CN111377286A - 一种基于双预测pi的薄膜转绕系统张力控制方法 - Google Patents

一种基于双预测pi的薄膜转绕系统张力控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双预测PI的薄膜转绕系统张力控制方法，涉及薄膜制造行业的工业控制领域，其实质是控制张力稳定来保证薄膜的生产质量，其针对薄膜转绕张力系统存在的积分加纯滞后的特点，使用双预测PI控制算法的I部分消除系统的积分特性，使用双预测PI算法的预测部分来消除滞后特性，内环采用预测PI控制器将积分加纯滞后对象转换成为常见的一阶惯性加纯滞后对象，外环采用预测PI控制对包括内环控制器在内的广义对象进行控制，提高了对薄膜转绕张力系统的张力的实时控制，能稳定的保持输出跟随输入变化；根据薄膜转绕张力系统的滞后时间来计算双预测PI控制算法中的控制参数，根据控制效果来调节控制器的时间常数T，根据增加干扰来确定双预测PI控制算法的抗稳定能力。

Description

一种基于双预测PI的薄膜转绕系统张力控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于双预测PI的薄膜转绕系统张力控制方法，属于工业控制领域。
背景技术
在工业生产现场中，卷绕张力控制一直是冶金、纺织、造纸等行业中研究的重点。随着科学技术的提高，围绕卷绕张力的研究不断展开和深入。研究表明，良好的卷绕控制系统在高精度制造行业中，起着决定性的作用，直接决定了产品的优劣性。在印刷生产过程中，张立波动影响产品的产出速度以及产出质量甚至会影响设备的使用周期和使用寿命，生产过程中，张力的大小会影响纸张，薄膜等的均匀度，甚至产生裂痕。在纺织行业的织造过程中，织品的张力松弛或张紧会直接影响到致密性，且当织品张力小于工艺值时，会使织口的位置发生变化，严重的可能造成停车；织品张力产生的周期性变化，会引起织品抖动，使得纱线出现解体、断头等情况。在切割加工页，当切割张力过小时，会出现切割线松弛，轻则使切片加工精度降低造成资源浪费，重则无法通过其带动磨料完成对工件的切割，当张力过大时，会使切割线发生形变，从而改变工件之间的平行性和厚度。为此，研究并制造高精度的卷绕张力控制系统，将先进控制技术应用其中不但能解决流程工业中遇到的实际问题，提高整个薄膜转绕张力系统的控制性能，同时对提高国产设备控制精度也显得格外重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是薄膜转绕张力系统中存在的积分加滞后，抗干扰能力差以及稳定性差等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于双预测PI的薄膜转绕系统张力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立PLC与S120驱动系统通讯，使用PLC控制S120驱动电机操作，用STEP7来搭建薄膜转绕张力系统项目，设计双预测PI控制器对张力进行控制，通过仿真和实际效果确定控制器参数。具体流程如下：
步骤S1，系统搭建过程；
步骤S1.1，组态配置；
首先在新创建的SIMATIC T station工作站中进行硬件配置，添加PLC辅助模块(数字和模拟模块)，为PN-IO槽位添加一条工业以太网总线，并设置地址为PLC的地址，然后将S120挂在工业以太网总线上，并设置地址；在DP(DRIVE)添加IM174，用于将速度设定值通过模拟量通道输出给驱动和接收编码器返回的实际速度给PLC；
步骤S1.2，主程序编写；
完成步骤S1.1之后，在OB1程序功能块中用LAD语言与梯形图结合来实现控制逻辑，然后添加变量表添加变量读取张力值，修改变量值，对电机使能操作。
步骤S1.3，配置外部编码器；
完成步骤S1.2之后，为项目添加外部编码器，并修改参数为旋转编码器，分辨率为1024，周长为0.157米，接IM174的四号接口。然后创建DB1，在主程序中增加编码器的FB功能块，对其使能，在DB1中最后两个参数变量分别表示实际位置和实际速度。
步骤S2，控制算法设计；
步骤S2.1，根据薄膜转绕张力系统积分加滞后特性，设计两个预测PI控制器对其进行控制；
步骤S2.2，使用一个标称对象模型积分加滞后模型作为被控对象，根据输出跟随输入的特点，由闭环传递函数确定两个拥有待整定参数的控制器，一个内环控制器和一个外环控制器；
步骤S2.3，利用步骤S2.2得到的控制器传递函数，分别将内外环控制器的传递函数转换成输入输出关系形式，其中包含了一项PI控制器的结构，用于消除积分效果，一项带有预测功能的控制器结构，用于消除滞后；
步骤S3，算法离散化；
步骤S3.1，将步骤S2得到的控制器输入输出形式，利用差分变换法得到K时刻的离散化后的输入输出关系；
步骤S3.2，将步骤S3.1得到关系式求出K+1时刻和K时刻之间的输出值的差值函数；
步骤S3.3，将步骤S3.2得到的差值函数使用SCL语言编写成一个函数模块；
步骤S3.4，将步骤S3.3得到函数模块，在STEP7中将此函数模块导入到项目中，然后在主程序中使用此函数模块作为系统的控制策略，得到反馈回来的控制效果；
步骤S3.5，将步骤S3.4得到的控制效果，由PLC将控制效果传输给IM174，再转换成相应的速度值和张力值；
步骤S3.6，将步骤S3.5得到的速度值和张力值输出到S120，转换成电信号，再驱动伺服电机快速控制张力设备达到指定的速度和张力；
步骤S4，控制参数的确定；
步骤S4.1，首先对薄膜转绕张力系统进行系统建模，PLC系统控制收放切割线机构的旋转速度，使收放两次存在速度差，从而导致切割线产生相对位移发生弹性形变产生张力，因此根据收放线机构的收放速度与张力关系建立系统模型；
步骤S4.2，根据步骤S4.1得到的模型，给定一个张力值，PLC与S120驱动控制系统通讯，将张力值转换成速度值，再通过驱动伺服电机驱动收放线机构操作，形成速度差，改变张力值；
步骤S4.3，由张力测量机构得到步骤S4.2的张力变化情况；
步骤S4.4，由步骤S4.3的张力变化情况，画出张力变化曲线，从曲线中计算出系统的滞后时间，经过滞后之后，系统显示具有明显的积分特性，根据阶跃响应数据，计算出被控对象的额定参数K，至此，被控对象已经明确；
步骤S4.5，由步骤S4.4得到的被控对象，在sinlink平台搭建一个以上述被控对象为目标的控制对象，采用双预测PI控制器进行控制，进行仿真；
步骤S4.6，由步骤S4.5得到的仿真结果，根据仿真结果调节控制器参数，得到完整控制器结构；
步骤S4.7，由步骤S4.6得到的控制器，修改双预测PI控制器离散化之后写入STEP7的控制器模块的参数；
步骤S4.8，由步骤S4.7得到的SCL模块，重新编译，下载PLC系统中，再给定一个张力值，得到张力变化曲线，根据张力变化曲线调节控制器参数，得到最佳的参数值，确定一个最佳控制器结构；
本发明具有良好的跟踪性能，抗干扰能力以及鲁棒稳定性能。经少许扩展可悲广泛用到抗干扰能力差，鲁棒性差，拥有积分特性的系统中，能够表现非常良好的效果。
附图说明
图1为本实施例中提供的薄膜转绕张力系统的硬件配置图；
图2为本实施例中提供的薄膜转绕张力系统的网络通讯图；
图3为本实施例中提供的薄膜转绕张力系统的控制结构图；
图4为本实施例中提供的薄膜转绕张力系统的系统结构图；
其中、系统各部分说明如下：
Figure BDA0002393070200000041
图5为本实施例中提供的薄膜转绕张力系统的张力控制结构图；
图6为本实施例中提供的薄膜转绕张力系统的张力变化曲线图；
图7为本实施例中提供的薄膜转绕张力系统在Simulink中仿真图搭建示意图；
图8为本实施例中提供的薄膜转绕张力系统仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种考虑多种不确定因素的转绕张力系统的数学模型，为提高张力控制精度和温度提供一种新型的控制方法。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于双预测PI的薄膜转绕系统张力控制方法包括以下步骤：
步骤S1，系统搭建过程；
步骤S1.1，组态配置；
首先在新创建的SIMATIC T station工作站中进行硬件配置，添加PLC辅助模块(数字和模拟模块)，为PN-IO槽位添加一条工业以太网总线，并设置地址为PLC的地址，然后将S120挂在工业以太网总线上，并设置地址；在DP(DRIVE)添加IM174，用于将速度设定值通过模拟量通道输出给驱动和接收编码器返回的实际速度给PLC，配置后效果图如图1所示；然后建立网络拓扑结构，整个系统由PLC控制，由PLC控制S120驱动电机，通过IM174转换数模信号，使用PG/PC配置PLC和S120通讯，系统网络通讯图如图2所示。
步骤S1.2，主程序编写；
完成步骤S1.1之后，在OB1程序功能块中用LAD语言，SCL语言与梯形图结合来实现控制逻辑，然后添加变量表添加变量读取张力值，修改变量值，对电机使能操作。
步骤S1.3，配置外部编码器；
完成步骤S1.2之后，为项目添加外部编码器，并修改参数为旋转编码器，分辨率为1024，周长为0.157米，接IM174的四号接口。然后创建DB1，在主程序中增加编码器的FB功能块，对其使能，在DB1中最后两个参数变量分别表示实际位置和实际速度。
步骤S2，控制算法设计；
步骤S2.1，根据薄膜转绕张力系统积分加滞后特性，设计两个预测PI控制器对其进行控制；
步骤S2.2，使用一个标称对象模型积分加滞后模型
Figure BDA0002393070200000061
作为被控对象，其中L为滞后时间常数，K为比例系数；
步骤S2.3内环控制器设计，针对步骤S2.2的被控对象，系统所期望的系统闭环传递函数可设为
Figure BDA0002393070200000062
λ1为可调参数，根据上述两式可以得到内环控制器的传递函数
Figure BDA0002393070200000063
转换成输入输出关系形式：
Figure BDA0002393070200000064
其中
Figure BDA0002393070200000065
具有比例控制器的结构形式，
Figure BDA0002393070200000066
表示在t时刻系统的输出是基于在时间区间(t-L,t)的控制作用。单个预测PI控制器虽然具有良好的闭环响应性能和鲁棒稳定性能，但抗干扰能力不强，设定值和过程输出存在静态余差。
步骤S2.4因此为了解决步骤S2.3的问题，进一步优化，添加一个外环控制器设计，将被控对象和内环控制器作为一个整体看作被控对象。
步骤S2.5外环控制器设计，针对步骤S2.4的被控对象，系统所期望的系统闭环传递函数可设为
Figure BDA0002393070200000067
λ2为可调参数，根据上述两式可以得到内环控制器的传递函数为
Figure BDA0002393070200000068
转换成输入输出关系形式：
Figure BDA0002393070200000071
外环控制器提高了系统的抗干扰能力并消除了静态余差。整个系统控制结构如图3所示。
步骤S3，算法离散化；
步骤S3.1，将步骤S2得到的控制器输入输出形式，利用差分变换法得到K时刻的离散化后的输入输出关系
Figure BDA0002393070200000072
Figure BDA0002393070200000073
步骤S3.2，将步骤S3.1得到关系式求出K+1时刻和K时刻之间的输出值的差值函数
Figure BDA0002393070200000074
Figure BDA0002393070200000075
从图3可得
e1(k)＝u2(k)-y(k)
上式表示内环控制器输入与外环控制器输出之间的关系。
步骤S3.3，将步骤S3.2得到的差值函数使用SCL语言编写成一个函数模块；
步骤S3.4，将步骤S3.3得到函数模块，在STEP7中将此函数模块导入到项目中，然后在主程序中使用此函数模块作为系统的控制策略，得到反馈回来的控制效果；
步骤S3.5，将步骤S3.4得到的控制效果，由PLC将控制效果传输给IM174，再转换成相应的速度值和张力值；
步骤S3.6，将步骤S3.5得到的速度值和张力值输出到S120，转换成电信号，再驱动伺服电机快速控制张力设备达到指定的速度和张力；
步骤S4，控制参数的确定；
步骤S4.1，首先根据薄膜转绕张力系统结构进行系统建模，PLC系统控制收放切割线机构的旋转速度，使收放两次存在速度差，从而导致切割线产生相对位移发生弹性形变产生张力，因此根据收放线机构的收放速度与张力关系建立系统模型，如图4和图5所示。
步骤S4.2，根据步骤S4.1得到的模型，不使用任何控制策略，给定一个张力值，PLC与S120驱动控制系统通讯，将张力值转换成速度值，再通过驱动伺服电机驱动收放线机构操作，形成速度差，改变张力值；
步骤S4.3，由张力测量机构得到步骤S4.2的张力变化情况，张力阶跃响应曲线图如图6所示，显示为大滞后的积分系统，根据阶跃响应数据，计算出被控对象的滞后时间尝试L和比例系数K，至此，被控对象已经明确；
步骤S4.4，由步骤S4.3得到的被控对象，在sinlink平台搭建一个以上述被控对象为目标的控制对象，采用双预测PI控制器进行控制，将控制器的预测时间设为被控对象的滞后时间L，内环控制器比例系数设为被控对象的比例系数，根据经验设定λ1和λ2的值，进行仿真，仿真示意图如图7所示；
步骤S4.5，由步骤S4.4得到的仿真结果，如图8所示，根据仿真结果调节控制器参数λ1和λ2的值，得到完整控制器结构；
步骤S4.6，由步骤S4.5得到的控制器，重新修改双预测PI控制器离散化之后λ1和λ2参数，重新用SCL语言封装成模块，导入到STEP7的项目中；
步骤S4.7，由步骤S4.6得到的SCL模块，重新编译，下载PLC系统中，再给定一个张力值，得到张力变化曲线，根据张力变化曲线调节控制器参数，得到最佳的参数值，确定一个最佳控制器结构；
本发明方法提出了一种针对转绕张力系统的控制方法，从控制效果来看，张力变化非常稳定，因此，该方法具有良好的跟踪性能，抗干扰能力以及鲁棒稳定性能。经少许扩展可悲广泛用到抗干扰能力差，鲁棒性差，拥有积分特性的系统中，能够表现非常良好的效果。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于双预测PI的薄膜转绕系统张力控制方法，其特征在于，该薄膜转绕系统张力控制方法采用双预测PI算法来对整个薄膜转绕系统的张力进行控制，包括系统搭建，控制算法设计，算法离散化，控制器参数确定，具体步骤如下：步骤S1，系统搭建，包括以下步骤：
步骤S1.1，组态配置；
首先在新创建的SIMATIC T station工作站中进行硬件配置，添加PLC辅助模块为PN-IO槽位添加一条工业以太网总线，并设置地址为PLC的地址，然后将S120挂在工业以太网总线上，并设置地址；在DP添加IM174，用于将速度设定值通过模拟量通道输出给驱动和接收编码器返回的实际速度给PLC；
步骤S1.2，主程序编写；
完成步骤S1.1之后，在OB1程序功能块中用LAD语言与梯形图结合来实现控制逻辑，然后添加变量表添加变量读取张力值，修改变量值，对电机使能操作；
步骤S1.3，配置外部编码器；
完成步骤S1.2之后，为项目添加外部编码器，并修改参数为旋转编码器，分辨率为1024，周长为0.157米，接IM174的四号接口，然后创建DB1，在主程序中增加编码器的FB功能块，对其使能，在DB1中最后两个参数变量分别表示实际位置和实际速度；
步骤S2，控制算法设计，包括以下步骤：
步骤S2.1，根据薄膜转绕张力系统积分加滞后特性，设计两个预测PI控制器对其进行控制；
步骤S2.2，使用一个标称对象模型积分加滞后模型作为被控对象，根据输出跟随输入的特点，由闭环传递函数确定两个拥有待整定参数的控制器，一个内环控制器和一个外环控制器；
步骤S2.3，利用步骤S2.2得到的控制器传递函数，分别将内外环控制器的传递函数转换成输入输出关系形式，其中包含了一项PI控制器的结构，用于消除积分效果，一项带有预测功能的控制器结构，用于消除滞后；
步骤S3，算法离散化，包括以下步骤：
步骤S3.1，将步骤S2得到的控制器输入输出形式，利用差分变换法得到K时刻的离散化后的输入输出关系；
步骤S3.2，将步骤S3.1得到关系式求出K+1时刻和K时刻之间的输出值的差值函数；
步骤S3.3，将步骤S3.2得到的差值函数使用SCL语言编写成一个函数模块；
步骤S3.4，将步骤S3.3得到函数模块，在STEP7中将此函数模块导入到项目中，然后在主程序中使用此函数模块作为系统的控制策略，得到反馈回来的控制效果；
步骤S3.5，将步骤S3.4得到的控制效果，由PLC将控制效果传输给IM174，再转换成相应的速度值和张力值；
步骤S3.6，将步骤S3.5得到的速度值和张力值输出到S120，转换成电信号，再驱动伺服电机快速控制张力设备达到指定的速度和张力；
步骤S4，控制参数的确定，包括以下步骤：
步骤S4.1，首先对薄膜转绕张力系统进行系统建模，PLC系统控制收放切割线机构的旋转速度，使收放两次存在速度差，从而导致切割线产生相对位移发生弹性形变产生张力，因此根据收放线机构的收放速度与张力关系建立系统模型；
步骤S4.2，根据步骤S4.1得到的模型，给定一个张力值，PLC与S120驱动控制系统通讯，将张力值转换成速度值，再通过驱动伺服电机驱动收放线机构操作，形成速度差，改变张力值；
步骤S4.3，由张力测量机构得到步骤S4.2的张力变化情况；
步骤S4.4，由步骤S4.3的张力变化情况，画出张力变化曲线，从曲线中计算出系统的滞后时间，经过滞后之后，系统显示具有明显的积分特性，根据阶跃响应数据，计算出被控对象的额定参数K，至此，被控对象已经明确；
步骤S4.5，由步骤S4.4得到的被控对象，在sinlink平台搭建一个以上述被控对象为目标的控制对象，采用双预测PI控制器进行控制，进行仿真；
步骤S4.6，由步骤S4.5得到的仿真结果，根据仿真结果调节控制器参数，得到完整控制器结构；
步骤S4.7，由步骤S4.6得到的控制器，修改双预测PI控制器离散化之后写入STEP7的控制器模块的参数；
步骤S4.8，由步骤S4.7得到的SCL模块，重新编译，下载PLC系统中，再给定一个张力值，得到张力变化曲线，根据张力变化曲线调节控制器参数，得到最佳的参数值，确定一个最佳控制器结构。
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