CN110255247A - 一种渔网机自适应张力控制机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种渔网机自适应张力控制机构,包括摆杆伺服电机、收卷摆杆、摆杆滚动轮、收卷辊、收卷伺服电机、第一伺服驱动器、PLC控制器和第二伺服驱动器,经线经过所述摆杆滚动轮后,由收卷辊进行收卷并拉紧经线,PLC控制器与第一伺服驱动器和第二伺服驱动器连接,PLC控制器基于遗传算法的PID控制策略,以收卷摆杆的位置脉冲偏差为输入,以收卷辊的收卷转速增量为输出,通过遗传算法实现PID参数在线整定,PLC控制器根据收卷转速增量和收卷基准转速控制收卷伺服电机的转速。本发明解决了传统PID控制器无法实现参数在线自整定问题,提高张力控制的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域,尤其涉及一种渔网机自适应张力控制机构。
背景技术
在渔网的生产过程中,网片质量很大程度上受到张力大小以及稳定性的影响。若收卷的张力过小,渔网本身会产生松弛,其形状、打结质量等都会受到影响。若收卷张力过大会改变材料的分子结构,从而对经线的表面性能以及强力产生影响,甚至直接导致经线拉断。
张力控制系统是工业控制中比较常见的控制系统,在张力控制系统中,PID参数整定成为了系统性能的一个主要影响因素。现有技术中的张力控制系统一般采用自整定模糊PID控制方法,但模糊PID控制中在模糊量化过程中有可能带来死区问题,且在实际运用过程中,控制量的分档较粗,且分档越精细计算量越大,对于具有时变性、非线性等特点的张力控制系统来说其控制性能较差。
发明内容
针对现有技术中存在不足,本发明提供了一种渔网机自适应张力控制机构,解决传统PID控制器无法实现参数在线自整定问题,提高张力控制的稳定性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种渔网机自适应张力控制机构,包括摆杆伺服电机、收卷摆杆、摆杆滚动轮、收卷辊、收卷伺服电机、第一伺服驱动器、PLC控制器和第二伺服驱动器;
所述收卷摆杆的一端与所述摆杆伺服电机连接,所述收卷摆杆的另一端设有摆杆滚动轮,所述第二伺服驱动器与所述摆杆伺服电机连接,所述收卷伺服电机与所述收卷辊连接,所述第一伺服驱动器与所述收卷伺服电机连接;
经线经过所述摆杆滚动轮后,由所述收卷辊进行收卷并拉紧经线;
所述PLC控制器与所述第一伺服驱动器和所述第二伺服驱动器连接;所述第一伺服驱动器将所述收卷摆杆的位置脉冲传递给所述PLC控制器,所述收卷辊的收卷转速信号传递给所述PLC控制器,所述PLC控制器基于遗传算法的PID控制策略,以所述收卷摆杆的位置脉冲偏差为输入,以所述收卷辊的收卷转速增量为输出,通过遗传算法实现PID参数在线整定,所述PLC控制器根据收卷转速增量和收卷基准转速控制所述收卷伺服电机的转速,实现张力稳定控制。
优选地,还包括主轴和若干惰轮,所述经线由所述主轴卷入,经惰轮转向后经过所述收卷摆杆的转动轮,经线与所述主轴无相对滑动且所述主轴转速保持不变,所述收卷摆杆与所述收卷辊之间设有若干用于转向的惰轮。
优选地,所述遗传算法的PID控制策略中的目标函数为:
其中,e(t)为系统误差,u(t)为系统输出,ts为系统调整时间,w1,w2,w3为权值。
优选地,所述遗传算法的PID控制策略中通过“轮盘赌选择算子”来进行选择操作。
优选地,所述遗传算法的PID控制策略中的交叉概率为
其中,fmax为种群最大适应度,f为交叉的两个个体中较大的适应度,favg为种群平均适应度,fr为交叉概率的变化率,pc1为交叉概率初始值。
本发明的有益效果:
1)本发明的PLC控制器基于遗传算法的PID控制策略,以收卷摆杆的位置脉冲偏差为输入,将摆杆伺服电机位置脉冲反馈与张力设定值对应的平衡位置脉冲进行比较,经PID计算得到收卷转速控制增量作为输出,通过遗传算法实现PID参数在线整定,PLC控制器根据收卷转速增量和收卷基准转速控制收卷伺服电机的实时转速,实现张力稳定控制。
2)本发明的PLC控制器采用遗传算法PID控制策略,对目标函数通过添加控制量平方项来对其进行改进,避免控制量出现过大的情况;通过改进交叉概率,实现交叉概率的在线自调整,避免个体交叉概率为零的情况,提高了系统局部搜索能力与算法的收敛速度,有效提高了张力控制系统的抗干扰性与稳定性。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种渔网机自适应张力控制机构的示意图。
图2为根据本发明实施例的遗传算法的PID控制结构与原理示意图。
附图标记:
摆杆伺服电机1、收卷摆杆;2、摆杆转动轮;3、惰轮;4、收卷辊;5、收卷伺服电机;6、伺服驱动器;7、PLC控制器;8、伺服驱动器;9、主轴;10、经线11。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种渔网机自适应张力控制机构,包括摆杆伺服电机1、收卷摆杆2、摆杆滚动轮3、收卷辊5、收卷伺服电机6、第一伺服驱动器7、PLC控制器8、第二伺服驱动器9、主轴10和若干惰轮4。
所述收卷摆杆2的一端与所述摆杆伺服电机1连接,所述收卷摆杆2的另一端设有转动轮,所述第二伺服驱动器9与所述摆杆伺服电机1连接,所述收卷伺服电机6与所述收卷辊5连接,所述第一伺服驱动器7与所述收卷伺服电机6连接。
经线11由所述主轴10卷入,经线11与所述主轴10无相对滑动且所述主轴10转速保持不变,经线11经惰轮4转向后经过所述收卷摆杆2的转动轮,再经由多个惰轮4进行转向至收卷辊5,所述收卷伺服电机6的转矩方向与经线11的缠绕方向一致,由收卷电机伺服6驱动所述收卷辊5进行收卷并拉紧经线。
所述PLC控制器8与所述第一伺服驱动器7和所述第二伺服驱动器9连接;所述第一伺服驱动器7将所述收卷摆杆2的位置脉冲传递给所述PLC控制器8,所述收卷辊5的收卷转速信号传递给所述PLC控制器8,PLC控制器8根据张力的设定值得到收卷摆杆2平衡位置对应的脉冲数,收卷摆杆2在张力产生波动后围绕平衡位置上下浮动,所述PLC控制器8基于遗传算法的PID控制策略,以所述收卷摆杆2的实时位置脉冲反馈为输入,将摆杆伺服电机1的位置脉冲反馈与张力设定值对应的平衡位置脉冲进行比较,经PID控制器8计算得到收卷辊5的收卷转速控制增量作为输出,然后PLC控制器8控制所述收卷伺服电机6的转速,实现张力稳定控制。
收卷伺服电机6的转速包括两部分:收卷转速增量和收卷基准转速,收卷基准转速与卷绕半径的变化有关,将初始半径以及恒定线速度写入PLC控制器8中,PLC控制器8的计算模块根据预先写好的卷绕半径与时间的关系函数得到实时卷绕半径以及收卷基准转速。
本发明中收卷摆杆2在收卷伺服电机6的转矩与经线11的拉力作用下平衡,当张力产生波动,收卷摆杆2在平衡位置上下浮动,位置脉冲可实时反馈给PLC控制器8,其反应及时,灵敏度高,PLC控制器8以摆杆伺服电机1的实时位置脉冲反馈来控制收卷伺服电机6的实时转速,因此,本发明解决了传统PID控制器无法实现参数在线自整定问题,提高张力控制系统的抗干扰性与稳定性。
本发明中的遗传算法PID参数优化具体过程为:
1)确定目标函数
对目标函数添加控制量平方项来对其进行改进,以避免控制量出现过大的情况,改进的目标函数公式如下所示:
其中,e(t)为系统误差,u(t)为系统输出,ts为系统调整时间,w1,w2,w3为权值。
控制超调,当系统出现超调,则超调量看成最优指标中的某一成员,ifey(t)<0则:
其中,w4为权值,且w4>>w1,ey(t)=y(t)-y(t-1),y(t)为被控对象输出。
2)编码以及初始化群体
对PID控制器的参数Kp,Ki,Kd的优化涉及到了初始值选取,利用3个10位二进制编码串获得PID控制器参数Kp,Ki,Kd,10位二进制编码能够得到1024个数,即0~1023,因此便可以将Kp,Ki,Kd分为1023个不同的区域。其中,Kp的离散区域为0~10,该离散区域代表二进制编码0000000000~1111111111,最后将Kp,Ki,Kd各自相应的二进制编码串连起来组成30位二进制编码,通过该编码来建立遗传算法的搜索空间与解空间对应关系。若X:000011010011001010110010110010为某一组编码表示了某个个体基因,前10个编码对应Kp,中间10个编码对应Ki,最后10个编码对应Kd。样本的个数确定为size=30,即从上述区域中随机取出的30个制数作为初始群体Pi(t)(i=1,2...n)。
3)个体目标函数值与适应度
个体的目标函数值Fij第i代群体的第j个个体,j=1,2...ki,取目标函数值的倒数1/Fij作为个体的适应度,个体适应度较高,则目标函数值反而偏小,个体的存活概率增大。
4)选择操作
本发明通过“轮盘赌选择算子”来进行选择操作。M为种群大小,个体的适应度为Fi(i=1,2...M),个体从上一代到下一代的遗传几率为Pi。
其中Fi是第i个体的适应度值,通过计算,可以得到累积概率qi为:
其中qi为染色体累积概率。
5)交叉操作
交叉操作为遗传算法的核心,在算法运行过程中,若交叉概率偏大会使得适应度较高的个体的结构受到破坏,若交叉概率偏低会导致算法缓慢甚至停止。而传统遗传算法的交叉概率为固定值,其效率低下,无法实现交叉概率随着代数的增加来进行自适应的非线性调节,以提高系统局部搜索能力与算法的收敛速度。因此,本发明提出对交叉概率进行改进,使种群在迭代的不断进行过程中,降低交叉概率与规模,以保护优良个体,提高适应度较高个体的比重,以加快算法的收敛速度,改进公式如下所示:
式中,fmax为种群最大适应度,f为交叉的两个个体中较大的适应度,favg为种群平均适应度,fr为交叉概率的变化率,pc1为交叉概率初始值。
6)变异操作
变异操作通过单个个体的编码片段改写也能引进新个体。变异操作随机,通过对比随机数与变异概率大小来决定变异操作。变异概率一般低于0.1,虽然相对较小,但改善了局部搜索能力。
7)判断
判断终止条件,若终止条件符合要求则输出优化的解,并结束算法,若终止条件不符合则重复算法,本发明中若进化完成100代则终止并输出最优解。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种渔网机自适应张力控制机构,其特征在于,包括摆杆伺服电机(1)、收卷摆杆(2)、摆杆滚动轮(3)、收卷辊(5)、收卷伺服电机(6)、第一伺服驱动器(7)、PLC控制器(8)和第二伺服驱动器(9);
所述收卷摆杆(2)的一端与所述摆杆伺服电机(1)连接,所述收卷摆杆(2)的另一端设有摆杆滚动轮(3),所述第二伺服驱动器(9)与所述摆杆伺服电机(1)连接,所述收卷伺服电机(6)与所述收卷辊(5)连接,所述第一伺服驱动器(7)与所述收卷伺服电机(6)连接;
经线(11)经过所述摆杆滚动轮(3)后,由所述收卷辊(5)进行收卷并拉紧经线(11);
所述PLC控制器(8)与所述第一伺服驱动器(7)和所述第二伺服驱动器(9)连接;所述第一伺服驱动器(7)将所述收卷摆杆(2)的位置脉冲传递给所述PLC控制器(8),所述收卷辊(5)的收卷转速信号传递给所述PLC控制器(8),所述PLC控制器(8)基于遗传算法的PID控制策略,以所述收卷摆杆(2)的位置脉冲偏差为输入,以所述收卷辊(5)的收卷转速增量为输出,通过遗传算法实现PID参数在线整定,所述PLC控制器(8)根据收卷转速增量和收卷基准转速控制所述收卷伺服电机(6)的转速,实现张力稳定控制。
2.根据权利要求1所述的渔网机自适应张力控制机构,其特征在于,还包括主轴(10)和若干惰轮(4),所述经线(11)由所述主轴(10)卷入,经惰轮(4)转向后经过所述收卷摆杆(2)的转动轮,经线(11)与所述主轴(10)无相对滑动且所述主轴(10)转速保持不变,所述收卷摆杆(2)与所述收卷辊(5)之间设有若干用于转向的惰轮(4)。
3.根据权利要求1所述的渔网机自适应张力控制机构,其特征在于,所述遗传算法的PID控制策略中的目标函数为:
其中,e(t)为系统误差,u(t)为系统输出,ts为系统调整时间,w1,w2,w3为权值。
4.根据权利要求1所述的渔网机自适应张力控制机构,其特征在于,所述遗传算法的PID控制策略中通过“轮盘赌选择算子”来进行选择操作。
5.根据权利要求1所述的渔网机自适应张力控制机构,其特征在于,所述遗传算法的PID控制策略中的交叉概率为
其中,fmax为种群最大适应度,f为交叉的两个个体中较大的适应度,favg为种群平均适应度,fr为交叉概率的变化率,pc1为交叉概率初始值。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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