CN102011220A - 基于模糊控制器的自调匀整控制***及控制方法 - Google Patents

基于模糊控制器的自调匀整控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于模糊控制的自调匀整控制***及控制方法，在控制器内设定线密度值，将棉条放入喂入检测点，检测机构对棉条线密度进行检测，得到喂入棉条的实际线密度值，将棉条的实际线密度值传递给控制器；将检测后的棉条输送至牵伸机构，控制器将得到的实际线密度值与设定线密度值进行比较，控制牵伸机构按照初始牵伸比对棉条进行牵伸，控制牵伸机构按照调整后的牵伸比对下一个棉条进行牵伸。本发明通过模糊控制技术来实现自调匀整控制，通过对自调匀整***数学模型的分析，建立了***的模糊控制器并在simulink中搭建了仿真模型，由仿真波形可知，该***及方法能够明显提高产品质量。

Description

基于模糊控制器的自调匀整控制***及控制方法
技术领域
本发明属于信号与信息处理及纺织技术领域，具体涉及一种基于模糊控制器的自调匀整控制***，本发明还涉及利用该***进行控制的方法。
背景技术
自调匀整***是一种用来控制棉条粗细不匀的自动调节装置。自调匀整器自动控制输出棉条的定量，是采用自动调节牵伸倍数的办法。它在棉条太粗时加大牵伸，太细时则减小牵伸，最后使输出棉条始终维持一定范围的粗细和定量，它在现代纺织工业中有着极其重要的地位。该***是一个强扰动(输入棉条线密度不断变化)、大延迟(匀整点到检测点的延时)的定值(输出棉条的线密度为一定值)控制***。
在传统的自调匀整控制中，大多是采用PID控制，这种控制过程较为复杂。传统的PID控制在工业生产中虽然得到广泛应用，但是对于大滞后、非线性的复杂***，常规PID控制很难保证其控制效果处于最佳状态。而模糊控制不需要控制对象的精确数学模型，它是一种基于规则的控制，依据操作人员的控制经验和专家的知识，通过查表就可以得到控制量，实现简单，控制效果好。
模糊控制是智能控制的一种典型和较早的形式，作为智能控制的一个分支，自从1974年英国的Mandani成功的将其应用于锅炉和蒸汽机的控制以来，特别是近几年得到了飞速的发展。模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物，它采取了人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理等工具，得到控制表格进行控制，它不需要建立被控对象的数学模型、***鲁棒性强，且模糊控制方法易于掌握。因此，它特别适用于那些难以获得过程的精确数学模型及具有时变时滞、非线性、大滞后的复杂工业控制***，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模糊控制器的自调匀整控制***，解决了现有PID控制***对于大滞后、非线性的复杂***，很难保证其控制效果处于最佳状态的问题，通过对牵伸机构罗拉速度的控制，改善棉条粗细不匀的状况，提高产品质量。
本发明的另一目的是提供一种利用上述***进行控制的方法。
本发明采用的技术方案是，一种基于模糊控制的自调匀整控制***，包括依次连接的喂入检测点和牵伸机构，喂入检测点上还依次连接有检测机构和控制器，控制器的输出端通过执行机构和牵伸机构相连接。
本发明采用的另一技术方案是，采用一种基于模糊控制的自调匀整控制***，其结构为：包括依次连接的喂入检测点和牵伸机构，喂入检测点上还依次连接有检测机构和控制器，控制器的输出端通过执行机构和牵伸机构相连接，
具体按照以下步骤实施：
步骤1：在控制器内设定线密度值，将棉条放入喂入检测点，检测机构对棉条线密度进行检测，得到喂入棉条的实际线密度值，将棉条的实际线密度值传递给控制器；
步骤2：将上步检测后的棉条输送至牵伸机构，控制器将步骤1得到的实际线密度值与设定线密度值进行比较，根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值，将得到的牵伸比的调整值传递给执行机构，执行机构根据牵伸比的调整值得到调整后的牵伸比，然后控制牵伸机构按照调整后的牵伸比对棉条进行牵伸，使得棉条的线密度值和设定线密度值相同，得到匀整后的棉条，完成基于模糊控制的自调匀整控制。
本发明的特点还在于，
其中控制器根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值，具体按照以下步骤实施：
A：确定模糊控制器的输入变量即误差精确值e和误差变化率精确值ec，输入变量即为输入棉条的实际线密度值与设定线密度值的偏差以及偏差变化量，偏差变化量是通过对偏差的求导得到，输出变量为牵伸比的调整量U；
B：根据经验和自调匀整输入输出模型的规律得到以下的模糊控制条件语句：
如果棉层厚度小了很多，并且有进一步减小的趋势，那么模糊控制器输出电压加大；
如果棉层厚度小了很多，并且有进一步增大的趋势，那么模糊控制器输出电压取中值；
如果棉层厚度大了很多，并且有进一步增加的趋势，那么模糊控制器输出电压减小；
如果棉层厚度大了很多，并且有进一步减小的趋势，那么模糊控制器输出电压取中值；
根据以上规则及人工控制经验得到控制规则，在MATIAB中的FIS编辑器中对规则进行编辑；
C：将步骤A中得到的误差精确值e和误差变化率精确值ec量化到模糊论域变成误差模糊值E及误差变化率模糊值EC，即将偏差和偏差变化量量化到[-6，6]论域段，定义输入、输出模糊变量的模糊子集；由步骤B得到的模糊控制器的控制规则，确定模糊子集隶属函数曲线的形状，利用matlab中的模糊控制工具箱对模糊控制器进行仿真；
D：在simulink中建立自调匀整控制***模糊控制的***仿真模型，将步骤C中得到的模糊控制器嵌入仿真模型中。
本发明的有益效果是，首先对现有匀整算法进行总结、研究和仿真；然后提出模糊控制算法，这包括隶属度函数的设计，推理规则和决策表的设计，以及量化因子的选择；最后，对所提出算法进行Matlab仿真，根据仿真结果对算法进行修正，然后继续仿真。
模糊控制是一种建立在经验上的控制方式，无需预先知道被控制对象的精确数学模型，所以可以对那些数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效的控制。人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句，即控制规则。模糊控制方法适用于非线性控制，对于诸如自调匀整这类难以精确建立数学模型的***可以收到比较满意的效果。同时，棉条牵伸又有其特殊要求，例如在棉条太粗时加大牵伸，太细时则减小牵伸，自动调节牵伸装置的牵伸倍数，使纺出棉条的定量保持一个符合要求的数值。而模糊控制以偏差和偏差的变化为输入，根据模糊规则进行推理，得出***的控制变量，这恰好与棉条牵伸特殊要求有着类似的特点。因此在并条机上采用模糊控制实现自调匀整，其性能要优于传统的自调匀整的控制方法。
附图说明
图1是本发明基于模糊控制器的自调匀整控制***的结构示意图；
图2是本发明控制方法中采用的二维模糊控制器基本结构示意图；
图3是本发明实施例自调匀整控制***在matlab中设置误差精确值e的隶属度函数；
图4是本发明实施例自调匀整控制***在matlab中设置误差变化率精确值ec的隶属度函数；
图5是本发明实施例自调匀整控制***在matlab中设置控制量U的隶属度函数；
图6是本发明实施例自调匀整控制***在matlab中设置的控制规则；
图7是本发明实施例自调匀整控制***在matlab中设置的模糊控制规则表；
图8是本发明实施例中自调匀整控制***在simulink中的仿真结果。
图中，1.喂入检测点，2.牵伸机构，3.检测机构，4.执行机构，5.控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于模糊控制器的自调匀整控制***，其结构如图1所示，包括依次连接的喂入检测点1和牵伸机构2，喂入检测点1上还依次连接有检测机构3和控制器5，控制器5的输出端通过执行机构4和牵伸机构2相连接。
本发明基于模糊控制器的自调匀整控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：在控制器5内设定线密度值，将棉条放入喂入检测点1，检测机构3对棉条线密度进行检测，得到喂入棉条的实际线密度值，将棉条的实际线密度值传递给控制器5；
步骤2：将上步检测后的棉条输送至牵伸机构2，控制器5将步骤1得到的实际线密度值与设定线密度值进行比较，根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值，将得到的牵伸比的调整值传递给执行机构4，执行机构4根据牵伸比的调整值得到调整后的牵伸比，然后控制牵伸机构2按照调整后的牵伸比对棉条进行牵伸，使得棉条的线密度值和设定线密度值相同，得到匀整后的棉条，完成基于模糊控制的自调匀整控制。
控制器5根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值，具体按照以下步骤实施：
A：确定模糊控制器的输入变量即误差的精确值e和误差变化率精确值ec，输入变量即为输入棉条的实际线密度值与设定线密度值的偏差以及偏差变化量，偏差变化量是通过对偏差的求导得到，输出变量为控制量U(U为牵伸比的调整量)；
B：根据经验和自调匀整输入输出模型的规律得到以下的模糊控制条件语句：
如果棉层厚度小了很多，并且有进一步减小的趋势，那么模糊控制器输出电压加大；
如果棉层厚度小了很多，并且有进一步增大的趋势，那么模糊控制器输出电压取中值；
如果棉层厚度大了很多，并且有进一步增加的趋势，那么模糊控制器输出电压减小；
如果棉层厚度大了很多，并且有进一步减小的趋势，那么模糊控制器输出电压取中值。
根据以上规则及人工控制经验得到控制规则，在MATLAB中的FIS编辑器中对规则进行编辑。
C：将步骤A中得到的误差精确值e和误差变化率精确值ec量化到模糊论域变成误差模糊值E及误差变化率模糊值EC，即将偏差和偏差变化量量化到[-6，6]论域段，定义输入、输出模糊变量的模糊子集；由步骤B得到的模糊控制器的控制规则，确定模糊子集隶属函数曲线的形状，利用matlab中的模糊控制工具箱对模糊控制器进行仿真，二维模糊控制器的基本结构如图2所示；
D：在simulink中建立自调匀整控制***模糊控制的***仿真模型，将步骤C中得到的模糊控制器嵌入仿真模型中。
实施例
步骤1：在控制器5内设定线密度值，将棉条放入喂入检测点1，检测机构3对棉条线密度进行检测，得到喂入棉条的实际线密度值，将棉条的实际线密度值传递给控制器5；
步骤2：将上步检测后的棉条输送至牵伸机构2，控制器5将步骤1得到的实际线密度值与设定线密度值进行比较，根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值，将得到的牵伸比的调整值传递给执行机构4，执行机构4根据牵伸比的调整值得到调整后的牵伸比，然后控制牵伸机构2按照调整后的牵伸比对棉条进行牵伸，使得棉条的线密度值和设定线密度值相同，得到匀整后的棉条，完成基于模糊控制的自调匀整控制。
控制器5根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值，具体按照以下步骤实施：
A：确定模糊控制器的输入变量即误差的精确值e和误差变化率精确值ec，输入变量即为输入棉条的实际线密度值与设定线密度值的偏差以及偏差变化量，偏差变化量是通过对偏差的求导得到，输出变量为控制量U(U为牵伸比的调整量)，如图3所示，为本实施例自调匀整控制***在matlab中设置误差精确值e的隶属度函数，如图4所示，为本实施例自调匀整控制***在matlab中设置误差变化率精确值ec的隶属度函数，如图5所示，为本实施例自调匀整控制***在matlab中设置控制量U的隶属度函数；
B：根据经验和自调匀整输入输出模型的规律得到以下的模糊控制条件语句：
如果棉层厚度小了很多，并且有进一步减小的趋势，那么模糊控制器输出电压加大；
如果棉层厚度小了很多，并且有进一步增大的趋势，那么模糊控制器输出电压取中值；
如果棉层厚度大了很多，并且有进一步增加的趋势，那么模糊控制器输出电压减小；
如果棉层厚度大了很多，并且有进一步减小的趋势，那么模糊控制器输出电压取中值。
如图6及图7所示，根据以上规则及人工控制经验得到56条控制规则，在MATLAB中的FIS编辑器中对规则进行编辑。
C：将步骤A中得到的误差精确值e和误差变化率精确值ec量化到模糊论域变成误差模糊值E及误差变化率模糊值EC，即将偏差和偏差变化量量化到[-6，6]论域段，定义输入、输出模糊变量的模糊子集；由步骤B得到的模糊控制器的控制规则，确定模糊子集隶属函数曲线的形状，利用matlab中的模糊控制工具箱对模糊控制器进行仿真；
D：在simulink中建立自调匀整控制***模糊控制的***仿真模型，将步骤C中得到的模糊控制器嵌入仿真模型中，输入误差及误差的变化量的量化因子为10，输出控制量的量化因子为0.14，如图8所示，经过采样的随机信号为曲线b，根据这个信号计算得出的控制规律是曲线a，最后输出的信号时曲线c。可以看出，经模糊控制器调节后控制量U的输出曲线c振幅明显小于输入曲线b，假设此随机信号就是棉条的每米克重，模糊控制器对其有明显的改善作用。

Claims (3)

1.一种基于模糊控制的自调匀整控制***，其特征在于，包括依次连接的喂入检测点(1)和牵伸机构(2)，所述的喂入检测点(1)上还依次连接有检测机构(3)和控制器(5)，控制器(5)的输出端通过执行机构(4)和牵伸机构(2)相连接。
2.一种基于模糊控制的自调匀整控制方法，其特征在于，采用一种基于模糊控制的自调匀整控制***，其结构为：包括依次连接的喂入检测点(1)和牵伸机构(2)，所述的喂入检测点(1)上还依次连接有检测机构(3)和控制器(5)，控制器(5)的输出端通过执行机构(4)和牵伸机构(2)相连接，
具体按照以下步骤实施：
步骤1：在控制器(5)内设定线密度值，将棉条放入喂入检测点(1)，检测机构(3)对棉条线密度进行检测，得到喂入棉条的实际线密度值，将棉条的实际线密度值传递给控制器(5)；
步骤2：将上步检测后的棉条输送至牵伸机构(2)，控制器(5)将步骤1得到的实际线密度值与设定线密度值进行比较，根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值，将得到的牵伸比的调整值传递给执行机构(4)，执行机构(4)根据牵伸比的调整值得到调整后的牵伸比，然后控制牵伸机构(2)按照调整后的牵伸比对棉条进行牵伸，使得棉条的线密度值和设定线密度值相同，得到匀整后的棉条，完成基于模糊控制的自调匀整控制。
3.根据权利要求2所述的基于模糊控制的自调匀整控制方法，其特征在于，所述的控制器(5)根据模糊控制规则得到牵伸比的调整值，具体按照以下步骤实施：
A：确定模糊控制器的输入变量即误差精确值e和误差变化率精确值ec，输入变量即为输入棉条的实际线密度值与设定线密度值的偏差以及偏差变化量，偏差变化量是通过对偏差的求导得到，输出变量为牵伸比的调整量U；
B：根据经验和自调匀整输入输出模型的规律得到以下的模糊控制条件语句：
如果棉层厚度小了很多，并且有进一步减小的趋势，那么模糊控制器输出电压加大；
如果棉层厚度小了很多，并且有进一步增大的趋势，那么模糊控制器输出电压取中值；
如果棉层厚度大了很多，并且有进一步增加的趋势，那么模糊控制器输出电压减小；
如果棉层厚度大了很多，并且有进一步减小的趋势，那么模糊控制器输出电压取中值；
根据以上规则及人工控制经验得到控制规则，在MATLAB中的FIS编辑器中对规则进行编辑；
C：将步骤A中得到的误差精确值e和误差变化率精确值ec量化到模糊论域变成误差模糊值E及误差变化率模糊值EC，即将偏差和偏差变化量量化到[-6，6]论域段，定义输入、输出模糊变量的模糊子集；由步骤B得到的模糊控制器的控制规则，确定模糊子集隶属函数曲线的形状，利用matlab中的模糊控制工具箱对模糊控制器进行仿真；
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