CN113894164B - 一种锂电池极片轧机张力控制方法及检测*** - Google Patents

一种锂电池极片轧机张力控制方法及检测*** Download PDF

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Abstract

本发明为一种锂电池极片轧机张力控制方法及检测***，以锂电池极片轧机中的纠偏参数对极片带张力作用为研究，采集锂电池极片轧机生产线中张力传感器实时张力数据；设置偏差阈值ω，以实时张力数据与张力预设值获得实时偏差值ε，当实时偏差值ε大于设置的偏差阈值ω时，消除PID控制中的积分环节，进入PD控制器，反之当偏差值ε小于或等于设置的偏差阈值ω时，重新引入积分环节完成PID控制器；在进入PID控制器时，引入模糊控制器对PID控制器的三个参数KP、KI、KD进行实时调节，以模糊控制器修正后的PID控制器参数控制被控对象，提高锂电轧机张力闭环反馈控制环节的精度和抗干扰能力。

Description

一种锂电池极片轧机张力控制方法及检测***
技术领域
本发明涉及张力检测及控制***领域，具体涉及一种锂电池极片轧机张力控制方法及检测***。
背景技术
锂电池极片轧机由放卷机构、轧制机构和收卷机构组成。在轧机收卷和放卷过程中，极片带的张力大小及稳定程度是至关重要的工艺指标。它是极片轧机主轧辊的线速度与收卷气胀轴收卷线速度之间存在差值而产生的。张力检测使用的是张力传感器，输出的为模拟量信号，并存在一些干扰信号，需要通过硬件电路设计进行剔除。
收放卷带材的张力控制，采用高精度传感器和控制器，通过输出控制信号或者调整电流的方式完成张力的调节与控制。张力控制方式根据工艺不同主要可以分为开环控制和闭环控制，开环控制缺少相应的反馈环节，闭环控制则是添加了张力反馈环节，通过算法分析，利用控制器驱动电机或变频器带动机械传动机构完成张力调节。
公开号为CN106933170A的中国专利中公开了一种嵌入式模块化的锂电池极片轧机控制器，其以STM32为主控单元，设有张力总线隔离器，采用无线和有线两种方式进行张力数据传输，使用模拟量采集电路采集张力信号。所述模拟量采集电路在前级部分未采用滤波电路等抗干扰电路，信号中杂质信号较多，使得转换后的数字信号不稳定。
公开号为CN110045660A的中国专利中公开了一种数字化极片轧机集成控制器，以ARM内核32位芯片电路和FPGA芯片电路组成数据采集和处理单元。张力传感器、数据处理单元、电机调速单元仅仅在硬件结构上形成张力闭环控制，未能在软件设计中设计闭环控制策略，控制精度有待提高。
在锂电轧机的闭环反馈控制***中，收放卷的张力闭环反馈控制***是实时变化的非线性***，使用传统的PID控制算法对其参数的确定，受到轧机工业现场的控制环节、执行环节和周围环境中的干扰，误差较大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是，提供一种锂电池极片轧机张力控制方法及检测***，该控制方法采用算法融合技术优化张力闭环控制参数，提高闭环控制的精度，实现锂电池极片轧机在工业现场的自适应控制。该检测***提高了极片轧机张力检测兼容性和***抗干扰能力，解决电路冗余等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
提供一种锂电池极片轧机张力控制方法，其特征在于：
以锂电池极片轧机中的纠偏参数对极片带张力作用为研究，采集锂电池极片轧机生产线中张力传感器实时张力数据；
设置偏差阈值ω，以实时张力数据与张力预设值获得实时偏差值ε，当实时偏差值ε大于设置的偏差阈值ω时，消除PID控制中的积分环节，进入PD控制器，反之当偏差值ε小于或等于设置的偏差阈值ω时，重新引入积分环节完成PID控制器；
在进入PID控制器时，引入模糊控制器对PID控制器的三个参数KP、KI、KD进行实时调节，以模糊控制器修正后的PID控制器参数控制被控对象，提高锂电轧机张力闭环反馈控制环节的精度和抗干扰能力。
所述模糊控制器的构建过程是：
以极片位置偏差信号e及极片位置偏差信号的变化率ec作为输入参数，以PID控制器三个参数的调节量ΔKP、ΔKI、ΔKD为输出参数；确定模糊控制中的量化因子与各参数对应的模糊论域，将这五个参数划分为7个部分，即对应模糊论域的7个模糊子集：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)；
在专家知识库中，考虑PID参数的初始值KP’、KI’、KD’参数与偏差信号e及偏差信号的变化率ec之间的关系，不同的输入输出量建立不同的隶属度函数来进行描述，在专家知识库中建立数据库；所述隶属度函数结合专家经验和试验调试双重方法来选择，且在选取过程中需要分析相应硬件设备的性能和模糊推理的输入输出参数的变化范围；所述初始值KP’、KI’、KD’参数由专家给出或者通过试验调试测得；
同时考虑卷筒卷径、转动惯量和轧制速度因素建立极片轧机控制规则，将输入的e与ec和输出的调节量ΔKP、ΔKI、ΔKD构建起联系,进而在专家知识库中建立规则库；推理机采用的是mamdani推理法。
所述极片轧机控制规则为：
其中，6/-6/2分别代表PID控制器的调节量ΔKP、ΔKI、ΔKD。
本发明还保护一种锂电池极片轧机张力检测***，按所需控制部件的不同对***进行分布式模块化设计，包括STM32主控模块、电源模块、检测模块和执行模块，检测模块包括总线接口模块和张力检测模块，执行模块包括电机驱动模块、张力调整模块；STM32主控模块可与检测模块进行数据交互，同时向执行模块发送控制信号，其特征在于：
该检测***还包括积分分离模糊PID控制器，积分分离模糊PID控制器加载在STM32主控模块内；
所述STM32主控模块能够同时且高速处理所接收的张力检测信号并驱动极片轧机中的执行机构工作，并将轧机运行过程产生的各种参数上传至PC端，确保轧机合理有序的工作；
所述张力检测模块采用二阶低通滤波器滤除交流电，采用三角形电桥电路作为采集电路，使采集电路既能满足采集电流信号，也能采集电压信号，将检测的张力信号转换成能STM32主控模块内置AD转换器识别的0-3.3V电压信号；
上述电源模块包括12V-3.3V电源转换电路、3.3V数字电源-3.3V模拟电源转换电路和12V数字电源-12V模拟电源转换电路，给STM32主控模块和总线接口模块、张力检测模块供电。
所述积分分离模糊PID控制器利用积分分离理论与模糊理论结合优化PID控制器：首先基于极片偏移传递作用机理，当极片带发生偏移时，极片和传动辊的接触方式和极片带上张力的分布都会产生一定的变化，进而对张力控制造成一定的影响，考虑极片带位置与张力大小之间的关系，在极片带位置和张力偏差信号较大时，积分分离原则去除PID控制中的积分环节来提高***的稳定性；锂电池极片轧机中的纠偏***会对极片带张力产生影响，在构建模糊专家知识库时，考虑极片偏移对极片带张力影响的专家知识，实现PID控制中KP、KI、KD三个参数的在线调整，能有效提高锂电轧机中闭环反馈控制环节的精度和抗干扰能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明突出的实质性特点是：
1、本发明控制方法首次在锂电池极片轧机中应用积分分离模糊PID控制器，针对采用锂电池极片轧机中的张力控制，建立考虑极片带偏移对张力控制影响的专家知识，利用积分分离和模糊理论共同优化PID参数，显著提高了张力控制的精度。
2、本发明检测***在张力检测模块402中采用二阶滤波电路，增加张力信号输入电路阻抗，提高张力检测电路的抗干扰能力，加入三角形电桥电路，使张力检测***能够同时检测电流和电压信号，尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，降低电压纹波系数，提高其兼容性和抗干扰性。在硬件结构上实现STM32主控模块1、检测模块4和执行模块5的闭环结构，同时采用差分输入积分分离模糊PID控制器，采用积分分离算法克服积分累积现象，分析极片纠偏***对张力控制的影响，优化模糊专家知识库，调整积分分离PID中三个参数的关系，以减小张力控制过程中的扰动和误差。
本发明的显著进步是：
1、专用型强、集成度高：本发明检测***采用模块化设计，将嵌入式技术、抗干扰技术综合运用于本发明的张力检测***中，完善了张力检测器的功能；与现有产品相比，集成了张力检测、张力控制和数据传输于一体的检测控制***。
2、张力检测能力提高：本发明设计张力检测***，采用滤波抗干扰技术和集成电路设计技术，减小纹波电压对张力信号检测的影响，另外，***能同时采集4-20mA电流信号和0-10V电压信号，具备较强的兼容性。
3、电源可靠：本发明采用专用电源转换芯片，将220V交流电源转换成适合本***模块使用的直流电源，并采用电感线圈(L3、L4磁珠)转化技术，实现数字电源和模拟电源的转换；
4、闭环控制，提高自修正和补偿能力：本发明通过张力传感器采集得到的极片带张力值与轧机运行前设定的数值做差求得张力偏差值，以此作为PID控制中作为输入量的偏差信号，经过比例积分微分环节的计算输出控制信号控制电机驱动模块，完成收放卷极片带的张力调节，实现张力闭环控制，克服传统开环控制无法消除干扰所带来的误差的缺点。
5、算法融合技术，提高控制精度：PID控制器中的KP、KI、KD参数易受到工业现场的干扰，尤其锂电池极片轧机的工作环境恶劣，受到其他设备干扰较大，本发明采用积分分离和模糊理论的算法融合技术，克服PID控制策略的积分累积现象，同时根据锂电池极片轧机工作特性进行了优化，考虑锂电池极片轧机极片偏移对张力的影响，加入纠偏***对张力控制的影响参数，即将极片偏移量e和偏差变化率ec加入专家知识库，作为积分分离模糊PID控制器的输入参数，建立了不同范围的模糊论域，实现KP、KI、KD参数的在线调整，提高张力闭环控制的精度，实现锂电池极片轧机在工业现场的自适应控制，克服传统控制技术控制精度不高、依赖人工的不足。
附图说明
图1为本发明的***结构示意图；
图2为本发明的STM32主控模块1结构示意图；
图3为本发明的电源模块3的电路结构图；
图4为本发明的张力检测模块402的电路结构图；
图5为本发明的极片偏移传递模型图
图6为本发明的积分分离模糊PID控制器2的PID闭环控制流程图；
图7为本发明的积分分离模糊PID控制器2的积分分离流程图；
图8为本发明的积分分离模糊PID控制器2的积分分离模糊PID算法流程图；
图9为本发明的张力调整模块502的结构示意图；
具体实施方式
为了使本发明技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请的保护范围。
本发明为一种锂电池极片张力检测***，按所需控制部件的不同对***进行分布式模块化设计，包括STM32主控模块1、积分分离模糊PID控制器2、电源模块3、检测模块4和执行模块5，***结构如图1所示，检测模块4包括总线接口模块401和张力检测模块402，执行模块4包括电机驱动模块501、张力调整模块502；STM32主控模块用于对锂电池极片轧机中全部传感器和执行器进行实时监控，加载有积分分离模糊PID控制器，通过控制收放卷电机转速，形成速度差，进而产生张力，积分分离模糊PID控制器实现张力负反馈调节，收放卷卷轴调整张力。
上述STM32主控模块1可与检测模块4进行数据交互，同时向执行模块5发送控制信号，所述检测模块4与STM32主控模块1通过RS485进行通讯，采用总线拓补结构，以STM32主控模块1为主机，检测模块为从机。
所述STM32主控模块1是32位微处理芯片电路，能够同时且高速处理控制器接收的张力检测信号并驱动极片轧机中的执行机构工作，并将轧机运行过程产生的各种参数上传至PC端，确保轧机合理有序的工作。
上述STM32主控模块1的结构如图2所示，包括电源电路101、时钟电路102、复位电路103、通讯和下载电路104、启动电路105。其中电源电路101输入电源模块输出的3.3V电压，STM32主控模块的控制核心可选择STM32F407芯片，STM32F407芯片的每个电源端VDD使用独立的0.1uF电容去耦，去耦电容与VSS和VDD行程的环路面积尽量减小，以减小磁通量，提高EMC特性；模拟电源VDDA和VCC3.3之间使用10R电阻连接，模拟电源VDDA同时使用1uF和0.1uF电容去耦。
时钟电路102使用的是8Mhz晶振模块，它是一个高速外部时钟，外接STM32F407芯片的OSC_IN、OSC_OUT引脚；STM32F407芯片的OSC32_IN和OSC32_OUT引脚外接频率为32.768kHz的石英晶振，它是一个LSE低速外部时钟；8MHz晶振匹配电容大小为22pF，32.768kHz晶振匹配电容大小为10pF，这两组电容可以对晶体与振荡电路起到补偿与匹配作用。
复位电路103使用的低电平复位电路，配置10kΩ上拉电阻，实现***快速复位。
通讯和下载电路104包括JTAG和WIFI两种下载接口以及RS232、RS485、WIFI、以太网、CAN等多种通讯接口，便于与其它功能模块进行通讯。
启动电路105需要进行3.3V供电，有三种启动模式，与BOOT0与BOOT1的值相关。
上述电源模块3内部集成一个振荡器，不需要散热片，内部具有完善的保护电路，包括电流限制电路和热关断电路等，包括12V-3.3V电源转换芯片LM1，给STM32主控模块1和总线接口模块供电，还包括3.3V数字电源-3.3V模拟电源转换电路和12V数字电源-12V模拟电源转换电路，给张力检测模块供电。采用的核心芯片LM1为LM2575-3.3芯片，如图3所示。LM2575-3.3芯片的Vin引脚接入VCC12电源电压，输出3.3V电压接入LM2575-3.3芯片的FEEDBACK引脚。FUSE3为自恢复保险丝，电容C8、C9、C55是对外部电源的供电进行一个缓冲，利用了电容的充电储能特性以及滤波稳压特征，二极管D27主要起到反接保护作用。12V-3.3V电源转换芯片将VCC12转换成VCC3.3(参见图3中的第一个电路)，图3中的第二个电路为12V数字电源-12V模拟电源转换电路，图3中的第三个电路为3.3V数字电源-3.3V模拟电源转换电路。3.3V数字电源-3.3V模拟电源转换电路的电路构成是：VCC3.3外接电源接入磁珠L3，电容C7的一端连接磁珠L3的一端，与电容C7构成LC电路，电容C7的另一端经电阻R33后接地CND；电容C8并联在电容C7两端，电容C8的一端接地AGND，另一端接AVCC3.3，输出AVCC3.3模拟电源，该数字电源-模拟电源转换电路能够在低频时有接近短路的电阻值，而在高频区则会产生阻抗，有效滤除干扰和纹波。VCC12转成AVCC12电路与VCC3.3转成AVCC3.3电路相似，不再赘述。电感L和电容C10、结合LM2575内部结构，构成了Buck电路。
所述总线接口模块401包括RS485总线电路，还可以包括RS232总线电路和CAN总线电路，将张力数据通过总线进行传输，常常结合诸如Modbus等通讯协议进行通讯检测与控制。
上述张力检测模块402采用二阶低通滤波器滤除交流电，采用三角形电桥电路作为采集电路，使采集电路既能满足采集电流信号，也能采集电压信号，使采集***具备较强兼容性，将检测的张力信号转换成可以被STM32主控模块1内置AD转换器识别的0-3.3V电压信号。所述张力检测模块402对张力传感器输出的电流信号和电压信号都能进行检测，其张力检测电路的电路结构如图4所示，本实施例所使用的PD2525型穿轴式张力传感器，输出的信号为4-20mA电流信号，张力传感器输出的信号从具有电气属性的ADIN1引脚接入电路，然后经过分压电阻R24再经过由电阻R27并联电阻R28接地构成的分流电路，即三角形电桥电路，使输入的两种不同类型传感器的电信号4-20mA或0-10V，均转换成可以被STM32主控模块1内置AD转换器识别的0-3.3V电压信号。电阻R25与电容C11、电阻R26与电容C12构成二阶低通滤波电路，输入U1芯片(OP27精密运算放大器)的+IN输入引脚，U1芯片采用AVCC12模拟电压供电，输出电压Vout经钳位电路稳压后直接送入STM32主控模块1的AD转换通道，电压值(即输出电压Vout)与输入电压Vin之间有如下关系：
以G(s)表示传递函数，s为拉普拉斯变换参量，Q表示品质因数，ω0表示中心频率，β为阻尼比，取R25＝R26＝R，则传递函数G(s)可表示为：
进一步推导，可得：若取R＝10kΩ，即R25＝R26＝10kΩ，计算得C11＝9.95nF，C12＝4.55nF，查找常用电容值，取C11＝10nF，C12＝4.7nF。二极管D18、D19形成钳位保护电路，将电压限制在0-3.3V间，防止张力传感器输出过压导致STM32主控模块1被烧毁。
张力调整模块502由电动机和张力传感器组成，张力传感器采集电池极片上的张力实时数值存储STM32主控模块中，通过积分分离模糊PID控制器将该实时张力数据与预设值(人为设定的张力值)比较判断，然后输出电机加减速信号来改变当前放卷轴的转速和扭矩，完成张力的实时调节。
积分分离模糊PID控制器2采用算法融合技术，利用积分分离理论与模糊理论结合优化PID控制器。首先基于极片偏移传递作用机理，分析可知当极片带发生偏移时，极片和传动辊的接触方式和极片带上张力的分布都会产生一定的变化，进而对张力控制造成一定的影响。因此考虑极片带位置与张力大小之间的关系。在极片带位置和张力偏差信号较大时，积分分离原则去除PID控制中的积分环节来提高***的稳定性；锂电池极片轧机中的纠偏***会对极片带张力产生影响，在构建模糊专家知识库时，考虑极片偏移对极片带张力影响的专家知识，实现PID控制中KP、KI、KD三个参数的在线调整，这能有效提高锂电轧机中闭环反馈控制环节的精度和抗干扰能力。
上述极片偏移传递受力过程如图5所示，当两个传动辊平行，极片带没有发生偏移时，极片中心线与传动辊垂直，张力在极片带上分布稳定。当发生偏移较小时，极片带的拉力F会被分解为平行于极片带中心线的张力F1和垂直于中心线的张力F2，可知此时极片带上的张力值F1相对而言略小于设定值，极片带横向张力分布出现不均匀现象，且F2的存在会使极片带发生向右的偏移，可在一定程度上促进纠偏作用的进行；但是当极片带的偏移过大时，极片带上F1的值会与设定张力值产生较大偏差，造成极片带横向张力分布严重不均，而且过大的F2可能造成极片带横向产生裂痕。
上述积分分离模糊PID控制器2的PID闭环控制流程如图6所示，比例环节通过对输入的偏差信号做比例运算，以减少控制的偏差，积分环节通过降低或消除静态误差来提高PID控制的精度，微分环节通过引入输入信号的变化率来提高闭环调节速度。调节机构调控被控对象，输出反馈输入环节，形成闭环控制。在理想的PID控制之中，是通过将输入信号进行比例积分微分处理，将得到的值作为输出信号用于后续控制，其具体表达式如下：
式中：KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，error(t)为输入的误差信息，u(t)为输出的最终控制量，t为时间变量。对于比例系数KP需要结合控制环境选取适当数值，若其取值过小则会降低控制过程中的响应速度，若取值过大则最造成控制量的的超调过大并引起输出震荡；积分系数KI设置过大虽然会减少输出量的超调，而其设置过小可能存在较大的超调量和一定的震荡；微分系数KD取值过大或过小都会导致对输出进行调节的时间增大，进而降低控制的效率。
上述积分分离模糊PID控制器2的积分分离流程如图7所示，采集数据是时变的，有时会出现张力数值超过设定值过多的情况，此时会产生积分累积现象。根据实际控制对象设置偏差阈值ω(本实施例中设置偏差阈值为5-10)。当偏差值ε(偏差值为实时张力数据与预设值的差的绝对值)大于设置的偏差阈值ω时，消除PID控制中的积分环节，进入PD控制器，反之当偏差值ε小于或等于设置的偏差阈值ω时，重新引入积分环节完成比例积分微分控制(PID控制器)；积分分离模糊PID控制器输出，流程结束。提高控制精度。
上述积分分离模糊PID控制器2的积分分离模糊PID算法流程如图8所示。对PID控制器中的比例、积分、微分系数进行优化，将比例、积分、微分系数分为初始值和模糊算法优化之后的修正值(也就是PID参数的最终值)两部分，其中初始值决定了闭环控制的整体性能，由专家给出或者通过试验调试测得，修正值通过模糊控制器得到，用于优化PID控制性能和减小纠偏或收放卷张力控制过程中的各种扰动与误差，实现PID参数的自我优化。计算方法如下：
KP’、KI’、KD’为PID参数的初始值，ΔKP、ΔKI、ΔKD为模糊控制器的输出值，KP、KI、KD为PID参数的最终值。
模糊推理机构的具体创建过程如下：
1.故以极片位置偏差信号e及极片位置偏差信号的变化率ec作为输入参数，以PID控制器三个参数的调节量ΔKP、ΔKI、ΔKD为输出参数。确定模糊控制中的量化因子与各参数对应的模糊论域，将这五个参数划分为7个部分，即对应模糊论域的7个模糊子集：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。
2.在专家知识库中数据库建立的过程中，考虑PID参数的初始值KP’、KI’、KD’参数与偏差信号e及偏差信号的变化率ec之间的关系，不同的输入输出量建立不同的隶属度函数来进行描述，结合专家经验和试验调试双重方法来选择隶属度函数，且在选取过程中需要分析相应硬件设备的性能和模糊推理的输入输出参数的变化范围；
3.专家知识库中规则库的建立采用if-then的形式，同时考虑卷筒卷径、转动惯量和轧制速度等因素建立极片轧机控制规则，将输入的e与ec和输出的PID修正参数(模糊控制器的输出值)构建起联系,推理机采用的是mamdani推理法，对于工业控制环境有着优良的适应性。
确定模糊规则如下表所示：
在建立张力控制模糊规则前，分析卷筒卷径、转动惯量和轧制速度对张力控制变化的影响。
(1)卷径计算
收放卷半径的变化规律是卷筒没有极片带卷入时，卷筒最小半径为Rmin，卷筒上极片带满载时，卷筒最大半径为Rmax，卷筒实时半径为R，极片带稳定运行时的线速度为v，极片带厚度H，则在极片带平稳运行时间t之后，截面积产生∫vdt大小的变化量。由于轧机工作时轧制速度恒定，故线速度v为提前设置的定值，故可求得收卷过程中的实时卷径为：
收卷部分和放卷部分的极片带材卷筒卷径会随着极片带的送出和进线而不断产生变化，而卷径的大小与极片带运行的线速度v相关。
(2)转动惯量分析
以极片带放卷部分为例对辊筒的转动惯量进行分析，收放卷过程中卷筒部分的力矩会达成平衡，即极片带张力力矩、摩擦阻力力矩、卷筒惯性力矩和电机的输出转矩共同作用达成平衡，此时可得：
MD＝MT+Mf+MJ
式中：MD为电机输出转矩，MT为极片带张力力矩，Mf为摩擦阻力力矩，MJ为卷筒惯性力矩。
MT为极片带张力值与收放卷卷筒的半径之积，即：
MT＝FTR
卷筒惯性力矩MJ为：
式中：ρ2为极片带密度，l为收放卷卷筒的长度，H为极片带厚度，R为实时测得的卷筒半径，v为极片带线速度，J为转动惯量，t为时间参量。
故收卷部分卷筒的力矩平衡方程为：
通过分析可知，在极片轧机启动或停止过程中，线速度v存在加速和减速阶段，此时不为零，极片带张力与极片带运行的线速度、线加速度、卷筒半径和电机的输出转矩存在明显的关系；当轧机稳定运行时，轧辊稳定转动，轧制线速度不变，则/>为零，此时极片带张力与卷筒半径和输入转矩有关。
因此根据以上理论分析，制定模糊推理规则，其具体制定规则如下：
1.在锂电轧机的启动阶段，收放卷装置受到各种机械部件扰动，极片带材卷筒收缩，卷径减小，线速度v减小，放卷力矩增大，可能造成极片带张力产生波动或较大偏差。此时极片带张力的偏差值e较大，为了防止张力偏差导致输出积分饱和及偏差值超调，需要适当的减小ΔKP和ΔKI的值，增加ΔKD的值。
2.在轧机正常进入工作状态并稳定运行时，线速度v保持稳定，放卷力矩保持不变，张力不会在短时间内出现极大偏差，此时极片带张力偏差e和偏差的变化率ec较小，故可以稳定增大ΔKP和ΔKI的值来提高控制的稳定性，可以使ΔKP和ΔKI稳定增加，ΔKD的值则稳定在偏小的范围内。
3.在极片带传送过程中，也可能由于设备原因或者某些环境因素，造成短时间内张力值变化较大，此时张力偏差变化率ec较大，此时应适当的增加ΔKI，并减小ΔKP，同时ΔKD应取值较小，避免微分环节带来的超调和震荡。
根据以上分析，可以建立模糊控制规则如下表所示：
电机驱动模块501采用HCPL-316J的IGBT专用驱动芯片，内部包含输入信号光耦隔离电路、过流信号光耦隔离电路、驱动功放输出电路等。STM32主控模块1输出一路脉冲信号，放大至15V，使其符合IGBT导通电压和电流值。
所述STM32主控模块1发送控制信号是通过驱动IGBT实现，而由于STM32主控模块1的输出电压仅0-5V，无法直接驱动IGBT，因此需要采用IGBT专用驱动IC芯片，所述IGBT专用驱动IC芯片可为HCPL-316J光耦驱动芯片，其输出侧供电电压15-30V，开关速度0.5μs，当发生过流时，可控制IGBT软关断；STM32主控模块1向HCPL-316J光耦驱动芯片输出3.3V空间矢量电压脉冲驱动，HCPL-316J光耦驱动芯片的三路输出信号连接IGBT管的漏极、栅极、源极，HCPL-316J光耦驱动芯片的DESAT、VE引脚与IGBT之间构成了压降检测回路，当IGBT出现过流情况时，HCPL-316J光耦驱动芯片的输出电压Vout下降，HCPL-316J光耦驱动芯片对IGBT实现软关断，之后HCPL-316J光耦驱动芯片的fault引脚输出高电平信号至STM32主控模块1，STM32主控模块1停止发送脉冲波，实现IGBT硬关断。
上述张力调整模块502如图9所示，10为收放卷卷轴，11、12为轧辊，13为张力传感器，14为张力检测辊，M为收放卷电机。张力传感器13安装在轧辊11和轧辊12之间,张力传感器采集电池极片上的张力实时数值与预设值比较判断，然后输出电机加减速信号来改变当前放卷轴的转速和扭矩，完成张力的实时调节。本***使用的传感器型号为PD2525型穿轴式张力传感器，供电电源为DC12 V，量程为0-200N，输出信号电压为4-20mA，检测精度为实际值的正负0.5％以内。放卷电机使用的是功率为2.2kW交流永磁伺服电机，供电电源为380V交流电，内置17位编码器，响应频率达到2kHz，最大转速为3600r/min。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种锂电池极片轧机张力控制方法，其特征在于：
以锂电池极片轧机中的纠偏参数对极片带张力作用为研究，采集锂电池极片轧机生产线中张力传感器实时张力数据；
设置偏差阈值ω，以实时张力数据与张力预设值获得实时偏差值ε，当实时偏差值ε大于设置的偏差阈值ω时，消除PID控制中的积分环节，进入PD控制器，反之当偏差值ε小于或等于设置的偏差阈值ω时，重新引入积分环节完成PID控制器；
在进入PID控制器时，引入模糊控制器对PID控制器的三个参数KP、KI、KD进行实时调节，以模糊控制器修正后的PID控制器参数控制被控对象，提高锂电轧机张力闭环反馈控制环节的精度和抗干扰能力；
所述模糊控制器的构建过程是：
以极片位置偏差信号e及极片位置偏差信号的变化率ec作为输入参数，以PID控制器三个参数的调节量ΔKP、ΔKI、ΔKD为输出参数；确定模糊控制中的量化因子与各参数对应的模糊论域，将这五个参数划分为7个部分，即对应模糊论域的7个模糊子集：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)；
在专家知识库中，考虑PID参数的初始值KP ’、KI ’、KD ’参数与偏差信号e及偏差信号的变化率ec之间的关系，不同的输入输出量建立不同的隶属度函数来进行描述，在专家知识库中建立数据库；所述隶属度函数结合专家经验和试验调试双重方法来选择，且在选取过程中需要分析相应硬件设备的性能和模糊推理的输入输出参数的变化范围；所述初始值KP ’、KI ’、KD ’参数由专家给出或者通过试验调试测得；
同时考虑卷筒卷径、转动惯量和轧制速度因素建立极片轧机控制规则，将输入的e与ec和输出的调节量ΔKP、ΔKI、ΔKD构建起联系,进而在专家知识库中建立规则库；推理机采用的是mamdani推理法。
2.根据权利要求1所述的锂电池极片轧机张力控制方法，其特征在于，所述极片轧机控制规则为：
其中，6/-6/2分别代表PID控制器的调节量ΔKP、ΔKI、ΔKD。
3.根据权利要求1所述的锂电池极片轧机张力控制方法，其特征在于，所述极片轧机控制规则的建立依据下述的规则进行制定：
1)在锂电轧机的启动阶段，收放卷装置受到各种机械部件扰动，极片带材卷筒收缩，卷径减小，线速度v减小，放卷力矩增大，可能造成极片带张力产生波动或较大偏差，此时极片带张力的偏差值e较大，为了防止张力偏差导致输出积分饱和及偏差值超调，需要适当的减小ΔKP和ΔKI的值，增加ΔKD的值；
2)在轧机正常进入工作状态并稳定运行时，线速度v保持稳定，放卷力矩保持不变，张力不会在短时间内出现极大偏差，此时极片带张力偏差e和偏差的变化率ec较小，故能稳定增大ΔKP和ΔKI的值来提高控制的稳定性，使ΔKP和ΔKI稳定增加，ΔKD的值则稳定在偏小的范围内；
3)在极片带传送过程中，由于设备原因或者某些环境因素，造成短时间内张力值变化较大，此时张力偏差变化率ec较大，此时应适当的增加ΔKI，并减小ΔKP，同时ΔKD应取值较小，避免微分环节带来的超调和震荡。
4.一种锂电池极片轧机张力检测***，按所需控制部件的不同对***进行分布式模块化设计，包括STM32主控模块、电源模块、检测模块和执行模块，检测模块包括总线接口模块和张力检测模块，执行模块包括电机驱动模块、张力调整模块；STM32主控模块可与检测模块进行数据交互，同时向执行模块发送控制信号，其特征在于：
该检测***还包括积分分离模糊PID控制器，积分分离模糊PID控制器加载在STM32主控模块内；
所述STM32主控模块能够同时且高速处理所接收的张力检测信号并驱动极片轧机中的执行机构工作，并将轧机运行过程产生的各种参数上传至PC端，确保轧机合理有序的工作；
所述张力检测模块采用二阶低通滤波器滤除交流电，采用三角形电桥电路作为采集电路，使采集电路既能满足采集电流信号，也能采集电压信号，将检测的张力信号转换成能STM32主控模块内置AD转换器识别的0-3.3V电压信号；
上述电源模块包括12V-3.3V电源转换电路、3.3V数字电源-3.3V模拟电源转换电路和12V数字电源-12V模拟电源转换电路，给STM32主控模块和总线接口模块、张力检测模块供电。
5.根据权利要求4所述的锂电池极片轧机张力检测***，其特征在于，所述张力检测模块的电路构成是：张力传感器输出的信号从具有电气属性的ADIN1引脚接入电路，然后经过分压电阻R24再经过由电阻R27并联电阻R28接地构成的分流电路，即三角形电桥电路，使输入的两种不同类型传感器的电信号4-20mA或0-10V，均转换成能被STM32主控模块内置AD转换器识别的0-3.3V电压信号；电阻R25与电容C11、电阻R26与电容C12构成二阶低通滤波电路，输入精密运算放大器U1的+IN输入引脚，精密运算放大器U1采用AVCC12模拟电压供电，输出电压Vout经钳位电路稳压后直接送入STM32主控模块的AD转换通道；二极管D18、D19形成钳位保护电路，将电压限制在0-3.3V间，防止张力传感器输出过压导致STM32主控模块被烧毁。
6.根据权利要求4所述的锂电池极片轧机张力检测***，其特征在于，所述STM32主控模块包括电源电路、时钟电路、复位电路、通讯和下载电路、启动电路，其中电源电路输入电源模块输出的3.3V电压，STM32主控模块的控制核心的每个电源端VDD使用独立的0.1uF电容去耦，去耦电容与VSS和VDD行程的环路面积尽量减小，以减小磁通量，提高EMC特性；模拟电源VDDA和VCC3.3之间使用10R电阻连接，模拟电源VDDA同时使用1uF和0.1uF电容去耦；
时钟电路使用的是8Mhz晶振模块，外接控制核心的OSC_IN、OSC_OUT引脚；控制核心的OSC32_IN和OSC32_OUT引脚外接频率为32.768kHz的石英晶振，它是一个LSE低速外部时钟；8MHz晶振匹配电容大小为22pF，32.768kHz晶振匹配电容大小为10pF，这两组电容能对晶体与振荡电路起到补偿与匹配作用；
复位电路使用的低电平复位电路，配置10kΩ上拉电阻；
通讯和下载电路包括JTAG和WIFI两种下载接口以及RS232、RS485、WIFI、以太网、CAN多种通讯接口，便于与其它功能模块进行通讯；
启动电路需要进行3.3V供电，有三种启动模式，与BOOT0与BOOT1的值相关；
电机驱动模块采用HCPL-316J的IGBT专用驱动芯片，STM32主控模块输出一路脉冲信号，放大至15V，使其符合IGBT导通电压和电流值。
7.根据权利要求4所述的锂电池极片轧机张力检测***，其特征在于，所述3.3V数字电源-3.3V模拟电源转换电路的电路构成是：VCC3.3外接电源接入磁珠L3，电容C7的一端连接磁珠L3的一端，与电容C7构成LC电路，电容C7的另一端经电阻R33后接地CND；电容C8并联在电容C7两端，电容C8的一端接地AGND，另一端接AVCC3.3，输出AVCC3.3模拟电源，该数字电源-模拟电源转换电路能够在低频时有接近短路的电阻值，而在高频区则会产生阻抗，有效滤除干扰和纹波。
8.根据权利要求4所述的锂电池极片轧机张力检测***，其特征在于，所述积分分离模糊PID控制器利用积分分离理论与模糊理论结合优化PID控制器：首先基于极片偏移传递作用机理，当极片带发生偏移时，极片和传动辊的接触方式和极片带上张力的分布都会产生一定的变化，进而对张力控制造成一定的影响，考虑极片带位置与张力大小之间的关系，在极片带位置和张力偏差信号较大时，积分分离原则去除PID控制中的积分环节来提高***的稳定性；锂电池极片轧机中的纠偏***会对极片带张力产生影响，在构建模糊专家知识库时，考虑极片偏移对极片带张力影响的专家知识，实现PID控制中KP、KI、KD三个参数的在线调整，能有效提高锂电轧机中闭环反馈控制环节的精度和抗干扰能力。
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