CN116281422B - 一种络筒机张力控制器的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机电控制技术领域，具体为涉及一种络筒机张力控制器的控制方法及系统。络筒机张力控制器的控制方法包括如下步骤：设定初始张力值，并将初始张力施加至纱线上；对初始张力值进行评价，得到关于所述初始张力值的评价情况；根据所述评价情况，对PID控制器的初始参数进行优化，并得到目标参数；将所述目标参数反馈至所述PID控制器；根据所述PID控制器的控制信号，完成所述张力控制器的控制。本发明通过改进算法优化PID参数来控制络筒机纱线张力控制器，使张力控制器在纱线张力不匀且波动的情况下能够实时地调整输出的大小，以提高张力控制器的高精度、高鲁棒性以及相应性能。

Description

一种络筒机张力控制器的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及机电控制领域，具体为涉及一种络筒机张力控制器的控制方法及系统。

背景技术

随着科学技术的发展，对机电控制技术也提出了更高的要求。在控制工程技术领域，生产控制过程中参数的选择决定着最后结果的好坏。例如在络筒机纱线卷绕过程中，纱线张力和张力波动是决定产品质量的重要因素，但是张力控制器在张力不匀且张力波动的情况下，不能够根据实际情况实时调整张力输出的大小，保证最佳张力的输出，因此需要重新设计优化PID控制参数的方法，进一步保证张力控制器的张力输出，使得张力控制器在纱线张力不匀且波动的情况下仍能够实时地调整输出的大小。

目前，机电控制的现有技术存在闭环控制和模糊控制等控制方法，虽然现有技术能够有效地控制张力的大小和波动，但是现有控制方法的参数选择依赖于专家或者技术人员的经验，以及人们对技术操作背景的认识。一旦面临新的设备、环境以及工作情况，需要由专家或者技术人员重新设计PID控制器的参数。因此，传统的络筒机张力控制方法中存在着诸多弊端和不利之处。

发明内容

针对现有方法的不足以及实际应用的需求，为了解决现有络筒机张力控制装置响应能力不足的问题，为保证在纱线张力不匀且波动的情况下，张力控制器的响应更加快速稳定，纱线张力的变异系数保持在可控范围内，张力控制器能够实时地调整输出大小，提高纱线的质量。一方面本发明提供了一种络筒机张力控制器的控制方法，其包括如下步骤：设定初始张力值，并将初始张力施加至纱线上；对初始张力值进行评价，得到关于所述初始张力值的评价情况；根据所述评价情况，对PID控制器的初始参数进行优化，并得到目标参数；将所述目标参数反馈至所述PID控制器；根据所述PID控制器的控制信号，完成所述张力控制器的控制。本发明方法具体考虑到，现有络筒机张力控制装置响应能力不足，控制器参数的选择依赖于专家经验等问题。本发明基于改进算法优化器对PID控制器的参数进行迭代优化，使得张力控制器的响应更加快速稳定，达到提高纱线质量的目的。

可选地，所述络筒机张力控制器的控制方法还包括；所述络筒机张力控制器的控制方法还包括；设置目标张力值；设置评价函数，所述评价函数为适应度函数。本发明设置所述目标张力值，可将输出张力值标准化，提高张力控制器的控制效果；设置所述评价函数对PID控制器的参数加以评析，提高PID控制器参数的适用性和准确度。

可选地，所述评价函数为适应度函数，其计算公式如下：

。

其中，表示适应度函数，t表示采样时间，/>表示权重数值0.999，/>表示实际张力值，/>表示目标张力值，/>表示PID控制器的输出，/>表示总时间。本发明将适应度函数设置为参数评价机制，利用公式计算的方式获取到最佳PID控制器参数，进一步保证张力控制器最后的平稳输出。

可选地，所述对初始张力值进行评价，得到关于所述初始张力值的评价情况包括：利用所述目标张力值和所述评价函数对初始张力值中的初始参数进行评价，得到关于所述初始张力值的评价情况。

可选地，所述评价情况包括；所述评价函数在评价过程中的控制量、目标张力值的误差和PID控制器的输出。本发明对所述评价过程中的张力值误差与控制器的输出情况进行评价分析，并将分析结果作为PID控制器调整的依据，让目标参数能够更快的靠近最优解，从而加快算法的收敛速度。

可选地，所述络筒机张力控制器的控制方法还包括；设置算法优化器；利用所述算法优化器对所述PID控制器的参数进行更新优化。本发明基于改进算法优化器实施PID控制，以此来控制络筒机纱线的张力控制器，提高张力控制器的精准度、高鲁棒性，进一步地提高纱线张力控制器的相应性能。

可选地，所述设置算法优化器满足如下公式：

。

其中，表示K+1时序的更新速率，/>表示算法优化器中分析的收缩因子，/>表示K时序的更新速率，/>表示对/>更新影响的权重，/>代表了全体最佳位置向量，表示第n个当前位置，/> 、/>分别表示在[0,1]范围内统一创建的两个随机数，/>对更新影响的权重，/>是第n个最佳位置向量，K表示本次迭代过程中的时序，K+1表示下次迭代过程中的时序。

可选地，所述根据所述评价情况，对PID控制器的初始参数进行优化，并得到目标参数包括：将所述初始参数输入至所述算法优化器中进行优化，并得到优化结果；将所述优化结果的控制量与工程实践需求相比较，若满足工程实践需求则结束优化；

或者优化次数达到所述算法优化器的上限则结束优化。本发明设置了算法优化器的具体优化流程和目标参数的输出条件，以保证得到PID控制器的最佳目标参数，确保张力控制器有效控制张力，实现纱线内部张力的均匀致密。

可选地，所述张力控制器的控制过程表示如下：

。

其中，表示所述张力控制器的传递函数，/>表示传感器比例系数，E表示纱线的弹性模量，S表示纱线的截面积，k表示纱线的劲度系数，/>为张力控制器执行原件与槽筒卷绕电机之间的垂直距离，/>表示张力响应系数，/>表示惯性环节的一个时间常数，s表示微分算子，e表示底数，/>表示延时时间。本发明通过公式计算的方式得到张力控制器的相关数值，可以准确、快速地得到相关数据，使得张力控制器的响应更加快速稳定，纱线的张力系数保持在可控范围内，从而提高纱线的质量。

第二方面，为能够高效地执行本发明所提供的一种络筒机张力控制器的控制方法，本发明还提供了一种络筒机张力控制器的控制系统，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如本发明第一方面所述的络筒机张力控制器的控制方法。本发明的一种络筒机张力控制器的控制系统，结构紧凑、性能稳定，能够稳定地执行本发明提供的一种络筒机张力控制器的控制方法，提升本发明整体适用性和实际应用能力。

附图说明

图1为本发明的络筒机张力控制器的控制方法流程图；

图2为本发明的优化张力控制器PID参数原理图；

图3为本发明的优化整定初始参数的路径图；

图4为本发明的优化整定张力控制器目标参数过程图；

图5为本发明的电磁铁张力控制器控制原理图；

图6为本发明的算法优化PID参数后的张力效果图；

图7为本发明的络筒机张力控制器的控制系统框架图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

请参见图1，为了提高张力控制器的高精度、高鲁棒性，进一步地提高纱线张力控制器的相应性能，本发明提供了络筒机张力控制器的控制方法，所述络筒机张力控制器的控制方法包括如下步骤：

S1、设定初始张力值，并将所述初始张力施加至纱线上。

在本实施例中以电磁铁控制纱线张力的方式为例，现根据纱线品种、支数和卷绕速度设定初始张力值，将初始张力施加于纱线上给纱线加压，并且在张力装置上方添加张力传感器，由张力传感器将实际检测到的张力值传到单锭计算机中。

上述实施例中所例举的张力控制器类型和获取张力值的方法仅为本发明的优选条件，在其他实施例中张力控制器的类型以及张力值的获取方法可以根据实际的需求进行灵活选择。

S2、对初始张力值进行评价，得到关于所述初始张力值的评价情况。

在本实施例中所述络筒机张力控制器的控制方法包括：设置一个目标张力值和一个评价函数。

在本实施例中对目标张力值的设置，是根据纱线品种、支数和卷绕速度而设定的，实施例中将目标张力值的大小设置为50cN。

基于此，评价函数设置为适应度函数。更进一步地，在本实施例中所述适应度函数的具体计算公式如下：

。

其中，表示适应度函数，t表示采样时间，/>表示权重数值0.999，/>表示实际张力值，/>表示目标张力值，/>表示PID控制器的输出，/>表示总时间。其中适应度函数值的大小，是由张力控制器响应时控制量和目标值的误差、PID控制器的输出等变量所决定。

在本实施例中目标张力值大小的具体设定可以根据实践需求加以调整，以保证实际生产结果的准确性和适用性；实施例中所设定的适应度函数变量仅为本发明的优选条件，在其他一个或者一些实施例中可对变量条件根据实践需求加以修改。

在本实施例中，利用络筒机张力控制器的控制方法，根据上述设置的目标张力值和适应度函数对所述初始张力值进行评价，具体评价步骤如下：

本实施例中，首先利用目标张力值50cN和适应度函数对本实施例中的初始张力值进行评价分析、对比运算，然后得到关于所述初始张力值的评价情况。

更进一步地，在本实施例中对所述初始张力值的评价情况进行分析。分别分析所述评价函数在评价过程中控制量与目标张力值的误差、PID控制器的输出，根据适应度函所得到的数值来评判参数个体或解的优劣，并作为参数数据更新优化的依据。

在本实施例中控制量表示张力控制器在控制过程中的真实值；目标值则表示期望值50cN；PID控制器的输出则反映控制器的能量损耗。本实施例中将控制量和目标值的误差作为评价函数的主要评价因素；PID控制器的输出作为评价函数的次要评价因素。基于此，本实施例中所规定的评价因素和影响程度仅为本发明的优选设置条件，在其他一个或者一些实施例中可对评价因素根据实践需求加以修改。

S3、根据所述评价情况，对PID控制器的初始参数进行优化，并得到目标参数。

在本实施例中所述的络筒机张力控制器的控制方法还包括设置算法优化器，对所述PID控制器的初始参数进行更新优化，并结合适应度函数找到PID控制器的最优目标参数。

在本实施例中算法优化器是通过算法整定的方式，对络筒机张力控制器的PID参数进行更新优化。

本实施例中上述设置的算法优化器满足如下公式：

。

其中，表示K+1时序的更新速率，/>表示算法优化器中分析的收缩因子，/>表示K时序的更新速率，/>表示对/>更新影响的权重，/>代表全体最佳位置向量，表示第n个当前位置，/> 、/>分别表示在[0,1]范围内统一创建的两个随机数，/>对更新影响的权重，/>是第n个最佳位置向量，K表示本次迭代过程中的时序，K+1表示下次迭代过程中的时序。

利用算法优化器对PID控制器的初始参数进行优化，参数优化的具体实施内容如下：

在实施例中，首先为优化的PID控制器随机生成一个初始参数池，初始参数池的总容量是n，上诉初始参数池是根据PID控制器的参数随机生成。

更进一步地，在本实施例中络筒机纱线张力控制器PID的三个参数分别为 、/> 、 根据PID控制器的参数将初始参数池维度设置为三维，进而生成一个总容量为n、维度为3的参数池，并用矩阵加以描述，矩阵的三列可以分别表示为/>、/>、/>在本实施例中该矩阵可以具体被表示为：

。

其中，W表示位置向量，n表示参数池总容量，3表示参数池维度 、/> 、/>分别表示控制器的参数。

本实施例中对算法的初始化分布优化改进，是为了更大几率地得到优质初始解位置，加快算法收敛速度，本实施例中采用具有较好遍历均匀性和更快迭代速度的t混沌映射方法，将多种低纬混沌结合在一起形成新的复合混沌系统，可以有效克服低维混沌的不足，并且与高维混沌相比复杂度更低更易实现，提高初始解的覆盖空间，提高得到最佳初始解位置的几率，加快种群的收敛速度，提高初始解的覆盖空间，在其他实施例中可以采用其他不同的方法改进算法优化器的初始分布情况。

请参见图2，为本实施例中算法优化张力控制器PID参数的原理图。将算法优化器和PID控制器结合在一起，在线优化络筒机纱线张力控制器PID的三个参数 、/> 、/>本实施例中面向服务的体系结构，在更新搜索参数过程中利用适应度函数值来评判个体或解的优劣，并作为位置更新的依据。

基于此，在本实施例中算法优化器的表示K时序的更新速率，获得此时序更新速率的具体方式如下：

。

其中，表示K时序的更新速率，/>表示参数组的序号，/>表示由随机数字组成的向量。

基于此，算法优化器中分析行为的收缩因子，其通过以下计算方式获得：

。

其中，表示算法优化器中为分析行为的收缩因子，/>表示加速度系数。更进一步地，在本实施例中加速度系数设置为4.125，所述加速度系数设置为4.125的具体条件，是便于充分实施本发明，在其他实施例中可以根据实际需求加以更改和调整。

基于此，所述算法优化器中对和/>更新影响的权重分别为/> 、/>，上述两个权重分别满足如下公式：/>，。

其中， 表示对/>更新影响的权重，/>表示获得良好运动的从属速度，表示获得良好运动的初始速度，e表示底数，h表示当前迭代次数，H表示最大迭代次数，/>对/>更新影响的权重。更进一步地，在本实施例中所述/>和/>的值分别设置为0.5和1.5，以及更新权重的具体设定可以根据实践需求加以调整，以保证控制器的准确性和真实性。

请参见图3，为改进算法优化整定PID参数的路径图，根据图中络筒机纱线张力控制器PID三个参数 、/> 、/>的走向趋势表明了算法中每次迭代结果的更替和优化过程。然后，结合适应度函数找到PID控制器的最优目标参数，具体实施内容如下：

在本实施例中，为了获得PID控制器的最优目标参数，将所述PID控制器优化参数结果的控制量与工程实践需求相比较，若满足工程实践需求则结束优化；或者优化次数达到所述算法优化器的上限则结束优化。

更进一步地，在本实施例中采用算法迭代优化PID初始参数，并利用适应度函数找到PID控制器最优目标参数的过程加以具体说明：

请参见图4，为改进算法优化整定张力控制器PID参数过程图，图示展示优化整定过程中，适应度函数对优化参数的评价变化情况。

在本实施例中，算法优化器在搜索过程中用适应度函数值来评判个体或解的优劣，并根据所述适应度函数于评价过程中控制量和目标值的误差、PID控制器的输出等因素，对所述PID控制器的参数进行更新优化，直到所述优化结果满足工程实践需求；或者优化次数达到所述算法优化器的上限，最后获得PID控制器的最优参数。

更进一步地，在本实施例中对于PID参数的优化要求和评价次数仅属于本发明的优选实施例，在其他一个或者一些实施例中可对迭代优化的要求和次数根据实践需求加以设置。

S4、将所述目标参数反馈至所述PID控制器。

在本实施例中，将算法优化器和适应度函数不断更替、优化、检验得到的PID控制器最优目标参数，输入到所述PID控制器当中，由PID控制器将最优目标参数组进行处理加工得到相应的控制信号，并将控制信号输送至张力控制器中。

S5、根据所述PID控制器的控制信号，完成所述张力控制器的控制。

在本实施例中，将所述PID控制器的控制信号，输送至张力控制器当中，电磁式张力控制器接收到控制信号后，则将电磁铁响应压力进一步映射到纱线张力上，通过电磁铁-张力盘对纱线提供附加的张力，并结合张力控制器的步进电机、锭位计算机、伺服电机、筒子、电磁铁等设备完成张力控制器的张力控制。

本实施例中所述的伺服电机、筒子、电磁铁等设备仅为了本发明的充分实施，在其他实施例中可以采用其他不同于此电磁式张力控制器的设置条件，更进一步地，本实施例中的电磁式张力控制器进行最后的张力控制仅为本发明的优选实施例，在其他一个或者一些实施例中可对张力控制器根据实践需求加以更改。

本实施例中所述电磁式张力控制器的控制过程表示如下：

。

其中，表示所述电磁式张力控制器的传递函数，/>表示传感器比例系数，E表示纱线的弹性模量，S表示纱线的截面积，k表示纱线的劲度系数，/>为电磁式张力控制器执行原件与槽筒卷绕电机之间的垂直距离，/>表示张力响应系数，/>表示惯性环节的一个时间常数，s表示微分算子，e表示底数，/>表示延时时间。

请参见图5，为电磁铁张力控制器的控制原理图。

请参见图6，为算法优化PID参数后的控制张力效果图，由图中张力的趋势可得到，本实施例中对于波动大且频繁的退绕张力起到了快速收敛的效果。

在本实施例中，通过上述算法优化器对张力控制器的PID参数进行优化整定，上述适应度函数对优化参数进行迭代评价检验。可以使张力控制器的响应更加快速稳定，纱线的张力变异系数保持在可控范围内，能够有效控制张力的输出大小，实现纱线内部张力均匀致密从而提高纱线的质量。

请参见图7，在一个可选的实施例中，为能够高效地执行本发明所提供的络筒机张力控制器的控制方法，本发明还提供了络筒机张力控制器的控制系统，所述络筒机张力控制器的控制系统包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如本发明所提供的络筒机张力控制器的控制方法相关实施例的具体步骤。本发明的络筒机张力控制器的控制系统，结构完整、客观稳定，能够高效地执行本发明的络筒机张力控制器的控制方法，提升本发明整体适用性和实际应用能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种络筒机张力控制器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

设定初始张力值，并将所述初始张力施加至纱线上；

对初始张力值进行评价，得到关于所述初始张力的评价情况；

根据所述评价情况，对PID控制器的初始参数进行优化，并得到目标参数；

将所述目标参数反馈至所述PID控制器；

根据所述PID控制器的控制信号，完成所述张力控制器的控制；

所述络筒机张力控制器的控制方法还包括；

设置目标张力值；

设置评价函数，所述评价函数为适应度函数，其计算公式如下：

，

其中，表示适应度函数，t表示采样时间，/>表示权重数值0.999，/>表示实际张力值，/>表示目标张力值，/>表示PID控制器的输出，/>表示总时间；

所述络筒机张力控制器的控制方法还包括：

设置算法优化器；

利用所述算法优化器对所述PID控制器的初始参数进行更新优化；

所述设置算法优化器满足如下公式：

，

其中，表示K+1时序的更新速率，/>表示算法优化器中分析的收缩因子，/>表示K时序的更新速率，/>表示对/>更新影响的权重，/>代表全体最佳位置向量，/>表示第n个当前位置，/> 、/>分别表示在[0,1]范围内统一创建的两个随机数，/>对/>更新影响的权重，/>是第n个最佳位置向量，K表示本次迭代过程中的时序，K+1表示下次迭代过程中的时序；

所述利用算法优化器对PID控制器的初始参数进行优化包括：

将所述初始参数输入至所述算法优化器中进行优化，并得到优化结果；

将所述优化结果的控制量与工程实践需求相比较，若满足工程实践需求则结束优化；

或者优化次数达到所述算法优化器的上限则结束优化；

所述张力控制器的控制过程表示如下：

，

其中，表示所述张力控制器的传递函数，/>表示传感器比例系数，E表示纱线的弹性模量，S表示纱线的截面积，k表示纱线的劲度系数，/>为张力控制器执行原件与槽筒卷绕电机之间的垂直距离，/>表示张力响应系数，/>表示惯性环节的一个时间常数，s表示微分算子，/>表示延时时间。

2.根据权利要求1所述的络筒机张力控制器的控制方法，其特征在于，所述对初始张力值进行评价包括：

利用所述目标张力值和所述评价函数对初始张力值中的初始参数进行评价。

3.根据权利要求1所述的络筒机张力控制器的控制方法，其特征在于，所述评价情况包括：

所述评价函数在评价过程中的控制量、目标张力值的误差和PID控制器的输出。

4.一种络筒机张力控制器的控制系统，其特征在于，系统包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如权利要求1-3任一项所述的络筒机张力控制器的控制方法。