模糊PID控制在冷轧线卷取张力控制中的应用

2017-06-06余克军王胜勇卢家斌康现伟王傲能

环球市场信息导报 2017年17期

◎余克军王胜勇卢家斌康现伟王傲能

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在冷轧板带的生产过程中，卷取张力的稳定性对板型、尺寸精度和产品质量产生重大影响。本文对冷轧生产线中卷取张力系统的控制特点和控制方式进行了深入的分析和研究，建立了卷取系统的数学模型。结合卷取张力控制系统的参数变化规律，研究探讨了基于人工智能的自适应PID控制算法在张力控制系统中的应用。

冷轧生产线卷取张力控制系统

冷轧生产线卷取张力控制系统简介。冷轧生产线上的卷取张力控制系统是一种具有复杂性和时变性的机电工艺相综合的控制系统。卷取张力控制一般分为直接张力控制和间接张力控制，直接张力控制是通过张力计直接测量张力反馈给控制系统，形成张力的闭环控制；间接张力控制是将张力转换为电机转矩，通过控制转矩间接的控制张力。直接张力控制系统具有实时性好、控制系统简单、控制精度较高等优点，但也存在成本较高、检测信号易受现场电磁信号干扰造成控制不稳定等缺点；间接张力控制系统不需要张力检测元件，降低了控制系统成本，但控制系统的结构要比直接张力控制系统复杂。随着计算机技术及电力电子技术的发展，间接张力控制的精度得到了极大地提高，在实际中的应用也越来越广泛。

卷取机转矩设定值包括了以下几部分：生产线的张力转矩、摩擦转矩以及加减速过程中所需要的加速转矩，如图1所示。其中张力转矩和加速转矩与钢卷的卷径实时相关。

图1 卷取机张力控制系统框图

在生产线的实际工作中，卷取机转速设定值在生产线的线速度设定值基础上叠加一个小的速度ΔV，叠加后卷取机的速度给定与实际生产线的速度总是有一个恒定的差值，这样卷取机的速度调节器很快达到饱和，卷取机控制器由速度控制转变为转矩控制，此时转矩控制的目标值为卷取机的转矩设定值。

转矩的控制在变频器中采用闭环控制，我们用到了PID控制器让实际转矩跟随指令转矩。根据经典控制理论，该系统一般可以整定为二介控制系统，从而计算得到PID控制器的比例、积分和微分参数，但在实际控制系统中，该理论计算值往往并不能取得很好的控制效果，还需要做反复的调试并且在不同工况下，往往需要不同的参数才能达到最佳效果。

模糊PID在张力控制中的应用。传统的PID控制器广泛地应用于工业领域，取得了良好的效果。但是常规的PID控制器一般只适用于线形系统，且不能根据实际情况在线调整K_P，K_I, K_D参数。当系统状态变化时，常规PID控制器的参数不能自动调整，从而使控制器性能下降。

传统的PID控制器的数字离散表达式为：

式中：u(k)为第k次采样时的计算输出值; e(k)为第k次采样时的输入偏差值; e(k-1)为第(k-1)次采样时的输入偏差值; KP、KI、KD分别为比例、积分和微分参数。

针对传统PID控制器的不足之处，模糊PID控制器是一种处于快速发展中的控制方式，目前依然有许多问题和课题需要探讨和研究。

典型的模糊PID控制结构框图如下：

图2 典型的模糊PID控制结构框图

上图中Gec、Ge为量化因子，可以看出，此模糊PID控制结构图中输入分别为变化量e和变化量的变化率de/dt，输出为PID控制器的参数调整量ΔKP、ΔKI、ΔKD。在具体的控制过程中，由于微分参数过于敏感，往往造成控制系统不够稳定，所以在实际过程中多只取PI参数。

在转矩的模糊控制中，我们采用以常规PI控制为基础，转矩（即张力）稳定在某一区间时采用常规PI控制，在转矩的动态变化过程中，采用模糊PI控制，这样既能保持系统的稳定又能加快张力的控制响应速度。改造后的转矩的闭环控制结构框图如下：

图3 转矩的模糊PID控制结构框图

在进行模糊化时，我们采用了通常使用的三角型隶属函数。可设转矩响应的误差和误差变化率的模糊量e和ec的模糊子集均为：

模糊PI的具体的调整原则是：当|e|很大时，为迅速调整误差，取较大Kp，较小Ki；当e＊ec＞0时，说明误差在向误差绝对值变大的趋势变化。为迅速减小误差绝对值，取较大Kp，较小Ki。当e＊ec＜0或e=0时，说明误差绝对值朝减小的方向变化，或者已达到平衡状态。可采取保持参数不变。当e＊ec=0且e!=0时，表明系统曲线与理论曲线平行或一至。为使系统有良好的稳态性能，取较大Kp，较大Ki。