一种卷材张力控制器的多工况自适应PID控制方法及装置与流程

本发明涉及卷材张力控制，特别涉及一种卷材张力控制器的多工况自适应pid控制方法。

背景技术：

1、在印刷、包装、锂电极片加工、纺织、薄膜分切等卷材类产品的生产加工过程中，卷材张力的稳定控制是保障加工精度、产品良率与生产线运行效率的核心环节。张力控制精度不足或波动过大，易导致卷材跑偏、拉伸变形、套印偏差、断料等问题，直接影响最终产品质量与生产连续性。pid控制因结构简单、鲁棒性强，是当前卷材张力控制领域应用最为广泛的控制算法。常规的卷材张力pid控制方案多采用单组固定pid参数，仅能在特定的稳态运行工况下达到较优的控制效果。当生产线处于升速、降速、启停等动态运行工况时，卷材的张力动态特性发生显著变化，固定参数难以同时兼顾稳态控制精度与动态响应速度：若pid参数按稳态精度需求整定，动态工况下控制响应滞后明显，易出现卷材松弛、张力不足等问题；若pid参数按动态响应需求整定，稳态运行时又易引发持续的张力震荡，控制稳定性下降，无法适应多工况连续运行的生产场景。

2、为改善上述问题，现有技术中出现了基于多组pid参数的工况切换控制方案，通过识别运行工况切换对应参数，以适配不同运行状态下的控制需求。但此类方案在实际应用中仍存在诸多局限：其一，工况切换时参数直接跳变，控制输出易产生阶跃式突变，引发张力瞬时冲击，反而增加了卷材拉伸变形甚至断裂的风险；其二，未针对张力偏差的幅值大小进行差异化增益调节，在稳态小偏差场景下仍采用常规比例增益，易产生超调震荡，难以实现高精度的稳态张力控制；其三，急停等安全工况的处理方式较为单一，仅直接切换至急停参数，未对切换前的控制输出进行适配性缩放，急停瞬间张力突变幅度大，无法有效规避卷材过张拉断的风险；其四，各工况均采用统一的pid控制结构，未根据工况特性差异化配置控制项，动态工况下微分项易放大系统扰动噪声，反而加剧张力波动。

3、综上，现有卷材张力pid控制技术难以同时兼顾稳态控制精度、动态工况响应速度与工况切换平稳性，无法充分满足高速、高可靠性卷材加工生产线的控制需求。

技术实现思路

1、本发明的主要目的为提供一种卷材张力控制器的多工况自适应pid控制方法，旨在解决加减速、急停及稳态小误差等不同工况下张力响应及时性与稳定性的矛盾，避免材料松弛或过张拉断的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种卷材张力控制器的多工况自适应pid控制方法，包括以下步骤：

3、预配置pid参数以及控制辅助参数，所述pid参数包括正常运行工况参数、加减速工况参数、急停工况参数，所述控制辅助参数包括预设偏差幅值、偏差p参数、急停系数、预设输出上限、预设过渡时间及incinc/incdec控制逻辑；

4、实时采集卷材张力反馈值，并将所述张力反馈值与预设目标张力值进行比对，得到当前控制偏差；

5、实时检测张力控制系统输出的工况触发信号，根据所述工况触发信号的有效状态识别当前运行工况，并匹配调用与当前运行工况对应的pid参数；

6、判断当前运行工况相对于上一个控制周期是否发生切换，若未发生切换，保持当前控制输出基准进入pid运算环节，若发生切换，则以切换前一控制周期的控制输出值为起始基准，在预设过渡时间内平滑过渡至新工况pid参数运算得到的目标输出值，使控制输出在工况切换前后平滑过渡，其中，当切换后的目标工况为急停工况时，先对切换前的控制输出值进行急停系数缩放，再以缩放后的输出值为起始基准进行平滑过渡；

7、将所述控制偏差的绝对值与所述预设偏差幅值比较，若小于所述预设偏差幅值，则采用所述偏差p参数作为当前比例增益，若大于或等于所述预设偏差幅值，则采用当前调用的pid参数中的比例增益作为当前比例增益，其中，偏差p参数的增益值小于pid参数中比例增益的增益值；

8、基于当前比例增益与当前调用的pid参数中的积分参数与微分参数，结合当前控制偏差进行pid运算，并将pid运算结果按照所述incinc/incdec控制逻辑进行调整，得到张力控制量。

9、进一步地，所述实时检测张力控制系统输出的工况触发信号，根据所述工况触发信号的有效状态识别当前运行工况，并匹配调用与当前运行工况对应的pid参数的步骤，包括：

10、实时检测卷材张力控制系统输出的工况触发信号，所述工况触发信号包括加减速触发信号与急停触发信号；

11、根据所述工况触发信号的有效状态进行工况判定，其中急停触发信号的判定优先级高于加减速触发信号的判定优先级；

12、当急停触发信号有效时，判定为急停工况，并调用急停工况对应的pid参数；

13、当急停触发信号无效、加减速触发信号有效时，判定为加减速工况，并调用加减速工况对应的pid参数；

14、当急停触发信号与加减速触发信号均无效时，判定为正常运行工况，并调用正常运行工况对应的pid参数。

15、进一步地，所述采用所述偏差p参数作为当前比例增益与采用当前调用的pid参数中的比例增益作为当前比例增益之间的切换设置有滞回区间：当控制偏差的绝对值从小于所述预设偏差幅值增大至所述预设偏差幅值时，切换为采用当前调用的pid参数中的比例增益；

16、当控制偏差的绝对值从大于所述预设偏差幅值减小至所述预设偏差幅值与预设滞回系数的乘积时，切换为采用所述偏差p参数。

17、进一步地，所述基于当前比例增益、当前调用的pid参数中的积分参数与微分参数，结合当前控制偏差进行pid运算，并将pid运算结果按照所述控制逻辑处理，同时进行输出上限限幅，得到张力控制量的步骤，包括：

18、以当前确定的比例增益作为比例项系数，结合当前调用的pid参数中的积分参数、微分参数，对当前控制偏差进行pid运算，得到初始运算输出值；

19、采用incinc控制逻辑或incdec控制逻辑对所述初始运算输出值进行输出方向匹配，匹配得到与执行机构极性适配的匹配输出值，其中，所述incinc控制逻辑为张力随控制输出增大而增大的正向输出逻辑，所述incdec控制逻辑为张力随控制输出增大而减小的反向输出逻辑；

20、将所述匹配输出值与预设输出上限进行比较，若所述匹配输出值大于或等于所述预设输出上限，则取所述预设输出上限作为限幅后输出值，若小于所述预设输出上限，则以所述匹配输出值作为限幅后输出值，输出所述限幅后输出值作为张力控制量。

21、进一步地，所述加减速工况参数包括对应不同控制偏差方向的加减速正参数与加减速负参数，所述急停工况参数包括对应不同控制偏差方向的急停正参数与急停负参数；

22、所述加减速正参数与急停正参数对应实际张力反馈值小于预设目标张力值的控制偏差，所述加减速负参数与急停负参数对应实际张力反馈值大于预设目标张力值的控制偏差；

23、所述加减速正参数、加减速负参数、急停正参数与急停负参数均至少包含比例增益项与积分系数项。

24、进一步地，所述运行工况发生切换时，根据切换后的目标工况类型执行差异化过渡处理，具体包括：

25、当切换后的目标工况为正常运行工况或加减速工况时，以切换前一控制周期的控制输出值为起始基准，在预设过渡时间内平滑过渡至目标工况对应pid参数运算得到的目标输出值；

26、当切换后的目标工况为急停工况时，先将切换前一控制周期的控制输出值与预设的急停系数相乘，得到急停初始输出值，再以所述急停初始输出值为起始基准，在预设过渡时间内平滑过渡至急停工况对应pid参数运算得到的目标输出值。

27、进一步地，pid运算过程中对积分项进行独立限幅控制，不同运行工况对应不同的积分限幅值；

28、当运行工况发生切换时，将切换前的积分项值按切换后目标工况的积分限幅进行钳位，作为切换后积分运算的初始值；

29、当切换为急停工况时，积分项清零，仅以比例项参与初始运算。

30、进一步地，所述正常运行工况参数包含比例增益、积分系数与微分系数，采用完整pid控制结构；

31、所述加减速工况参数与所述急停工况参数均采用pi控制结构，仅包含比例增益与积分系数，不启用微分系数。

32、进一步地，所述实时采集卷材张力反馈值，并将所述张力反馈值与预设目标张力值进行比对，得到当前控制偏差的步骤，包括：

33、按预设采样周期采集并转换得到卷材的实际张力反馈值，将所述实际张力反馈值与预设目标张力值做差值运算，得到带有正负极性的当前控制偏差。

34、本发明还提供一种卷材张力控制器的多工况自适应pid控制装置，包括：

35、参数配置模块，用于预配置pid参数以及控制辅助参数，所述pid参数包括正常运行工况参数、加减速工况参数、急停工况参数，所述控制辅助参数包括预设偏差幅值、偏差p参数、急停系数、预设输出上限、预设过渡时间及incinc/incdec控制逻辑；

36、偏差生成模块，用于实时采集卷材张力反馈值，并将所述张力反馈值与预设目标张力值进行比对，得到当前控制偏差；

37、工况识别匹配模块，用于实时检测张力控制系统输出的工况触发信号，根据所述工况触发信号的有效状态识别当前运行工况，并匹配调用与当前运行工况对应的pid参数；

38、切换过渡模块，用于判断当前运行工况相对于上一个控制周期是否发生切换，若未发生切换，保持当前控制输出基准进入pid运算环节，若发生切换，则以切换前一控制周期的控制输出值为起始基准，在预设过渡时间内平滑过渡至新工况pid参数运算得到的目标输出值，使控制输出在工况切换前后平滑过渡，其中，当切换后的目标工况为急停工况时，先对切换前的控制输出值进行急停系数缩放，再以缩放后的输出值为起始基准进行平滑过渡；

39、增益选择模块，用于将所述控制偏差的绝对值与所述预设偏差幅值比较，若小于所述预设偏差幅值，则采用所述偏差p参数作为当前比例增益，若大于或等于所述预设偏差幅值，则采用当前调用的pid参数中的比例增益作为当前比例增益，其中，偏差p参数的增益值小于pid参数中比例增益的增益值；

40、pid输出模块，基于当前比例增益与当前调用的pid参数中的积分参数与微分参数，结合当前控制偏差进行pid运算，并将pid运算结果按照所述incinc/incdec控制逻辑进行调整，得到张力控制量。

41、本发明提供的一种卷材张力控制器的多工况自适应pid控制方法及装置，具有以下有益效果：

42、动态响应快且稳态无震荡，多工况pid参数自动匹配，结合偏差幅值分段增益调节，动态工况下张力快速收敛，稳态小偏差场景下抑制超调震荡，兼顾响应速度与控制精度。急停平滑防断裂，急停工况先按急停系数缩放输出、再平滑过渡，避免工况切换时的张力瞬时冲击，有效防止卷材过张拉断，提升生产安全性。适配性强，所有控制参数支持现场整定，可灵活适配不同卷材材质、生产线速度与加工工艺，工程实用性强。