阅读说明：本技术 卷材生产线张力pid混合控制的系统和控制方法 (System and method for PID (proportion integration differentiation) hybrid control of tension of coiled material production line ) 是由 曾昭奇 匡奕楠 丁爱国 于 2020-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供卷材生产线张力PID混合控制的系统和控制方法,所述系统包括PID处理模块、频率控制模块和速度限制模块；所述速度限制模块用于向所述PID处理模块输入最高速度限制信号；所述PID处理模块用于根据张力偏差信号和所述最高速度限制信号确定速度调整信号,并将所述速度调整信号输出至所述频率控制模块；所述张力偏差信号为输入所述系统的给定张力输入信号与受控对象反馈的实际张力信号之间构成的偏差；所述频率控制模块用于在接收所述PID处理模块发出的所述速度调整信号后,根据所述速度调整信号输出速度控制信号至所述受控对象以控制所述受控对象的运行速度,有利于使整个系统在调整过程中出现的震荡较小,在快速反应调整的同时不出现超调的现象。(The invention provides a system and a control method for tension PID mixed control of a coil production line, wherein the system comprises a PID processing module, a frequency control module and a speed limiting module; the speed limiting module is used for inputting a highest speed limiting signal to the PID processing module; the PID processing module is used for determining a speed adjusting signal according to the tension deviation signal and the highest speed limiting signal and outputting the speed adjusting signal to the frequency control module; the tension deviation signal is a deviation formed between a given tension input signal input into the system and an actual tension signal fed back by the controlled object; the frequency control module is used for outputting a speed control signal to the controlled object according to the speed adjusting signal after receiving the speed adjusting signal sent by the PID processing module so as to control the running speed of the controlled object, so that the oscillation of the whole system in the adjusting process is small, and the phenomenon of overshoot is avoided while the adjustment is quickly responded.)

卷材生产线张力PID混合控制的系统和控制方法

技术领域

本发明涉及生产线控制领域，更具体地，涉及卷材生产线张力PID混合控制的系统和控制方法。

背景技术

卷材生产线上一般利用多台同步电机拉动卷材进行批量生产和处理，在两个同步电机之间一般会采用张力传感器对生产过程进行监控，在生产线启停或加减速过程中，电机之间的不同步率会增加，从而导致卷材拉伸变形或出现收缩，此时便需要张力传感器的数据对卷材的生产进行监控。

现有的生产线通常采用PID控制系统对同步电机的运行速度进行控制和调整，但依然难以很好适应卷材生产线的要求，尤其是现有的PID控制系统为了根据张力传感器的数据快速调整电机，通常会出现超调的情况，整个PID控制的过程会出现震荡，整个控制过程并不稳定。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供卷材生产线张力PID混合控制的系统和控制方法，用于解决现有PID控制系统根据张力数据快速反应时出现系统不稳定或震荡的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种卷材生产线张力PID混合控制的系统，所述系统包括PID处理模块、频率控制模块和速度限制模块；所述速度限制模块用于向所述PID处理模块输入最高速度限制信号；所述PID处理模块用于根据张力偏差信号和所述最高速度限制信号确定速度调整信号，并将所述速度调整信号输出至所述频率控制模块；所述张力偏差信号为输入所述系统的给定张力输入信号与受控对象反馈的实际张力信号之间构成的偏差；所述频率控制模块用于在接收所述PID处理模块发出的所述速度调整信号后，根据所述速度调整信号输出速度控制信号至所述受控对象以控制所述受控对象的运行速度。

卷材生产线上一般通过多台同步电机或同步装置实现卷材的生产，由此本发明采用PID处理模块以及频率控制模块对受控对象进行控制，PID控制处理即根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，应用于本技术方案中即为根据给定的张力输入信号与实际输出的信号构成控制偏差，实际输出的信号即为通过受控对象反馈的信号，PID处理模块根据所构成的偏差，通过微分、积分和比例函数输出一个调整信号至频率控制模块，从而调整受控对象，在该调整信号的影响下能够使给定的输入信号与实际输出的信号之间的偏差降低，以达到控制同步装置的目的。

由于在频率控制模块的频率较低时，PID处理模块输出的调整信号有可能会使频率控制模块在快速反应控制时出现超调现象，在超调过后需要再次下调受控对象的速度，造成频率调整过程出现震荡，需要一定的时间才能够稳定，因此在本发明所提供的系统中加入了速度限制模块对PID处理模块输出的调整信号进行限制，所述最高速度限制信号向PID处理模块输入最高速度限制信号，PID处理模块根据原本对偏差构成的处理得到调整信号后，再结合最高速度限制信号向频率控制模块输出最终的速度调整信号，频率控制模块根据该信号输出速度控制信号控制受控对象的运行速度，从而使整个调整过程出现的震荡较小，在快速反应调整的同时不出现超调的现象。

进一步，所述最高速度限制信号中的最高速度根据关系式V₁＝r×(K_m+K_i)确定，其中，所述V₁为所述最高速度，所述r为所述受控对象的预设速度，所述K_m为机械传动比，所述K_i为卷材不变形系数。受控对象的预设速度也为生产卷材时整条生产线的运动速度，受控对象的速度与生产线的运动速度保持一致。最高速度主要保证卷材不会因受控对象的运行速度过快导致变形，因此加入了机械传动比以及卷材不变形系数等参数进行限定。

进一步，所述频率控制模块还用于根据检测得到的所述受控对象的力矩大小，判断所述力矩是否大于力矩预设值，如是，则切换到力矩矢量控制模式，如不是，则切换到速度矢量控制模块；

所述频率控制模块用于在接收所述PID处理模块发出的所述速度调整信号后，根据所述速度调整信号输出速度控制信号至所述受控对象以控制所述受控对象的运行速度，具体为：所述频率控制模块用于在切换到所述速度矢量控制模式时，在接收到所述PID处理模块发出的所述速度调整信号后，根据所述速度调整信号输出速度控制信号至所述受控对象以控制所述受控对象的运行速度；

所述频率控制模块还用于在切换到所述力矩矢量控制模式时，根据力矩偏差信号确定力矩速度控制信号，将所述力矩速度控制信号发送至所述受控对象以控制所述受控对象的运行速度；所述力矩偏差信号为输入所述系统的给定力矩输入信号与所述频率控制模块反馈的实际力矩信号之间构成的偏差。

频率控制模块除了根据PID处理模块输入的速度调整信号对受控对象进行控制，频率控制模块还对整条生产线的力矩进行监控，主要为了防止某一个同步电机或同步装置在运行时出现打滑的现象，造成该同步装置的前端或后端的装置张力增大导致卷材拉伸变形或产品收缩的情况，因此频率控制模块有两种控制模式，一是速度矢量控制模块，另一是力矩矢量控制模式。当所检测到的力矩大于力矩预设值时便切换到力矩矢量模式，在力矩矢量模式下，根据力矩偏差信号确定力矩速度控制信号，将力矩速度控制信号发送至受控对象以控制受控对象的运行速度，当所检测到的力矩小于力矩预设值时便切换到速度矢量模式，在速度矢量模式下，接收并根据PID处理模块发出的所述速度调整信号，输出速度控制信号至受控对象以控制受控对象的运行速度。利用两种模式控制受控对象的速度，保证产品在生产过程中不会产生拉伸变形，使生产产品质量稳定。

进一步，所述PID处理模块用于根据张力偏差信号和所述最高速度限制信号确定速度调整信号，具体为：所述PID处理模块用于根据关系式确定第k次的速度调整信号，其中，k≥1，所述u(k)′为所述第k次的速度调整信号，所述u(k)为所述PID处理模块根据张力偏差信号确定的第k次的初始速度调整信号，所述V₁为所述最高速度限制信号中的最高速度，所述V₂为所述第k次的初始速度调整信号u(k)所对应的第k次的初始速度。

PID处理模块在接收到张力偏差信号以及速度限制模块输入的最高速度限制信号后，根据关系式确定第k次的速度调整信号，第k次的初始速度调整信号u(k)为PID处理模块在没有接收最高速度限制信号时，仅利用张力偏差信号经过常规处理后得到的初始速度调整信号，该初始速度调整信号中对应有调整受控对象的一初始速度V₂；

而第k次的速度调整信号u(k)′为PID处理模块在接收最高速度限制信号后，利用最高速度限制信号结合初始速度调整信号处理得到的速度调整信号，该速度调整信号u(k)′通过最高速度V₁以及初始速度V₂的比值与第k次的初始速度调整信号u(k)相乘得到，该计算方式能够降低第k次的速度调整信号u(k)′所对应的速度，使整个速度调整过程中既不出现超调，同时又能够在最大程度上快速反应。

本发明采取的技术方案还为：

一种卷材生产线张力混合控制的方法，应用于PID处理模块，步骤包括：

根据张力偏差信号和速度限制模块输入的最高速度限制信号确定速度调整信号，并将所述速度调整信号输出至频率控制模块，以使所述频率控制模块在接收到所述速度调整信号后，根据所述速度调整信号输出速度控制信号至受控对象以控制所述受控对象的运行速度；

所述张力偏差信号为外部输入的给定张力输入信号与所述受控对象反馈的实际张力信号之间构成的偏差。

基于上述应用于PID处理模块的方法，本发明采取的技术方案还为一种卷材生产线张力混合控制的方法，应用于速度限制模块，步骤包括：向所述PID处理模块输入最高速度限制信号。

基于上述应用于PID处理模块的方法，本发明采取的技术方案还为一种卷材生产线张力混合控制的方法，应用于频率控制模块，步骤包括：在接收所述PID处理模块发出的速度调整信号后，根据所述速度调整信号输出速度控制信号至受控对象以控制所述受控对象的运行速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)通过最高速度限制信号对PID处理模块所输出的调整信号进行限制，使其输出的速度调整信号能够使频率控制模块在最大程度上快速反应但不超调，保持整个系统的稳定；

(2)频率控制模块保持监控受控对象的力矩大小并在力矩超过预设值时切换到力矩矢量控制模式保证生产产品不会出现拉伸变形或收缩的情况，在力矩没有超过预设值时依然保持速度矢量控制模式保证生产产品的正常生产。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统在仅有速度矢量模式下的结构示意图。

图2为本发明实施例1的系统既包括速度矢量模式也包括力矩矢量模式下的结构示意图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种卷材生产线张力PID混合控制的系统，所述系统包括PID处理模块、频率控制模块和速度限制模块。

其中，输入系统的给定张力信号为r(k)，所述PID处理模块输出至频率控制模块的速度调整信号为u(k)，所述频率控制模块根据所述信号u(k)输出至受控对象的速度控制信号y(k)，速度控制信号为所述受控对象反馈的实际张力信号为c(k)，所述PID处理模块根据所述实际张力信号c(k)以及所述给定张力信号r(k)得到张力偏差信号e(k)，e(k)＝r(k)-c(k)。

张力信号可为根据张力传感器所得到的数据，单位为N，也可以为根据其他传感器如位移传感器所得到的数据所转化为表示张力的系数，系数范围在0％-100％之间。PID处理模块输出的速度调整信号u(k)同样为表示张力的系数，频率控制模块根据该系数输出至受控对象的速度控制信号y(k)单位为Hz，通过调整受控对象的频率从而控制其速度。

该系统控制受控对象的过程为，

S1：速度限制模块向PID处理模块输入最高速度限制信号；

S2：PID处理模块根据张力偏差信号e(k)与最高速度限制信号确定速度调整信号u(k)并输出至频率控制模块；

S3：频率控制模块根据速度调整信号u(k)输出速度控制信号y(k)至受控对象控制其运行的速度，使所有受控对象同步运行，防止卷材产品在生产过程中出现变形拉伸或收缩的情况。

作为优选方案，最高速度限制信号中所对应的最高速度可根据关系式V₁＝r×(K_m+K_i)确定，其中，所述V₁为所述最高速度，所述r为所述受控对象的预设速度，该预设速度的单位为m/min，所述K_m为机械传动比，所述K_i为卷材不变形系数。

受控对象的预设速度也为生产卷材时整条生产线的运动速度，受控对象的速度与生产线的运动速度保持一致。最高速度主要保证卷材不会因受控对象的运行速度过快导致变形，因此加入了机械传动比以及卷材不变形系数等参数进行限定。

作为优选方案，在系统控制受控对象的过程中，频率控制模块保持对受控对象的力矩大小进行监控，检测受控对象的力矩大小并判断力矩是否大于力矩预设值，如是，则切换到力矩矢量控制模式，如不是，则切换到速度矢量控制模块；

如图2所示，输入频率控制模块的给定力矩信号为r1(k)，给定力矩输入信号r1(k)与所述频率控制模块反馈的实际力矩信号之间构成的偏差为力矩偏差信号e1(k)。

当频率控制模块所检测到的力矩大于力矩预设值时，切换到力矩矢量模式，在力矩矢量模式下，频率控制模块根据力矩偏差信号e1(k)确定力矩速度控制信号，将力矩速度控制信号y(k)’发送至受控对象以控制受控对象的运行速度。

当频率控制模块所检测到的力矩小于力矩预设值时，切换到速度矢量模式，在速度矢量模式下，频率控制模块接收并根据PID处理模块发出的速度调整信号u(k)，输出速度控制信号y(k)至受控对象以控制受控对象的运行速度。利用两种模式控制受控对象的速度，保证产品在生产过程中不会产生拉伸变形，使生产产品质量稳定。

作为优选方案，步骤S2中提及“PID处理模块用于根据张力偏差信号e(k)和最高速度限制信号确定速度调整信号”，具体的执行过程为：

PID处理模块用于根据关系式确定第k次的速度调整信号，其中，k≥1，所述u(k)′为所述第k次的速度调整信号，所述u(k)为所述PID处理模块根据张力偏差信号确定的第k次的初始速度调整信号，所述V₁为所述最高速度限制信号中的最高速度，所述V₂为所述第k次的初始速度调整信号u(k)所对应的第k次的初始速度。

PID处理模块在接收到张力偏差信号e(k)以及速度限制模块输入的最高速度限制信号后，根据关系式

确定第k次的速度调整信号，第k次的初始速度调整信号u(k)为PID处理模块在没有接收最高速度限制信号时，仅利用张力偏差信号e(k)经过常规处理后得到的初始速度调整信号，该初始速度调整信号中对应有调整受控对象的一初始速度V₂；

PID处理模块仅根据张力偏差信号e(k)确定第k次的初始速度调整信号u(k)的具体过程为：根据关系式确定第k次的初始速度调整信号u(k)，其中，k≥1，所述K_p为所述PID处理模块的比例系数，所述e(k-1)为第k-1次的张力偏差信号，所述T_i为所述PID处理模块的积分时间，所述T_d为所述PID处理模块的微分时间。

而第k次的速度调整信号u(k)′为PID处理模块在接收最高速度限制信号后，利用最高速度限制信号结合初始速度调整信号u(k)处理得到的速度调整信号，该速度调整信号u(k)′通过最高速度V₁以及初始速度V₂的比值与第k次的初始速度调整信号u(k)相乘得到，以降低第k次的速度调整信号u(k)′所对应的速度，使整个速度调整过程中既不出现超调，同时又能够在最大程度上快速反应。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。