模糊自适应PID张力控制系统设计与研究

摘 要：本文主要为模糊自适应PID张力控制系统设计，首先选取模糊自适应PID控制方法构建控制系统，再通过Matlab的模糊工具箱对模糊控制器进行了设计，通过Simulink模块对系统进行了建模仿真。最后通过对系统控制效果的仿真比较，证明了本文构建的控制系统相对于传统控制系统具有更好的控制性能，可以更加高效的满足非晶带材卷取机的工作需求。

关键词：带材卷取机；模糊控制；PID控制；张力控制；Simulink仿真

软磁材料[ 1 ]，即可以用最小的外磁场实现最大磁化强度的材料，具有很高的磁导率，易于实现磁化与退磁，广泛用作导磁材料。作为非晶软磁材料产品化形式的非晶带材，越来越受到国家的高度关注，这对市场前景的扩大与生产效率的提高提出了更高的要求。

当前制约非晶带材生产工艺优化的一个关键性因素是卷取工艺的落后。卷取技术应用广泛，是关键的设备之一，在轧制过程中与主机或其他设备建立张力，实现稳定生产十分重要[ 2 ]。因此，研究非晶带材在线自动卷取机的张力控制系统具有十分重要的意义。

1 模糊自适应PID张力控制系统的建立

本文选用参数自整定模糊PID[ 3 ]控制器构建控制系统。

1.1 模糊化处理

本文的模糊控制选用二维模糊控制器，即选用两个输入量。本文将张力偏差e和张力偏差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，将比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd作为模糊控制器的输出变量。各变量的基本论域均为其实值变化范围，各变量的模糊论域均以+6至-6之间的整数来表示，各变量的模糊子集均表示为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

1.2 隶属函数

通过隶属函数，可以得到各变量在输入基本论域内的值隶属于各语言变量值的程度，隶属度均为0到1之间的数值。本文选用三角形隶属函数。

各变量的隶属函数图如下图1，图2所示：

1.3 模糊推理规则

制定模糊推理规则的原则是尽量使系统的输出响应特性达到最佳。不同工况下Kp、Ki、Kd参数的选取可总结如下：

1）当|e|较大时，Kp值应当设定的相对大些，Kd值和 Ki则应设定的相对小一些，以使系统具有较快的响应速度，同时避免控制量过大，防止系统超调。

2）当|e|处于中等大小时，Kp值设定的应当小一些，Kd值和Ki值的设定不能过于极端，这样可以使系统具有较快的响应速度。

3）当|e|较小时，应取稍大的Kp、稍大的Ki，以使系统具有较好的稳定特性，同时防止系统产生振荡。Kd的取值依赖于ec，当 ec较小时，可取较大的Kd值，当ec较大时，可取较小的Kd值。

各参数的模糊规则表及模糊推理三维图如下所示：

2 模糊自适应PID张力控制系统仿真

2.1 模糊控制器的构建

通过Matlab的模糊工具箱，构件模糊控制器。其操作界面如下图所示：

2.2 simulink仿真

在忽略电参数，保留机械参数的条件下，可以将模糊控制器的广义控制对象降阶并近似用二阶系统拟合 [ 1 ]。这种近似处理带来的误差可以忽略不计。系统仿真结构图在matlab的Simulink模块中的表示方法如下：

在单位阶跃信号下，PID控制和模糊自适应PID控制下的系统响应如图所示：

由上述仿真结果可以看出基于模糊PID控制方法下的系统响应更加迅速及小幅值的达到稳定状态，因此模糊自适应PID张力控制系统与传统控制系统相比具有更好的控制性能。

3 结论

本文主要为模糊自适应PID张力控制系统设计，首先通过Matlab的模糊工具箱对模糊控制器进行了设计，再通过simulink模块对系统进行了建模仿真，最后通过对系统控制效果的仿真比较，证明了本文构建的控制系统相对于传统控制系统具有更好的控制性能，可以更加高效的满足非晶带材卷取机的工作需求。

参考文献：

[1] 周馨我等.功能材料学[M].北京理工大学出版社，2005：92-94.

[2] 李海亮.冷轧卷取机振动及张力分布的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2007，4：3.

[3] 王述彦，师宇，冯忠绪.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].机械科学与技术，2011，1（30）：166-172.

[4] 李实永，王钦若.模糊控制在薄膜张力控制系统中的研究与应用[J].中气传动自动化，2001，23（5）：33-35.

作者简介：刘贵杰（1968-），男，汉族，山东菏泽人，中国海洋大学工程学院机电工程系主任，教授，研究方向：机械加工过程智能化监测与控制；江志滨（1976-），男，汉族，山东省青岛市人，中国海洋大学工程学院2011级机械工程专业在职硕士研究生，研究方向为机电一体化设计。