基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法

摘要

本发明公开了一种基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法，该方法包括：设定每个输入变量和输出变量的模糊子集及模糊论域；设定变量的隶属函数；基于模糊论域，确定每个输入变量对应的量化因子和每个输出变量对应的比例因子；建立输出变量的模糊控制表；获取实际张力值，根据实际张力值与张力给定值计算张力偏差和张力偏差变化率；根据张力偏差和张力偏差变化率，计算比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值；利用比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值对PID控制器的参数进行调整，基于调整后的PID控制器进行卷取张力反馈调节。本发明能够实现带钢卷取变径机组的卷取张力的稳定控制。

说明书

技术领域

本发明涉及不锈钢技术领域，尤其涉及一种基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法。

背景技术

宽幅超薄不锈精密带钢指的是厚度在0.02mm以下，宽度大于400mm的不锈钢带。如附图1所示，现有的宽幅超薄不锈精密带钢卷取变径机组包括：开卷机、卷取机和防皱辊，卷取机安装在重卷机组的开卷机的上料侧，与开卷机直接对接，防皱辊设置在开卷机与卷取机之间，卷取机主要包括钢结构机架及安装在钢结构机架上的胀缩卷轴、联轴器和变频电机，胀缩卷轴通过联轴器与变频电机连接。宽幅超薄不锈精密带钢卷取变径机组在使用时，开卷机上放置需要分卷的钢带，启动液压鼓起紧固带钢，卷取机卷筒接收通过防皱辊的带钢，同时启动液压鼓起紧固钢卷，机组全线运行进行重卷，当卷取机上带钢长度或重量满足分卷要求后，机组停机。

现有的卷取变径机组在使用时，卷取张力采用常规的PID控制方法进行反馈调节控制，在宽幅超薄不锈钢带卷取建张和运行过程中的张力控制精度较低，张力波动较大，容易出现抽带和断带问题；并且，当卷径过大时会出现塌卷现象，仅能用于生产较小内径的钢卷。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法。

本发明的技术方案如下：

提供了一种基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法，所述方法包括：

设定每个输入变量和输出变量的模糊子集及模糊论域，所述输入变量包括张力偏差和张力偏差变化率，所述输出变量包括PID控制器的比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量；

设定变量的隶属函数；

基于模糊论域，确定每个输入变量对应的量化因子和每个输出变量对应的比例因子；

建立输出变量的模糊控制表；

获取实际张力值，根据实际张力值与张力给定值计算张力偏差和张力偏差变化率；

基于确定的模糊子集、模糊论域、隶属函数、量化因子、比例因子和模糊控制表，根据张力偏差和张力偏差变化率，计算比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值；

利用比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值对PID控制器的参数进行调整，基于调整后的PID控制器进行卷取张力反馈调节。

在一些可能的实现方式中，所述输入变量和所述输出变量的模糊子集均设为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，模糊子集中元素为语言变量，依次表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大；

所述输入变量和所述输出变量的模糊论域均设为：[-3,3]。

在一些可能的实现方式中，所述输入变量和所述输出变量的隶属函数均采用三角形隶属函数。

在一些可能的实现方式中，所述输入变量对应的量化因子利用以下公式确定：

所述输出变量对应的比例因子利用以下公式确定：

其中，K

在一些可能的实现方式中，所述比例系数修正量的模糊控制表为：

其中，△K

其中，△K

在一些可能的实现方式中，所述微分系数修正量的模糊控制表为：

其中，△K

在一些可能的实现方式中，实际张力值利用以下公式计算：

其中，T表示实际张力值，M表示电机实际输出扭矩，D表示卷取卷径。

在一些可能的实现方式中，基于确定的模糊子集、模糊论域、隶属函数、量化因子、比例因子和模糊控制表，根据张力偏差和张力偏差变化率，计算比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值，包括：

基于模糊子集、模糊论域、隶属函数和量化因子，对张力偏差和张力偏差变化率进行模糊化；

基于模糊化的张力偏差和张力偏差变化，根据模糊控制表确定比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的模糊值；

基于比例因子，利用预设去模糊化方法将比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的模糊值转化为精确值。

在一些可能的实现方式中，PID控制器的参数利用以下公式确定：

其中，K

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法通过根据获取的张力偏差和张力偏差变化率，采用模糊推理方式进行PID控制器的参数的在线调整，基于调整后的PID控制器进行卷取张力的反馈调节，能够实现带钢卷取变径机组的卷取张力的稳定控制，避免在建张和运行过程中因张力波动而出现抽带和断带问题；同时，能够避免随卷径增大而出现的塌卷问题，满足多种卷径规格的钢卷生产需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有的一种宽幅超薄不锈精密带钢卷取变径机组的结构示意图；

图2为本发明一实施例的基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法的流程图；

图3为本发明一实施例的卷取张力控制原理示意图；

图4为本发明一实施例的一种隶属函数示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

参考图2，本发明一实施例提供了一种基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法，该方法用于在带钢卷取变径机组进行厚度在0.02mm以下，宽度大于400mm的宽幅超薄不锈精密带钢的卷取时的卷取张力控制，包括以下步骤：

步骤S1，设定每个输入变量和输出变量的模糊子集及模糊论域，输入变量包括张力偏差和张力偏差变化率，输出变量包括PID控制器的比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量；

步骤S2，设定变量的隶属函数；

步骤S3，基于模糊论域，确定每个输入变量对应的量化因子和每个输出变量对应的比例因子；

步骤S4，建立输出变量的模糊控制表；

步骤S5，获取实际张力值，根据实际张力值与张力给定值计算张力偏差和张力偏差变化率；

步骤S6，基于确定的模糊子集、模糊论域、隶属函数、量化因子、比例因子和模糊控制表，根据张力偏差和张力偏差变化率，计算比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值；

步骤S7，利用比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值对PID控制器的参数进行调整，基于调整后的PID控制器进行卷取张力反馈调节。

本发明一实施例提供的基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法通过根据获取的张力偏差和张力偏差变化率，采用模糊推理方式进行PID控制器的参数的在线调整，基于调整后的PID控制器进行卷取张力的反馈调节，能够实现带钢卷取变径机组的卷取张力的稳定控制，避免在建张和运行过程中因张力波动而出现抽带和断带问题；同时，能够避免随卷径增大而出现的塌卷问题，满足多种卷径规格的钢卷生产需求。

以下对本发明一实施例提供的基于模糊PID的超薄不锈精密带钢卷取张力控制方法的各个步骤及原理进行具体说明。

步骤S1，设定每个输入变量和输出变量的模糊子集及模糊论域。

参考图3，本发明一实施例中，输入变量包括张力偏差和张力偏差变化率，输出变量包括PID控制器的比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量。同时，输入变量和输出变量均为PID控制器的输入，PID控制器根据输入计算并输出控制量，带钢卷取变径机组的执行机构根据输入的控制量进行相应的输出调整，进而对卷取张力进行调整。

在模糊控制中，输入变量和输出变量的取值个数多少会对系统控制精度的大小产生影响，越多的取值虽然能使其精度越高，但其控制规则也越繁琐，而若取值过少，则会导致系统的控制效果较差。

本发明一实施例中，在综合考虑控制精度和复杂度的情况下，输入变量和输出变量均选择PB(负大)、PM(负中)、PS(负小)、ZO(零)、NS(正小)、NB(正中)和NM(正大)七个语言变量。此时，输入变量和输出变量的模糊子集均表示为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。

进一步地，基于上述设定的输入变量和输出变量的模糊子集，输入变量和输出变量的模糊论域则可表示为：[-3,3]，量化等级表示为：{-3,-2,-1,0,1,2,3}。

步骤S2，设定变量的隶属函数。

在模糊控制中，为了提升分辨率，以及提高模糊控制器的灵敏度，需要尽量把隶属函数在论域中分布得集中些。同时，在构造隶属函数时，需要考虑整个讨论空间是否能被隶属函数完全覆盖，论域中任意的一个点必须低于三个隶属函数覆盖，并且保证重合的区域不会出现在两个相邻模糊子集中间。

参考图4，本发明一实施例中，输入变量和输出变量的隶属函数均采用三角形隶属函数(trimf)，如此，能够在满足上述要求的同时减少计算量。

步骤S3，基于模糊论域，确定每个输入变量对应的量化因子和每个输出变量对应的比例因子。

模糊化和去模糊化是实现模糊控制的重要环节，模糊化是将输入变量的精确值转换为相应的模糊语言变量值的过程，去模糊化是将推理所得到的输出变量的模糊值转换为明确的控制值。为了实现输入变量的模糊化，需要将输入变量从基本论域转换到相应的模糊论域中。具体地，利用量化因子将输入变量从基本论域转换到相应的模糊论域中。为了实现输出变量的去模糊化，需要将输出变量从模糊论域转换到相应的基本论域中。具体地，利用比例因子将输出变量从模糊论域转换到相应的基本论域中。

由于量化因子和比例因子的大小选择以及量化因子之间的大小相对关系对模糊控制系统的控制性能影响极大。在对输入变量张力偏差和张力偏差变化率对应的量化因子进行取值时，若张力偏差的量化因子取值偏大则会使调节时间延长，进而加大发生大超调的可能性，若张力偏差变化率的量化因子取值偏大则会导致系统响应速度变缓、反应迟钝；若输出变量的比例因子过大则会导致系统震动加剧，若比例因子过小则会使系统动态响应过程变长。为此，本发明一实施例中，在进行带钢卷取变径机组的卷取张力控制过程中，根据实际情况实时调整量化因子和比例因子的取值。

具体地，本发明一实施例中，输入变量对应的量化因子利用以下公式确定：

输出变量对应的比例因子利用以下公式确定：

其中，K

本发明一实施例中，输入变量的基本论域、以及输出变量的基本论域根据实际情况确定调整。例如，根据实际情况确定的带钢卷取变径机组的卷取张力取值范围为100N～1000N，张力偏差的范围不超过±10N，张力偏差变化率的范围不超过±1，则张力偏差的基本论域取为[-10,10]，张力偏差变化率的基本论域取为[-1,1]，此时张力偏差的量化因子为0.3，张力偏差变化率的量化因子为3。例如，根据实际情况确定的比例系数修正量的实际变化范围为[-1.5,1.5]，积分系数修正量的实际变化范围为[-0.3,0.3]，微分系数修正量的实际变化范围为[-0.3,0.3]，则比例系数修正量的比例因子为0.5，积分系数修正量的比例因子为0.1，微分系数修正量的比例因子为0.1。

步骤S4，建立输出变量的模糊控制表。

本发明一实施例中，针对厚度在0.02mm以下，宽度大于400mm的宽幅超薄不锈精密带钢卷取张力控制，通过研究分析，建立如表1-表3所示的输出变量的模糊控制表：

表1比例系数修正量模糊控制表

表2积分系数修正量模糊控制表

表3微分系数修正量模糊控制表

其中，△K

步骤S5，获取实际张力值，根据实际张力值与张力给定值计算张力偏差和张力偏差变化率。

本发明一实施例中，针对没有张力检测装置的宽幅超薄不锈精密带钢卷取变径机组，实际张力值利用以下公式计算：

其中，T表示实际张力值，M表示电机实际输出扭矩，D表示卷取卷径。

步骤S6，基于确定的模糊子集、模糊论域、隶属函数、量化因子、比例因子和模糊控制表，根据张力偏差和张力偏差变化率，计算比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值。

本发明一实施例中，基于确定的模糊子集、模糊论域、隶属函数、量化因子、比例因子和模糊控制表，根据张力偏差和张力偏差变化率，计算比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值，进一步包括以下步骤：

基于模糊子集、模糊论域、隶属函数和量化因子，对张力偏差和张力偏差变化率进行模糊化；

基于模糊化的张力偏差和张力偏差变化，根据模糊控制表确定比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的模糊值；

基于比例因子，利用预设去模糊化方法将比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的模糊值转化为精确值。

具体地，本发明一实施例中，根据已确定的模糊子集、模糊论域、隶属函数和量化因子，对张力偏差和张力偏差变化率进行模糊化处理，以将获取的张力偏差和张力偏差变化率的精确值转化为模糊语言变量值；然后根据建立的模糊控制表，确定当前张力偏差和张力偏差变化率对应的比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的模糊语言变量值；根据已确定的比例因子和预设去模糊化方法对比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量进行去模糊化处理，以将比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的模糊语言变量值转化为精确值。

本发明一实施例中，去模糊化方法采用最大隶属度法。

步骤S7，利用比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值对PID控制器的参数进行调整，基于调整后的PID控制器进行卷取张力反馈调节。

本发明一实施例中，根据获取的比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量的精确值，利用如下公式对PID控制器的参数进行调整：

其中，K

进一步地，在完成PID控制器的参数调整后，PID控制器根据输入的张力偏差和张力偏差变化率和调整后的参数计算并向带钢卷取变径机组的执行机构输出相应的控制量，带钢卷取变径机组的执行机构根据输入的控制量进行相应的输出调整，进而对卷取张力进行调整。

进一步地，本发明一实施例中，在进行带钢卷取变径机组的卷取张力控制过程中，重复执行步骤S5-S7，直至完成钢卷的卷取作业。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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精神和范围。