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一种生箔机收卷张力控制系统和控制方法

阅读：227发布：2022-10-02

专利汇可以提供一种生箔机收卷张力控制系统和控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种生箔机收卷张力控制系统，包括用于收卷生箔并测量实际收卷张力和实际收卷速度收卷装置以及控制器，所述控制器包括：张力比较单元，其用于计算实际收卷张力和张力预设值的差值得到张力差值；参数更新单元，其根据张力差值计算张力调整参数和速度调整参数；张力控制单元，其根据张力差值和张力调整参数并计算收卷装置的速度参考值；速度比较单元，其用于计算速度参考值和实际收卷速度的差值得到速度差值；速度控制单元，其根据速度差值和速度调整参数调整收卷装置的收卷速度；本发明利用参数更新模块与PID控制器进行结合，使得PID参数能够随系统工况改变而自适应变化，达到最佳控制效果。，下面是一种生箔机收卷张力控制系统和控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种生箔机收卷张力控制系统，其特征在于：包括用于收卷生箔并测量实际收卷张力和实际收卷速度的收卷装置(100)，以及控制器，所述控制器包括：
张力比较单元(200)，其用于计算实际收卷张力和张力预设值的差值得到张力差值；
参数更新单元(300)，其根据张力差值计算张力调整参数和速度调整参数；
张力控制单元(400)，其根据张力差值和张力调整参数并计算收卷装置的速度参考值；
速度比较单元(500)，其用于计算速度参考值和实际收卷速度的差值得到速度差值；
速度控制单元(600)，其根据速度差值和速度调整参数调整收卷装置的收卷速度。
2.根据权利要求1所述的生箔机收卷张力控制系统，其特征在于：所述收卷装置(100)包括台架(130)、固设于台架上且用于测量生箔的实际收卷张力的张力测量组件(110)以及用于测量生箔的实际收卷速度的收卷组件(120)。
3.根据权利要求2所述的生箔机收卷张力控制系统，其特征在于：所述张力测量组件包括支撑座(111)、与支撑座以可转动方式连接的测量滚轮(112)以及固设于支撑座底部的压力传感器(113)，所述压力传感器远离支撑座的一端与台架(130)固定连接，所述压力传感器两侧对称设置有辅助辊(114)，所述辅助辊与台架上表面固定连接。
4.根据权利要求2所述的生箔机收卷张力控制系统，其特征在于：所述收卷组件包括收卷辊(121)、带动收卷辊转动的收卷电机(122)以及测量收卷电机的实际收卷速度的速度测量装置(123)。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的生箔机收卷张力控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：设置生箔的收卷速度为V1，设置张力预设值Fref，测量生箔收卷时的实际收卷张力Ffdbk，计算实际收卷张力与张力预设值的差值的绝对值，得到张力差值ΔF＝|Ffdbk-Fref|；
步骤二：参数更新单元通过量子粒子群算法并根据张力差值ΔF计算张力调整参数和速度调整参数；
步骤三：张力控制单元通过张力调整参数和张力差值ΔF计算速度参考值Vref，测量生箔收卷时的实际收卷速度Vfdbk，计算实际收卷速度与速度参考值的差值的绝对值，得到速度差值ΔV＝|Vfdbk-Vref|；
步骤四：速度控制单元根据速度差值ΔV和速度调整参数计算更新收卷速度Vnew，控制收卷电机，使更新收卷速度作为新的收卷速度V1＝Vnew。
6.根据权利要求5所述的生箔机收卷张力控制系统的控制方法，其特征在于：张力控制单元和速度控制单元使用PID控制器进行调节；
张力控制单元进行控制时： Kp1为第一比例系
数，Ki1为第一积分系数，Kd1为第一微分参数；
速度控制单元进行控制时： Kp2为第二比例系
数，Ki2为第二积分系数，Kd2为第二微分参数。
7.根据权利要求6所述的生箔机收卷张力控制系统的控制方法，其特征在于：所述参数更新单元通过量子粒子群算法并根据张力差值ΔF计算得到的张力调整参数为本调整周期内的第一比例系数1Kp1、第一积分系数Ki1以及第一微分参数Kd1，张力控制单元计算速度参考值时将上个控制周期内的第一比例系数Kp1、第一积分系数Ki1以及第一微分参数Kd1依次更新为本调整周期内的第一比例系数Kp1、第一积分系数Ki1以及第一微分参数Kd1；所述参数更新单元通过量子粒子群算法并根据速度差值ΔF计算得到的速度调整参数为本调整周期内的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2以及第二微分参数Kd2，速度控制单元计算更新收卷速度时将上个控制周期内的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2以及第二微分参数Kd2依次更新为本调整周期内的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2以及第二微分参数Kd2。
8.根据权利要求7所述的生箔机收卷张力控制系统的控制方法，其特征在于：所述参数更新模块对张力调整参数和速度调整参数进行更新时包括以下步骤：
第一步：设定张力控制单元PID控制器以及速度控制单元PID控制器的比例系数、积分系数以及微分参数的稳态范围，设定种群数量、迭代次数以及适应度值，并对粒子的位置进行初始化。
第二步：张力差值ΔF对时间求积分后作为误差性能指标；
第三步：把每个粒子的参数赋值给两个PID控制器中比例系数、积分系数以及微分参数中，得到相应的误差性能指标，同时不断地进行粒子的迭代，最后选取粒子中误差性能指标最小的粒子作为最优粒子，同时将最优粒子的参数赋值给两个PID控制器中比例系数、积分系数以及微分参数。

说明书全文

一种生箔机收卷张力控制系统和控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及锂电池铜箔技术领域，具体涉及一种生箔机收卷张力控制系统和控制方法。

背景技术

[0002] 铜箔生产过程中，要实现铜箔薄厚均匀度，拉伸度，延展度等性能指标良好，主要的控制参数为收卷速度，其本质是通过收卷速度的控制实现铜箔带间张力的控制，如果张力不稳定，铜箔就可能会出现撕边、褶皱、薄厚不均等严重的质量问题，影响生产效率和产品质量，因此铜箔张力控制是铜箔生产中较为重要的一项技术。

[0003] 现有技术中，铜箔张力主要是张力开环转矩控制，其直接给电机一个残酷速度，使得电机速度环饱和，然后通过限制电流环的限幅值来限制电机输出力矩，但由于缺乏张力反馈，实际张力值与预期的张力值往往存在较大偏差，且张力稳态性能差；较为先进的现有技术中心采用张力闭环转矩控制，其加装了张力传感器，通过PI调节器来实现张力恒定，但是因为其PI参数固定，系统自适应性不好，在不同机列速度、不同铜箔厚度以及不同收卷卷径的情况下，张力控制效果不一，达不到精度要求。

发明内容

[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种生箔机收卷张力控制系统和控制方法，其利用参数更新模块与PID控制器进行结合，很好地解决了多控制器参数的整定问题，使得PID参数能够随系统工况改变而自适应变化，达到最佳控制效果。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种生箔机收卷张力控制系统，包括用于收卷生箔并测量实际收卷张力和实际收卷速度的收卷装置，以及控制器，所述控制器包括：

[0007] 张力比较单元，其用于计算实际收卷张力和张力预设值的差值得到张力差值；

[0008] 参数更新单元，其根据张力差值计算张力调整参数和速度调整参数；

[0009] 张力控制单元，其根据张力差值和张力调整参数并计算收卷装置的速度参考值；

[0010] 速度比较单元，其用于计算速度参考值和实际收卷速度的差值得到速度差值；

[0011] 速度控制单元，其根据速度差值和速度调整参数调整收卷装置的收卷速度。

[0012] 进一步地，所述收卷装置包括台架、固设于台架上且用于测量生箔的实际收卷张力的张力测量组件以及用于测量生箔的实际收卷速度的收卷组件。

[0013] 进一步地，所述张力测量组件包括支撑座、与支撑座以可转动方式连接的测量滚轮以及固设于支撑座底部的压力传感器，所述压力传感器远离支撑座的一端与台架固定连接，所述压力传感器两侧对称设置有辅助辊，所述辅助辊与台架上表面固定连接。

[0014] 进一步地，所述收卷组件包括收卷辊、带动收卷辊转动的收卷电机以及测量收卷电机的实际收卷速度的速度测量装置。

[0015] 一种生箔机收卷张力控制系统的控制方法，包括以下步骤：

[0016] 步骤一：设置生箔的收卷速度为V1，设置张力预设值Fref，测量生箔收卷时的实际收卷张力Ffdbk，计算实际收卷张力与张力预设值的差值的绝对值，得到张力差值ΔF＝|Ffdbk-Fref|；

[0017] 步骤二：参数更新单元通过量子粒子群算法并根据张力差值ΔF计算张力调整参数和速度调整参数；

[0018] 步骤三：张力控制单元通过张力调整参数和张力差值ΔF计算速度参考值Vref，测量生箔收卷时的实际收卷速度Vfdbk，计算实际收卷速度与速度参考值的差值的绝对值，得到速度差值ΔV＝|fdbk-Vref|；

[0019] 步骤四：速度控制单元根据速度差值ΔV和速度调整参数计算更新收卷速度Vnew，控制收卷电机，使更新收卷速度作为新的收卷速度V1＝Vnew。

[0020] 具体地，张力控制单元和速度控制单元使用PID控制器进行调节；

[0021] 张力控制单元进行控制时： )，Kp1为第一比例系数，Ki1为第一积分系数，Kd1为第一微分参数；

[0022] 速度控制单元进行控制时： )，Kp2为第二比例系数，Ki2为第二积分系数，Kd2为第二微分参数。

[0023] 具体地，所述参数更新单元通过量子粒子群算法并根据张力差值ΔF计算得到的张力调整参数为本调整周期内的第一比例系数Kp1、第一积分系数Ki1以及第一微分参数Kd1，张力控制单元计算速度参考值时将上个控制周期内的第一比例系数Kp1、第一积分系数Ki1以及第一微分参数Kd1依次更新为本调整周期内的第一比例系数Kp1、第一积分系数Ki1以及第一微分参数Kd1；所述参数更新单元通过量子粒子群算法并根据速度差值ΔF计算得到的速度调整参数为本调整周期内的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2以及第二微分参数Kd2，速度控制单元计算更新收卷速度时将上个控制周期内的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2以及第二微分参数Kd2依次更新为本调整周期内的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2以及第二微分参数Kd2。

[0024] 具体地，所述参数更新模块对张力调整参数和速度调整参数进行更新时包括以下步骤：

[0025] 第一步：设定张力控制单元PID控制器以及速度控制单元PID控制器的比例系数、积分系数以及微分参数的稳态范围，设定种群数量、迭代次数以及适应度值，并对粒子的位置进行初始化。

[0026] 第二步：张力差值ΔF对时间求积分后作为误差性能指标；

[0027] 第三步：把每个粒子的参数赋值给两个PID控制器中比例系数、积分系数以及微分参数中，得到相应的误差性能指标，同时不断地进行粒子的迭代，最后选取粒子中误差性能指标最小的粒子作为最优粒子，同时将最优粒子的参数赋值给两个PID控制器中比例系数、积分系数以及微分参数。

[0028] 与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

[0029] 1.本发明利用参数更新模块与PID控制器进行结合，很好地解决了多控制器参数的整定问题，参数更新模块通过对张力差值的计算，持续地对张力控制单元和速度控制单元的控制参数进行更新，使得PID参数能够随系统工况改变而自适应变化，达到最佳控制效果。附图说明

[0030] 图1为本发明整体的结构示意图；

[0031] 图2为本发明控制器的结构示意图

[0032] 图3为本发明控制方法的结构示意图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

[0034] 如图1和2所示，一种生箔机收卷张力控制系统，包括用于收卷生箔并测量实际收卷张力和实际收卷速度的收卷装置100，以及控制器，所述控制器包括：

[0035] 张力比较单元200，其用于计算实际收卷张力和张力预设值的差值得到张力差值；

[0036] 参数更新单元300，其根据张力差值计算张力调整参数和速度调整参数；

[0037] 张力控制单元400，其根据张力差值和张力调整参数并计算收卷装置的速度参考值；

[0038] 速度比较单元500，其用于计算速度参考值和实际收卷速度的差值得到速度差值；

[0039] 速度控制单元600，其根据速度差值和速度调整参数调整收卷装置的收卷速度。

[0040] 现有技术中，铜箔张力主要是张力开环转矩控制，其实际张力值与预期的张力值往往存在较大偏差；较为先进的现有技术中心采用张力闭环转矩控制，但是因为其参数固定，系统自适应性不好，在不同机列速度、不同铜箔厚度以及不同收卷卷径的情况下，张力控制效果不一，达不到精度要求。

[0041] 本发明利用参数更新模块与PID控制器进行结合，很好地解决了多控制器参数的整定问题，参数更新模块通过对张力差值的计算，持续地对张力控制单元和速度控制单元的控制参数进行更新，使得PID参数能够随系统工况改变而自适应变化，达到最佳控制效果。

[0042] 如图1和2所示，所述收卷装置100包括台架130、固设于台架上且用于测量生箔的实际收卷张力的张力测量组件110以及用于测量生箔的实际收卷速度的收卷组件120。

[0043] 如图1和2所示，所述张力测量组件包括支撑座111、与支撑座以可转动方式连接的测量滚轮112以及固设于支撑座底部的压力传感器113，所述压力传感器远离支撑座的一端与台架130固定连接，所述压力传感器两侧对称设置有辅助辊114，所述辅助辊与台架上表面固定连接；两个辅助混对称布置在压力传感器的两侧，这样使得绕过测量滚轮的生箔与竖直方向的夹角相同，则支撑座以及压力传感器只受到向下的力，提高了测量精度。

[0044] 如图1和2所示，所述收卷组件包括收卷辊121、带动收卷辊转动的收卷电机122以及测量收卷电机的实际收卷速度的速度测量装置123。

[0045] 速度测量装置内的变频器中具有卷径计算模块，可以实时计算收卷辊的实时卷径，然后根据减速比，通过电机的转速来得到收卷辊的转速，通过收卷辊的转速和卷径来得到实时的线速度。

[0046] 压力型张力传感器的原理是将压力信号转化为线性的电压信号，输入到张力表，张力表对信号进行滤波处理后输入到PLC控制器中作为最终的实际收卷张力。

[0047] 为了提高生箔张力的测量精度，张力测量组件安装完成后需要对其进行校准：安装完成后，需要对压力传感器的表征数值进行校正，首先将张力表值调整至零，然后用吊带模拟铜箔通过测量滚轮，用塔吊施加一个100kg左右的力，待稳定后，将测力计的实际数值输入张力表，完成压力传感器的校正。

[0048] 如图3所示，一种生箔机收卷张力控制系统的控制方法，包括以下步骤：

[0049] S1：设置生箔的收卷速度为V1，设置张力预设值Fref，测量生箔收卷时的实际收卷张力Ffdbk，计算实际收卷张力与张力预设值的差值的绝对值，得到张力差值ΔF＝|Ffdbk-Fref|；

[0050] S2：参数更新单元通过量子粒子群算法并根据张力差值ΔF计算张力调整参数和速度调整参数；

[0051] S3：张力控制单元通过张力调整参数和张力差值ΔF计算速度参考值Vref，测量生箔收卷时的实际收卷速度Vfdbk，计算实际收卷速度与速度参考值的差值的绝对值，得到速度差值ΔV＝|Vfdbk-Vref|；

[0052] S4：速度控制单元根据速度差值ΔV和速度调整参数计算更新收卷速度Vnew，控制收卷电机，使更新收卷速度作为新的收卷速度V1＝Vnew。

[0053] 具体地，张力控制单元和速度控制单元使用PID控制器进行调节；

[0054] 张力控制单元进行控制时： )，Kp1为第一比例系数，Ki1为第一积分系数，Kd1为第一微分参数；

[0055] 速度控制单元进行控制时： )，Kp2为第二比例系数，Ki2为第二积分系数，Kd2为第二微分参数。

[0056] 具体地，所述参数更新单元通过量子粒子群算法并根据张力差值ΔF计算得到的张力调整参数为本调整周期内的第一比例系数Kp1、第一积分系数Ki1以及第一微分参数Kd1，张力控制单元计算速度参考值时将上个控制周期内的第一比例系数Kp1、第一积分系数Ki1以及第一微分参数Kd1依次更新为本调整周期内的第一比例系数Kp1、第一积分系数Ki1以及第一微分参数Kd1；所述参数更新单元通过量子粒子群算法并根据速度差值ΔF计算得到的速度调整参数为本调整周期内的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2以及第二微分参数Kd2，速度控制单元计算更新收卷速度时将上个控制周期内的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2以及第二微分参数Kd2依次更新为本调整周期内的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2以及第二微分参数Kd2。

[0057] 具体地，所述参数更新模块对张力调整参数和速度调整参数进行更新时包括以下步骤：

[0058] 第一步：设定张力控制单元PID控制器以及速度控制单元PID控制器的比例系数、积分系数以及微分参数的稳态范围，设定种群数量、迭代次数以及适应度值，并对粒子的位置进行初始化。

[0059] 第二步：张力差值ΔF对时间求积分后作为误差性能指标；

[0060] 第三步：把每个粒子的参数赋值给两个PID控制器中比例系数、积分系数以及微分参数中，得到相应的误差性能指标，同时不断地进行粒子的迭代，最后选取粒子中误差性能指标最小的粒子作为最优粒子，同时将最优粒子的参数赋值给两个PID控制器中比例系数、积分系数以及微分参数。

[0061] 每个粒子有6个维度，对应着6个待优化的参数。最优粒子是经过进化和迭代后得到的最终粒子，并将最优粒子的参数赋给对应的PID控制器参数。

[0062] 量子粒子群算法属于现有技术。

[0063] 粒子群算法通过群体迭代，让粒子在解空间追随最优的粒子进行搜索，简单易行，收敛速度快，设置参数较少；量子粒子群算法在此基础基于粒子的量子属性进行了一些改进，增强了算法的全局收敛能力，收敛速度更快，需要的迭代次数明显减少，并且其仅仅包含一个收缩因子a，易于算法的实现和参数的选择，在稳定性上比原始的粒子群算法更稳定。其算法具体如下：

[0064]

[0065] 式中P为吸引子，pi为个体最优值，pg为全局最优值。

[0066] 更新最优粒子mbest,其为所有个体粒子最优值的均值：

[0067]

[0068] 最后更新粒子的位置信息：

[0069]

[0070] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0071] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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