摘要：针对常规PID在张力控制中控制参数难以整定的问题，设计出一种基于模糊控制原理的自适应PID控制器，根据偏差和偏差变化率来实时调整 参数。经过实践表明，这种模糊自适应PID比常规PID控制器在张力控制中具有更好的控制特性。
关键词：模糊控制 自适应PID控制器 张力控制
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
张力控制系统是现代工业中广泛应用的控制系统之一。常规PID控制因为算法简单，具有可以改善系统的动态特性和稳态特性的优点，只要正确的设定其参数便可以实现其控制作用，因而被广泛的应用于张力控制系统中。但是在进行板带卷取张力控制时，由张力辊检测出的板带张力往往很难达到精确，同时由于卷取中卷径的变化以及其他的一些不可检测的因素的影响，相应的带来了系统参数的变化，传统PID控制器很难保持张力的恒定。张力控制不稳定时，板带容易出现跑偏，从而导致卷取不整齐，更严重时导致松套、断带等现象。这时，我们考虑到了模糊控制的优点。模糊控制可以将人的经验、智慧总结提炼成模糊规则，模仿人的控制经验进行直接推理，因此我们提出一种利用模糊逻辑推理对PID控制器的参数进行在线自调整的方法，把模糊逻辑推理和PID控制结合成模糊自适应PID控制，使其具有自动辨识被控过程参数，自动整定控制器参数的能力，能够适应被控制过程中对象的变化。我们将其用于实际的张力卷取控制中，取得了优良的控制效果。
2 张力控制的模型及改进设计
2．1张力控制的模型
所谓张力控制，是指在一般的造纸、冶金等卷材控制及生产设备中，在卷取时对材料的张紧度进行控制。过大的张力会导致材料的变形、甚至断裂，过小的张力又会因为松弛导致跑偏；张力控制不稳也会造成切断长度不稳定等现象，因此张力控制的好坏在卷取过程中具有十分重要的意义。
我们以镀锌板的卷取为例，镀锌板带在卷取过程中被拉伸，若其变形在弹性变化范围内，则其两端的张力遵循虎克定律。板带在卷取的过程中，板带的伸展率为：
由上式可见，卷取过程中板带所受张力是由前后卷取辊的相对转速差产生的。要想保持张力控制的恒定，就要保持好前后卷取辊的相对转速差的稳定，卷取辊的转速是由电机的电流来控制的，进一步说，要保持恒张力控制，就是要保持前后卷取辊电机的相对电流差的稳定，同时还要考虑卷径变化的影响。本文将上式称为张力模型。由于此式是多变量和非线性的，因此常规的控制方法很难实现采用张力模型的张力控制。
2．2张力PID控制的改进设计
PID控制具有可以改善系统的动态特性和稳态特性的优点，以及结构简单的特点，因此被广泛的应用于张力控制中。张力控制顾名思义就是要保证板带在卷取时张力的恒定不变，针对张力模型来说，就是要保证前后卷取辊的相对转速差的稳定。传统的PID控制方法就是按照此一定的控制性能要求，整定出一组固定的P、I、D参数，但是这样的参数往往是动态与静态性能的一种折中。在板带的卷取过程中，随着卷筒半径的增大，其惯性也越来越大，以及因为不同工艺转换而切换速度时，常规PID系统的控制效果往往不能达到最佳。体现在实际中，板带在卷取过程中经常出现变形，跑偏松套更严重者断带等现象，严重的影响生产的正常运行。模糊控制可以将人的经验、智慧总结提炼成模糊规则，模仿人的控制经验而不依赖对象的模型进行直接推理。为了提高张力控制的稳定性，我们将模糊推理与常规PID控制相结合起来，利用模糊逻辑推理对PID控制器参数进行在线自调整，并将其应用于实际的控制中。
3 模糊自适应PID控制器的设计
3．1模糊自适应PID控制器的结构
模糊自适应PID控制器主要由参数可调整的PID控制器和模糊推理器两部分组成，模糊
4．仿真与性能分析
本系统在经过MATLAB仿真运行后，系统工作稳定，操作方便，能够获得满意的性能指标。下图是在单位阶跃信号下的常规PID控制与模糊自适应PID控制器下的响应曲线。明显模糊自适应PID的控制方式获得的响应曲线具有较好的跟随性，且稳态精度高，超调量明显较小，调节时间得到了明显改善，从而全面的改善了系统的动态性能。
5．总结
本系统的控制对象是一要求实时快速检测、快速响应的环节，在其控制规律上有其自己的特点。本文将模糊推理应用于其PID参数整定中，使得该控制器集模糊控制器和PID控制器的优点于一身，既将专家经验有效的应用到了PID参数调节中，有保持了传统PID控制器结构简单的优点。我们将其应用于黄石山力锌铝板带有限公司的镀锌线卷取机的控制改造中，经过半年多的运行，由于工艺速度变化所引起的断带和松套跑偏现象大大减少，卷取质量大为提高。实验研究及工程实践都表明在常规PID控制器中加入模糊参数自整定后，系统的控制性能得到了很大的改善，因此该方案在张力卷取控制中具有良好的应用前景。
参考文献
[1]李友善，等，模糊控制理论及其在过程控制中的应用[M],北京，国防工业出版社，1993。
[2]陶永华，等，新型PID控制及其应用[M]，北京：机械工业出版社，1998。
[3]蔡自兴，智能控制－基础与应用[M]，北京:国防工业出版社，1998。
[4]袁震东，自适应控制理论及其应用[M],上海，华东师范大学出版社，1986。
作者简介：蒋胜（1980~），男，湖北武汉人，武汉科技大学信息科学与工程学院硕士研究生，研究方向：电气传动、智能控制。刘惠康（1963~），男，湖南涟源人，硕士，武汉科技大学信息科学与工程学院教授，主要从事传动自动化及供配电系统的教学科研工作。
基金项目：国家自然科学基金（编号60074032）资助项目。
