从W子群中排出；
如果解Si对应的f大于等于设定的阈值，则该解被分配给B子群中作为备选解；被分配到B中的备选解的质量若低于B中的最差解Sworst对应的f值，则该解被排出，若高于B中的最差解Sworst对应的f值，则最差解Sworst被排出，当前解作为最差解Sworst，最后排列B中的所有解，在所有解中找到当前迭代中对应的f值最大的解作为最新解Sbest，更新最优解Sbest，合并B、W，更新公式(2)；
步骤2.4，不断重复步骤2.2-2.3，直到满足达到最大迭代次数终止操作，将结果输出给PID控制器；
步骤3：利用优化后的PID控制器参数，通过执行结构双电机转速差来实现对走丝系统中电极丝张力的恒定控制。
2.根据权利要求1所述的WEDM电极丝张力控制方法，其特征在于，在利用基于生物启发法优化PID实现对WEDM电极丝张力控制之前，采用张力传感器测量电极丝张力，采用BP神经网络，根据电极丝恒张力控制系统中的对张力控制影响的参数和当前时刻的张力值，预测下一时刻的张力值，判断预测的张力值与实际张力值误差是否小于设定的阈值，若小于，则采用基于生物启发法优化PID实现对WEDM电极丝张力控制，否则，进行警报提示。
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