摘要：針對常規PID在張力控制中控制參數難以整定的問題，設計出一種基于模糊控制原理的自適應PID控制器，根據偏差和偏差變化率來實時調整 參數。經過實踐表明，這種模糊自適應PID比常規PID控制器在張力控制中具有更好的控制特性。 關鍵詞：模糊控制 自適應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 張力控制系統是現代工業中廣泛應用的控制系統之一。常規PID控制因為算法簡單，具有可以改善系統的動態特性和穩態特性的優點，只要正確的設定其參數便可以實現其控制作用，因而被廣泛的應用于張力控制系統中。但是在進行板帶卷取張力控制時，由張力輥檢測出的板帶張力往往很難達到精確，同時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，相應的帶來了系統參數的變化，傳統PID控制器很難保持張力的恒定。張力控制不穩定時，板帶容易出現跑偏，從而導致卷取不整齊，更嚴重時導致松套、斷帶等現象。這時，我們考慮到了模糊控制的優點。模糊控制可以將人的經驗、智慧總結提煉成模糊規則，模仿人的控制經驗進行直接推理，因此我們提出一種利用模糊邏輯推理對PID控制器的參數進行在線自調整的方法，把模糊邏輯推理和PID控制結合成模糊自適應PID控制，使其具有自動辨識被控過程參數，自動整定控制器參數的能力，能夠適應被控制過程中對象的變化。我們將其用于實際的張力卷取控制中，取得了優良的控制效果。 2 張力控制的模型及改進設計 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設備中，在卷取時對材料的張緊度進行控制。過大的張力會導致材料的變形、甚至斷裂，過小的張力又會因為松弛導致跑偏；張力控制不穩也會造成切斷長度不穩定等現象，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，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速差產生的。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速差的穩定，卷取輥的轉速是由電機的電流來控制的，進一步說，要保持恒張力控制，就是要保持前后卷取輥電機的相對電流差的穩定，同時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，因此常規的控制方法很難實現采用張力模型的張力控制。 2．2張力PID控制的改進設計 PID控制具有可以改善系統的動態特性和穩態特性的優點，以及結構簡單的特點，因此被廣泛的應用于張力控制中。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速差的穩定。傳統的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，但是這樣的參數往往是動態與靜態性能的一種折中。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，以及因為不同工藝轉換而切換速度時，常規PID系統的控制效果往往不能達到最佳。體現在實際中，板帶在卷取過程中經常出現變形，跑偏松套更嚴重者斷帶等現象，嚴重的影響生產的正常運行。模糊控制可以將人的經驗、智慧總結提煉成模糊規則，模仿人的控制經驗而不依賴對象的模型進行直接推理。為了提高張力控制的穩定性，我們將模糊推理與常規PID控制相結合起來，利用模糊邏輯推理對PID控制器參數進行在線自調整，并將其應用于實際的控制中。 3 模糊自適應PID控制器的設計 3．1模糊自適應PID控制器的結構 模糊自適應PID控制器主要由參數可調整的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 本系統在經過MATLAB仿真運行后，系統工作穩定，操作方便，能夠獲得滿意的性能指標。下圖是在單位階躍信號下的常規PID控制與模糊自適應PID控制器下的響應曲線。明顯模糊自適應PID的控制方式獲得的響應曲線具有較好的跟隨性，且穩態精度高，超調量明顯較小，調節時間得到了明顯改善，從而全面的改善了系統的動態性能。 5．總結 本系統的控制對象是一要求實時快速檢測、快速響應的環節，在其控制規律上有其自己的特點。本文將模糊推理應用于其PID參數整定中，使得該控制器集模糊控制器和PID控制器的優點于一身，既將專家經驗有效的應用到了PID參數調節中，有保持了傳統PID控制器結構簡單的優點。我們將其應用于黃石山力鋅鋁板帶有限公司的鍍鋅線卷取機的控制改造中，經過半年多的運行，由于工藝速度變化所引起的斷帶和松套跑偏現象大大減少，卷取質量大為提高。實驗研究及工程實踐都表明在常規PID控制器中加入模糊參數自整定后，系統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用前景。 參考文獻 [1]李友善，等，模糊控制理論及其在過程控制中的應用[M],北京，國防工業出版社，1993。 [2]陶永華，等，新型PID控制及其應用[M]，北京：機械工業出版社，1998。 [3]蔡自興，智能控制－基礎與應用[M]，北京:國防工業出版社，1998。 [4]袁震東，自適應控制理論及其應用[M],上海，華東師范大學出版社，1986。 作者簡介：蔣勝（1980~），男，湖北武漢人，武漢科技大學信息科學與工程學院碩士研究生，研究方向：電氣傳動、智能控制。劉惠康（1963~），男，湖南漣源人，碩士，武漢科技大學信息科學與工程學院教授，主要從事傳動自動化及供配電系統的教學科研工作。 基金項目：國家自然科學基金（編號60074032）資助項目。