[發明專利]一種基于滑模模糊控制的紗線張力控制方法

在審

• 申請號: 202210042362.1
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114394486A
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 王培良;葉秋陽;胡開亮;沈剛
• 申請（專利權）人: 湖州師范學院
• 主分類號: B65H59/38
• 分類號: B65H59/38;B65H63/00;H02P6/182;H02P6/34;H02P21/00
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 張宇娟

1.一種基于滑模模糊控制的紗線張力控制方法，設計滑模模糊控制器，所述的滑模模糊控制器包括滑模控制器和模糊控制器，并以紗線張力控制系統的收卷電動機為控制對象，通過采集張力誤差e及其變化率作為滑?？刂破鬏斎胱兞浚玫阶饔糜谒鍪站黼妱訖C的紗線張力控制律輸出u；于此同時，根據紗線張力控制系統的數學模型，設計滑模控制器的滑模面s以及其變化率作為模糊控制器的輸入變量，通過模糊規則，實時調節模糊控制器的輸出變量趨近律參數Δγ作用于滑?？刂破?，實現控制律輸出u的穩定性；具體通過以下算法步驟設計得到：

步驟1：定義紗線張力控制系統數學模型的狀態方程：

首先設電機電壓平衡方程為：其中u為電機端電壓；i為相電流；r為相電阻；L為相電感；k_e為反電勢系數；w為電機角速度；轉矩平衡方程為：其中T_e為電磁轉矩，T_e＝k_ti；k_t為轉矩系數；T_L為負載轉矩；J為轉動慣量；B為阻尼系數；電機端電壓的表達式為：a＝LJ/k_t，d＝rT_L/k_t，b＝(rJ+BL)/k_t，c＝(rB+k_ek_t)/k_t；

其次定義紗線的應力σ的表達式為：σ＝Eε；其中E為彈性模量，ε為應變；設紗線的初始長度為l，形變后的長度為l₀，V₂收卷輥線速度，V₁為放卷輥線速度，則紗線的應變ε的表達式為：當為紗線橫截面積為A，則紗線的張力F的表達式為：設放線速度V₁恒定不變，在張力發生波動時，通過控制收線速度V₂來調節紗線張力使其恢復到設定值，由此可得：其中：R為收卷輥半徑；依據g＝l/(AER)，h＝d+cV₁/R；得到紗線張力控制系統數學模型的狀態方程為：

步驟2：設計滑模控制器的滑模面，定義張力誤差為：e＝x_1d-x₁，其中，e為張力誤差，x_1d為張力設定值，根據紗線張力控制系統的數學模型，設計滑模面：其中，c₁、c₂、c₃均為滑模面設計參數，且c₁、c₂、c₃＞0；

步驟3：設計滑?？刂破鞯内吔?，采用改進多冪次趨近律為：

其中，k₁、k₂、k₃、k₄、α、β為趨近項系數，Φ為函數f(s)的邊界層厚度；k₁＞0，k₂＞0，k₃＞0，k₄＞0，0＜α＜1，1＜β，Φ＞0，γ的取值采用模糊控制自適應調節，其表達式為：γ＝γ₀+Δγ其中，γ₀為γ的初始值，Δγ為模糊控制輸出量；

步驟4：設計模糊控制器，以滑模函數s以及其變化率作為輸入變量，以Δγ作為輸出變量；通過模糊規則，實時調節趨近律參數Δγ，以適應不同時刻的控制需求；

步驟5：將Δγ作用于滑?？刂破?，得到整個模糊滑?？刂破髯饔糜谑站黼妱訖C的控制律：其中，q＝-k₁|s|^αf(s)-k₂|s|^βf(s)-k₃|s|^γf(s)-k₄s；采用準滑動模態的形式設計連續函數f(s)：f(s)在邊界層外，采用切換控制；反之，采用線性化反饋控制。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟4的模糊規則為，定義輸入量s以及的模糊集為s,對應的論域為s,定義輸出量Δγ的模糊集為Δγ＝{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，對應的論域范圍為Δγ＝{-3,3}；Δγ參數調節的模糊規則滿足滑?？刂频目蛇_性條件當s、均為PB/NB時，則要求Δγ為PB/NB，使系統以較大的速度降低的值；當時，系統滿足可達性條件，有收斂于滑模面的趨勢，則要求Δγ為ZE。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于：模糊輸入s，隸屬度函數和模糊輸出Δγ隸屬度函數包含三角形隸屬度函數、S型隸屬度函數、Z型隸屬度函數、梯形隸屬度函數中的1-3種；并采用加權平均法對模糊輸出Δγ進行逆模糊化，其計算公式：其中，為元素第i級隸屬度值，Δγ_i為第i級元素加權系數。