摘要：針對常規(guī)PID在張力控制中控制參數(shù)難以整定的問題，設(shè)計(jì)出一種基于模糊控制原理的自適應(yīng)PID控制器，根據(jù)偏差和偏差變化率來實(shí)時(shí)調(diào)整 參數(shù)。經(jīng)過實(shí)踐表明，這種模糊自適應(yīng)PID比常規(guī)PID控制器在張力控制中具有更好的控制特性。
關(guān)鍵詞：模糊控制  自適應(yīng)PID控制器  張力控制 
A Fuzzy Adaptive PID Controller in application of Tension control
                                                             Jiang Sheng     Liu Hui Kang
(Information science and engineering college, Wuhan university of science and technology, 430081,Wuhan, Hubei, China)
Abstract：It is difficult to define the control parameter in tension by using the routine PID controller.So we design an adaptive PID controller based on the fuzzy principle.It can change the parameter according to the deviation and rate of change of deviation in real time.We find through the test that the adaptive PID controller has better control characteristics in the tesion control than the routine PID controller.
Keywords：fuzzy control   adaptive PID controller   tension control

1 概述
張力控制系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)之一。常規(guī)PID控制因?yàn)樗惴ê唵?，具有可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的優(yōu)點(diǎn)，只要正確的設(shè)定其參數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)其控制作用，因而被廣泛的應(yīng)用于張力控制系統(tǒng)中。但是在進(jìn)行板帶卷取張力控制時(shí)，由張力輥檢測出的板帶張力往往很難達(dá)到精確，同時(shí)由于卷取中卷徑的變化以及其他的一些不可檢測的因素的影響，相應(yīng)的帶來了系統(tǒng)參數(shù)的變化，傳統(tǒng)PID控制器很難保持張力的恒定。張力控制不穩(wěn)定時(shí)，板帶容易出現(xiàn)跑偏，從而導(dǎo)致卷取不整齊，更嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致松套、斷帶等現(xiàn)象。這時(shí)，我們考慮到了模糊控制的優(yōu)點(diǎn)。模糊控制可以將人的經(jīng)驗(yàn)、智慧總結(jié)提煉成模糊規(guī)則，模仿人的控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行直接推理，因此我們提出一種利用模糊邏輯推理對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線自調(diào)整的方法，把模糊邏輯推理和PID控制結(jié)合成模糊自適應(yīng)PID控制，使其具有自動(dòng)辨識被控過程參數(shù)，自動(dòng)整定控制器參數(shù)的能力，能夠適應(yīng)被控制過程中對象的變化。我們將其用于實(shí)際的張力卷取控制中，取得了優(yōu)良的控制效果。

2 張力控制的模型及改進(jìn)設(shè)計(jì)
2．1張力控制的模型
所謂張力控制，是指在一般的造紙、冶金等卷材控制及生產(chǎn)設(shè)備中，在卷取時(shí)對材料的張緊度進(jìn)行控制。過大的張力會(huì)導(dǎo)致材料的變形、甚至斷裂，過小的張力又會(huì)因?yàn)樗沙趯?dǎo)致跑偏；張力控制不穩(wěn)也會(huì)造成切斷長度不穩(wěn)定等現(xiàn)象，因此張力控制的好壞在卷取過程中具有十分重要的意義。
我們以鍍鋅板的卷取為例，鍍鋅板帶在卷取過程中被拉伸，若其變形在彈性變化范圍內(nèi)，則其兩端的張力遵循虎克定律。板帶在卷取的過程中，板帶的伸展率為：

由上式可見，卷取過程中板帶所受張力是由前后卷取輥的相對轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生的。要想保持張力控制的恒定，就要保持好前后卷取輥的相對轉(zhuǎn)速差的穩(wěn)定，卷取輥的轉(zhuǎn)速是由電機(jī)的電流來控制的，進(jìn)一步說，要保持恒張力控制，就是要保持前后卷取輥電機(jī)的相對電流差的穩(wěn)定，同時(shí)還要考慮卷徑變化的影響。本文將上式稱為張力模型。由于此式是多變量和非線性的，因此常規(guī)的控制方法很難實(shí)現(xiàn)采用張力模型的張力控制。
2．2張力PID控制的改進(jìn)設(shè)計(jì)
PID控制具有可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的優(yōu)點(diǎn)，以及結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用于張力控制中。張力控制顧名思義就是要保證板帶在卷取時(shí)張力的恒定不變，針對張力模型來說，就是要保證前后卷取輥的相對轉(zhuǎn)速差的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的PID控制方法就是按照此一定的控制性能要求，整定出一組固定的P、I、D參數(shù)，但是這樣的參數(shù)往往是動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能的一種折中。在板帶的卷取過程中，隨著卷筒半徑的增大，其慣性也越來越大，以及因?yàn)椴煌に囖D(zhuǎn)換而切換速度時(shí)，常規(guī)PID系統(tǒng)的控制效果往往不能達(dá)到最佳。體現(xiàn)在實(shí)際中，板帶在卷取過程中經(jīng)常出現(xiàn)變形，跑偏松套更嚴(yán)重者斷帶等現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。模糊控制可以將人的經(jīng)驗(yàn)、智慧總結(jié)提煉成模糊規(guī)則，模仿人的控制經(jīng)驗(yàn)而不依賴對象的模型進(jìn)行直接推理。為了提高張力控制的穩(wěn)定性，我們將模糊推理與常規(guī)PID控制相結(jié)合起來，利用模糊邏輯推理對PID控制器參數(shù)進(jìn)行在線自調(diào)整，并將其應(yīng)用于實(shí)際的控制中。

3 模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)
3．1模糊自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)
   模糊自適應(yīng)PID控制器主要由參數(shù)可調(diào)整的PID控制器和模糊推理器兩部分組成，模糊

4．仿真與性能分析
本系統(tǒng)在經(jīng)過MATLAB仿真運(yùn)行后，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作方便，能夠獲得滿意的性能指標(biāo)。下圖是在單位階躍信號下的常規(guī)PID控制與模糊自適應(yīng)PID控制器下的響應(yīng)曲線。明顯模糊自適應(yīng)PID的控制方式獲得的響應(yīng)曲線具有較好的跟隨性，且穩(wěn)態(tài)精度高，超調(diào)量明顯較小，調(diào)節(jié)時(shí)間得到了明顯改善，從而全面的改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

5．總結(jié)
本系統(tǒng)的控制對象是一要求實(shí)時(shí)快速檢測、快速響應(yīng)的環(huán)節(jié)，在其控制規(guī)律上有其自己的特點(diǎn)。本文將模糊推理應(yīng)用于其PID參數(shù)整定中，使得該控制器集模糊控制器和PID控制器的優(yōu)點(diǎn)于一身，既將專家經(jīng)驗(yàn)有效的應(yīng)用到了PID參數(shù)調(diào)節(jié)中，有保持了傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。我們將其應(yīng)用于黃石山力鋅鋁板帶有限公司的鍍鋅線卷取機(jī)的控制改造中，經(jīng)過半年多的運(yùn)行，由于工藝速度變化所引起的斷帶和松套跑偏現(xiàn)象大大減少，卷取質(zhì)量大為提高。實(shí)驗(yàn)研究及工程實(shí)踐都表明在常規(guī)PID控制器中加入模糊參數(shù)自整定后，系統(tǒng)的控制性能得到了很大的改善，因此該方案在張力卷取控制中具有良好的應(yīng)用前景。

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