基于模糊自适应PID控制的收卷张力系统改进

作者简介：

1、胡兴禄，男，1983-05，汉族，河南省濮阳市人，本科，中级工程师，研究方向：电气、自动化

2、尹岳波，男，1978-12，汉族，黑龙江人，本科，高级工程师，研究方向：机械工程及其自动化

3、孙伟，男，1985-08，汉族，山东省枣庄市人，本科，中级机械工程师，研究方向：石油工程

摘  要：本文针对收卷过程中张力控制精度差、动态响应慢及鲁棒性不足的问题，提出了一种基于模糊自适应PID的收卷张力控制系统改进方法。研究构建了模糊调节与PID控制融合的控制结构，建立了张力误差与增益参数的动态映射关系，并设计了多工况下的模糊规则集。通过系统结构重构与控制策略优化，实现了在复杂工况下对张力扰动的快速响应与稳定抑制。

关键词：收卷张力控制；模糊自适应PID；系统改进；动态响应；控制精度

1 引言

收卷张力控制系统在卷材生产过程中直接关系到成品质量与生产效率，受非线性、时变性和外部干扰影响较大，常规PID控制方法在复杂工况下易出现响应滞后、调节不足等问题，难以满足高速高精度控制需求。本文围绕收卷张力系统的控制性能提升展开研究，以提升系统整体控制质量。

2 收卷张力系统改进

2.1 控制系统重构设计

模糊自适应PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器在收卷张力系统中的实际部署，关键在于其控制结构的合理设计与参数调节机制的动态适配。传统PID控制依赖固定的比例、积分与微分参数，面对高速启停、卷径变化、材料刚度不一等复杂工况时，其调节能力与响应精度难以满足稳定要求。为解决该问题，本研究构建了一种结合模糊逻辑推理与经典PID算法的嵌入式控制架构，使控制器具备实时调节能力与广泛的工况适应性[1]。

该控制系统以张力误差和误差变化率作为模糊控制器的输入量，模糊控制器输出对应的比例系数调节量、积分系数调节量以及微分系数调节量，并实时修正PID控制器中的。模糊推理过程基于一组预设的模糊规则库，该规则集依据张力系统动态响应的历史经验与调节策略构建，经离散化后便于在嵌入式平台中实时运行。

系统采集部分由高精度张力传感器构成，采样周期控制在1 ms以内，能及时捕捉高速运动中的张力扰动变化。控制器部分运行在实时操作系统环境中，确保控制策略更新无延迟，适应多种工作状态下的动态特性变化。系统的主要硬件控制单元为STM32H7系列微控制器，具备高速A/D转换能力与充足的运算资源，支持模糊推理与PID算法并行运算。控制参数更新遵循如下修正公式：

其中， 为初始设定值， 为当前时刻模糊控制器输出的动态增益调节值。在系统调试过程中，模糊控制器的输入输出隶属函数经多轮调整与仿真优化，确保其在卷径变化初期、中期及末端阶段均具备良好的非线性映射能力。模糊规则设计以“IF-THEN”形式表述，其中模糊语言变量设定为五级制，分别表示大负、中负、小、正中、大正状态，形成覆盖张力误差全域的调节逻辑。

2.2 性能提升的关键策略

收卷张力系统的性能优化不局限于控制器参数的动态调整，还必须结合工艺过程的运行特点，在控制策略层面实现响应优化与干扰抑制。控制目标不仅是张力误差的快速收敛，更要求系统在高速卷绕、频繁启停及负载扰动条件下保持稳定性，避免出现张力震荡、输出迟滞或过调节现象。控制策略优化首先集中在模糊规则集的自适应能力提升[2]。

为提高模糊控制器在不同速度阶段的调节精度，研究引入误差加权函数，将实时速度作为参数之一嵌入模糊推理过程，实现多速度段下模糊输出结果的权重修正。这种结构使得控制器能在低速时提高误差敏感性，在高速时增强稳态调节，解决不同动态特性下的响应矛盾问题。其次，在卷径变化显著的工况下，张力系统具有强非线性变化特征。针对这一特征，系统通过实时计算卷径与线速度之间的函数关系，引入补偿因子对控制器输出信号进行非线性预调，避免因惯量变化导致的响应滞后。控制器还增加了抗扰通道，对突发扰动进行前馈修正。

3 控制效果分析

3.1 动态响应与稳定性表现

模糊自适应PID控制器在收卷张力系统中的动态响应性能直接决定了其工业应用的可行性。控制系统在启动、速度切换及外部扰动等工况下的响应速度和稳定性，是衡量控制算法优劣的核心指标。实验平台构建于高速卷绕模拟装置上，系统加载不同卷径与线速度组合的工况任务，并叠加人为扰动干扰，测试模糊自适应PID控制器与常规PID控制器在动态响应过程中的行为差异[3]。

从实际测试结果来看，模糊自适应PID控制在张力波动初期可快速识别误差趋势，并根据误差变化动态调整控制参数，使系统张力迅速趋于设定值。常规PID控制因参数固定，在扰动初期存在明显的滞后现象，控制量反应不足，系统张力出现超调与波动。在高卷径、高速度的复合作业条件下，该问题表现更为突出。系统在运行过程中无明显超调，表明模糊调节机制在初始阶段对增益参数的压制策略有效避免了快速调整过程中的过冲现象。控制器输出信号变化平滑，电机驱动电流曲线稳定，系统无周期性震荡，验证了结构重构在提升系统稳定性方面的效果[4]。

3.2 控制精度与鲁棒性评估

除动态性能外，系统在连续运行及多种工况切换中的稳态控制精度与鲁棒性，是收卷张力控制器能否工业化部署的关键。控制精度主要体现在张力误差的最小化能力，而鲁棒性反映在控制系统对环境扰动、材料属性变化等不确定因素的适应能力。实测过程中，系统分别在不同卷径与速度条件下运行30分钟，记录稳态张力误差均值与误差波动范围。在控制精度方面，模糊自适应PID控制器在所有工况下的张力稳态误差均小于1 N，远低于常规PID控制的2.5 N水平[5]。波动范围稳定在±0.5 N内，系统无明显振荡漂移，控制误差可控。五种典型工况下两种控制策略的控制精度对比结果，反映模糊自适应结构对工况变化的有效适配能力。

在长时间稳定运行过程中，模糊控制器通过动态调节机制持续修正参数波动，确保系统在张力需求变化时维持调节敏感性与输出稳定性。测试期间，控制器在所有干扰注入情况下均未发生积分饱和或失控跳变，显示出较强的结构鲁棒性与参数鲁棒性。控制精度与抗扰能力的提升为系统在高速生产、卷径大范围变化及材料属性波动条件下提供了稳定保障，具备良好的工程推广价值与工业落地前景。

4 结论

本文面向收卷过程中张力控制精度不足与动态性能差的工程难题，构建了融合模糊逻辑调节与PID控制的自适应控制架构，并将其应用于收卷张力系统中实现结构性优化。系统基于张力误差与变化率实现控制参数的在线调节，提升了控制器在多工况条件下的实时响应能力与干扰抑制水平。实测结果表明，该控制方法在动态响应时间、稳态误差及控制稳定性方面均优于常规PID控制，有效满足了收卷系统对高速度、高张力稳定性的控制要求。

参考文献

[1]徐智武，王琦，华晓青. 盾构防水条粘贴执行装置放卷张力控制系统的研究 [J]. 计量与测试技术， 2025， 51 （02）： 106-108+113.

[2]刘晓军，单忠德，刘检华，等. 连续纤维3D打印张力自适应调控方法和装置优化研究 [J]. 机械工程学报， 2025， 61 （05）： 250-262.