1、Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用传感器技术与应用,2023,11(3),247-256 Published Online May 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jsta https:/doi.org/10.12677/jsta.2023.113027 文章引用文章引用:程元清,郭金妹.基于改进 WOA 预测 PID 的电缆线径控制J.传感器技术与应用,2023,11(3):247-256.DOI:10.12677/jsta.2023.113027 基于改进基于改进
2、WOA预测预测PID的电缆线径控制的电缆线径控制 程元清程元清1，郭金妹，郭金妹2 1江西理工大学电气工程与自动化学院，江西 赣州 2江西应用技术职业学院机械与电子工程学院，江西 赣州 收稿日期：2023年4月13日；录用日期：2023年5月17日；发布日期：2023年5月25日 摘摘 要要 针对电线电缆生产推挤系统自身具有的时滞性针对电线电缆生产推挤系统自身具有的时滞性、非线性和大扰动等特点导致生产推挤过程线径厚度控制非线性和大扰动等特点导致生产推挤过程线径厚度控制较难和建模难度较高的问题，提出一种改进鲸鱼算法较难和建模难度较高的问题，提出一种改进鲸鱼算法(IWOA)、动态控制矩阵、动态控制
3、矩阵(DMC)与传统与传统PID相结合的相结合的算法对推挤生产系统进行优化的策略。这种策略集合了算法对推挤生产系统进行优化的策略。这种策略集合了PID算法的较少的稳态误差优点、算法的较少的稳态误差优点、DMC预测克服预测克服时滞问题的优点和时滞问题的优点和IWOA自动寻优整定参数的优点于一身。通过在自动寻优整定参数的优点于一身。通过在MATLAB平台上对推挤系统进行建模平台上对推挤系统进行建模和仿真，对比传统和仿真，对比传统PID算法，未改进的算法，未改进的WOA算法的效果。实验仿真表明，具备预测能力的算法的效果。实验仿真表明，具备预测能力的IWOA控制策控制策略可以使系统达到较小的超调量、较
4、快的响应速度和较强抗扰性等优点，具有一定的实略可以使系统达到较小的超调量、较快的响应速度和较强抗扰性等优点，具有一定的实际生产应用价值。际生产应用价值。关键词关键词 线径系统线径系统，动态矩阵预测动态矩阵预测，改进鲸鱼算法改进鲸鱼算法，PID Cable Diameter Control Based on Improved WOA Predictive PID Yuanqing Cheng1,Jinmei Guo2 1School of Electrical Engineering and Automation,Jiangxi University of Science and Technol
5、ogy,Ganzhou Jiangxi 2College of Mechanical and Electronic Engineering,Jiangxi College of Applied Technology,Ganzhou Jiangxi Received:Apr.13th,2023;accepted:May 17th,2023;published:May 25th,2023 Abstract For the current stagnation,non-linearity and large disturbances of the production and push sys-te
6、m of electric wire and cable production lead to the problem of difficult control and high model-ing of the production push process.IWOA,dynamic control matrix(DMC)and traditional PID algo-rithms optimize the push production system.This strategy integrates the advantages of less steady-state errors i
7、n the PID algorithm,the advantages of DMC prediction to overcome the problem of 程元清，郭金妹 DOI:10.12677/jsta.2023.113027 248 传感器技术与应用 time stagnation,and the advantages of IWOA to automatically find out the parameters.By model-ing and simulation on the push system on the MATLAB platform,comparing the t
8、raditional PID algorithm and the effect of the unrestrained WOA algorithm,experimental simulation shows that IWOA control strategies with predictive ability can enable the system to achieve a small over-adjust-ment,a fast response speed,and strong antipity,and have certain actual production and appl
9、ica-tion value.Keywords Wire Diameter System,Dynamic Matrix Prediction,Improve Whale Algorithm,PID Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 推挤绝缘是 P
10、TFE 电线电缆生产制造之中非常重要的一项工序。与之对应的绝缘推挤机是完成推挤动作的最主要的机器设备。推挤动作要求达到的工艺效果是在线芯圆周紧密的挤出覆盖一层熔融的 PTFE材质外壳，要求其厚度要均匀，不得超出规定的误差，对于厚度的精度有较高的要求，同时不得有外壳断裂导致内芯线裸露。在过去线径生产工艺常常用到的控制方法是 PID 控制，因为其具有效果较为稳定，方法简单等优点而被大量应用到该工艺之中，但不足之处是其参数的选取比较困难，需要人有十分丰富的经验才能快速得到较为满意的三个参数。在参数整定结束后，参数的值保持恒定不变，比较难达到最好的控制效果。在真实的生产条件下，由于 PTFE 绝缘电缆
11、生产系统具有时变性、非线性、大滞后性的特点 1。所以其控制效果未达到电缆生产的高精度、抗干扰性能强等要求。故需要寻找新的控制方法来优化上述问题，以满足实际电缆生产的需求。21 世纪以来，智能控制科学发展突飞猛进，涌现出非常多智能控制算法。故许多专家学者将智能控制算法引入线径控制之中，以此来帮助解决线径生产中的问题。针对线径生产系统中的大滞后问题，Hussein H.2将动态矩阵预测的方法引入系统中。针对控制系统 PID 参数整定问题。Li H.3等人将蚁群优化算法引入系统，并结合卡尔曼滤波算法来增强系统整体的抗干扰能力。但会导致整体的运算量剧增，对传递函数也有影响，同时对设备的要求较高，会使控
12、制结果出现一定的偏差。上述对于线径推挤系统的改进方法都在一定程度上增强了的调节能力，但仍然存在一些不足，例如控制精度有待提升，调节时间稍长，易陷入局部最优。本文引入改进的鲸鱼算法(Improved Whale Opti-mization Algorithm,IWOA)和动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control,DMC)结合的方法。这种方法的优势在于利用 IWOA 对 PID 的三个参数进行自动整定，解决 PID 调参问题。同时用 DMC 4建立系统模型的预测控制算法，解决系统本身的大滞后问题，具有一定的预判性，使系统可以对干扰做出及时准确的调整。较好的解决了线径生产过程中的控
13、制精度差、非线性和大滞后等问题，具有一定的实际生产价值。1.1.线径生产推挤系统线径生产推挤系统 1.1.1.线径控制系统结构线径控制系统结构 在理想条件下，电缆线径的生产制作可理解为将 PTFT 材质熔融之后包裹在一根铜芯线上。完成这一动作的系统按照从头到尾排序主要由放线设备、牵引设备、加热设备，挤塑设备、冷却设备、测量反Open AccessOpen Access程元清，郭金妹 DOI:10.12677/jsta.2023.113027 249 传感器技术与应用 馈设备、牵引设备和质量反馈设备组成。其系统的整体结构示意图如图 1 所示。Figure 1.Structure of wire
14、diameter extrusion system 图图 1.线径推挤系统结构 金属芯线先经由放线装置和矫正装置，推挤电机作用于螺杆，芯线被螺杆以一定的推挤速度进入推挤机。同时 PTFE 原料经由供料管道被吸入供料部分，并熔融至可以被推挤的状态。芯线和熔融态的 PTFE相遇后经推挤处理后一起被拉出挤塑机头部。然后经过一小段间隔，之后被测径仪检测半径是否合格。之后电缆进过烧结炉和电火花机将质量情况的数据上传，最后电缆由收线装置一起整装待出厂。1.1.2.对象模型建立对象模型建立 出于对测径仪的保护要求，机尾和测径仪之间要间隔一定的距离，防止烧坏测径仪。这导致反馈给系统的数据有一定的延迟，带来了一
15、定的滞后性。为方便生产，通常将推挤速度设置为恒定。于是系统的滞后时间 可用公式求得为 tractionLV=(1)其中 L 为机尾到测径仪的长度，Vtraction为系统的推挤速度，即生产速度。其中滞后的环节可以看做是一阶惯性加纯滞后环节，螺杆调速系统为直流闭环调速，模型可等效为二阶惯性环节 5。故其数学模型可以用如下近似表达：()()()12e11sKG sT sT s=+(2)其中，K 为比例系数，T1、T2为惯性时间常数，为时滞时间常数 6。根据相关研究成果 1 2 3，并且对现场数据收集分析拟合得出较为符合本系统的传递函数为：()()()0.880.61e0.841 1.461sG s
16、ss=+(3)2.基于基于 IWOA 预测预测 PID 控制系统设计控制系统设计 2.1.系统运作原理系统运作原理 在实际线径制造过程中，如果两节胚料的链接处连接不牢固或者两节之间存在空气等干扰都会影响程元清，郭金妹 DOI:10.12677/jsta.2023.113027 250 传感器技术与应用 线径的推挤效果。从现场的线径波动数据分析，其差距缓缓减小，然后剧增，振幅较大。此类扰动可等效为一干扰信号。根据分析建立 IWOA 预测 PID 线径控制系统，如图 2 所示。Figure 2.IWOA predictive PID control principle 图图 2.IWOA 预测 PID 控制原理 系统的控制部分由控制和预测两部分组合共同作用。控制部分的算法是 IWOA 与 PID 结合，其原理是将系统控制的目标线径 yr与实际线径 y 的差值 er和差值变化率 ec作为整个系统的输入量，之后按照适应度作用最后整定出最佳的 Kp、Ki和 Kd三个参数。预测部分的算法是将系统各参数拟合到一个预测模型之中，在矫正环节之后输出下一时刻的预测线径。然后 u 是推挤机的控制量(电压)，
