模糊控制在可逆式四辊轧机液压AGC系统中的应用.pdf

第 5期 总第 1 8 0期 2 0 1 3年 1 0月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT MAT1 N NO． 5 Oc t ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 l 3 2 O l 3 0 5 0 1 3 7 0 3 模糊控制在可逆式 四辊轧机液压 AG C系统 中的应用 包 野 ，李玉贵 ，侯 成 ，王高平 1 ．太原科技 大学 机械工程 学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 ；2 ． 山重建 机有 限公司， 山东 临沂 2 7 6 0 0 0 摘要 为 了进 一步提高 四辊轧机液压 A GC系统 的厚度控制精度 ，将传 统的 P I D控制 与模 糊控制 相结合 ，设 计 了一种参 数 自调节的模 糊 自适 应 P I D控制 器。该控 制器通过 分析偏差和 偏差 变化率，利用 模糊逻 辑实现 P I D参数在线 自动调 节。经 MAT L AB仿真表 明，其 控制效果优于传统 的 P I D控制 ，具有 良好 的动、静态特 性及较 强鲁棒性。 关键词 液压 A GC系统；模糊 自适应 P I D控制；MAT L AB仿真 中 图分类号 T P 2 7 3 T G3 3 文献标识码 A 0 引言 常 规 P I D控 制 由 于原 理 简 单 、 使 用 方 便 、 适 用 性 好 和具 有很 强 的鲁 棒 性 ， 在 工 业 过 程 控 制 中得 到 了广 泛的应用[ 1 ] 。但 P I D控 制对被控对象 的数学模 型依 附性强 ， 通过整定方 法确定 的 P I D调节参 数 ， 只适用 于一种工况。液压 AGC系统是厚度控制的重要分支 之一， 其控制过程具有非线性、 时变性 、 大惯性等特点 ， 难以建立精确 的数学模型， 应用传统的 P I D控制器不 能达 到理 想 的控 制 效 果 [ 2 ] ， 而 模 糊 控 制 的优 点是 不 要 求被控对象有精确的数学模型 ， 将操作人员 专家 长 期实践积 累的经验知识用控制规则模糊化 ， 然后运用 模糊推理便可实现最优控 制。本文 结合 了 P I D控制 和模 糊 控 制 的 优 点 ， 将 模 糊 自适 应 控 制 应 用 于 液 压 AG C系统 ， 使系统的控制性能得到 了完善。 1 可逆式 四辊轧机液压 A G C系统位置 控制的数 学模型 液压 AGC系统位置 闭环控制是将输 出信号与输 入 信号 相 比较 ， 得 到位置 控 制 的系统 误 差 ， 通 过 多次 的 反馈控制将误差逐渐减小为零 ， 即输 出能更准确地反 映输入 ， 实现高精度的位置控制过程 。 根 据液 压 AG C 系统 位 置 控 制 原 理 、 各 个 元 件 的 传递 函数【 3 “ 及可逆式 四辊轧机控制 系统 的参 数， 得 到系统开环传递 函数为 G 丽 音 。 2 参数 自适应模糊 P I D控制原理 P I D控制器由比例环节 、 积分环节和微分环节组 成 ， P I D控制器的基本原理和各个环节的作用见参考 文献[ 5 3 。 参数 自适应模糊 P I D控制 系统结构见 图 l ， 其 中 k 为比例系数 ， k 为微分系数 ， k 为积分系数。它是 在传统 P I D控制的基础上 ， 应用模糊逻辑推理理论建 立起来 的。以系统的反馈值和 目标值的误差 及误 差变化率 d e ／ d t 作为模糊控制器 的输入 ， 通过模糊化 、 模糊推理 、 解模糊化等过程 ， 输 出控制参数 的调节 量 k 、 k 、 k ， 并作用于 P I D控制器 ， 实现控制参数的在线 自整定 过程 。 图 1模 糊 目适 应 PI D控 制 的结 构 图 3 参数 自适应模 糊 P I D控 制设计 由图 1可知 ， 自适应模糊 P I D控制为双输入 、 三 输出系统 ， 其 中输人量为厚度误差 e 和误差变化率 d e ／ d t ， 其 实 际 范 围分 别 为 [ 一 9 0 m， 9 0 m]和 [ 一1 2／ z m， 1 2 m] ， 基本论域都为[ 一6 ， 6 ] ， 则量 化因子分别为 1 ／ 1 5和 0 ． 5 。 自适应模糊 P I D控制器 的输出量为 A k 、 A k 、 A k ， 其实 际范围均为 [ 一0 ． 3 ， 0 ． 3 ] ， 设定的基本论域都为[ 一6 ， 6 ] ， 则 比例 因子 为 1 ／ 2 0 。隶属度 函数 比较窄瘦时 ， 控制较灵敏； 隶属 函数 比较宽胖时， 系统 的稳定性越好 。本文中输入 、 输 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 7 ；修 回 日期 2 O l 3 0 4 1 8 作者简介 包野 1 9 8 7 一 ，女 ，吉林舒兰人 ，在读硕 士研究生 ，研究方 向为重型机械结构优化设计。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 3年 第 5期 出变 量 的模糊 子集 均 为 { NB ， NM， NS ， Z， P S ， P M， P B ， 子集 中各元素分别代表{ 负大， 负 中， 负小 ， 零， 正 小， 正中， 正大 。隶属 函数则采用两侧为高斯函数 、 中 间为三角函数。模糊控制规则是模糊控制器的核心， 规则的正确与否直接影响控制器的性能。控制规则是 基于操作人员积累的控制经验和领域专家的有关专业 知识 ， 经长期 的优化整定而建立的。本文中模糊控制 规则表借鉴了参考文献[ 6 ， 7 ] ， 然后应用重心法进行解 模糊化 ， 权 重值设 为 l 。 4 系统 的仿真研 究 4 ． 1 建立参数 自适应模糊 P I D控制的仿真模型 当系统为传统的 P I D控制时 ， 通过 ZN 整定方 法， 得 到 P I D控 制器 的初 步整 定参数 k 。 2 O 、 忌 一 0 ． 2 5 、 k 一0 。然后根据液压 AG C位置控制的过程 和 参数 自适应 模糊 P I D 的控 制 原 理 ， 应 用 MATL AB中 的 S i mu l i n k工具箱搭建 系统 的仿 真模 型， 如 图 2所 示 。图 3为 自适 应模 糊 P I D控 制 的子系 统 。 图 2 单位 阶跃响应的模糊 P I D控制 系统 图 图 3模 糊 PI D控 制 的 子 系统 4 ． 2 仿 真 结果分析 设置仿真时间为 2 S ， 采用 o d e l 4 x求解方法 ， 开始 运行仿 真。得到模糊 自适应 P I D控制与 P I D控制下 系统的 阶跃 响应 曲线 见 图 4 和 误 差 曲线 见 图 5 。 由图 4和 图 5可知 ， 模糊 P I D和 P I D 系统 阶 跃响 应 的 调节时 间分别 为 0 ． 0 8 S和 0 ． 1 2 S 。模 糊 自适 应 P I D 控制的系统响应速度快 、 进入稳态时间短 ， 系统误差能 更快、 更早地消除， 具有 良好的动静态性能 ， 能更好地 满足板带材的厚度精度要求。图 6 ～图 8分别为 P I D 控制参数 k 、 k 、 k 的在 线 自调节 曲线 ， 控制 系统在 0 ． 1 6 S 时就完成 了对 P I D参数在线 自调节的过程 ， 充 分体现 了模糊 自适应控制的优点。 为验证系统 的鲁棒性 ， 在仿真时间 0 ． 8 S 时给 控制系统加入幅值为 0 ． 0 5的干扰信号， 其阶跃响应曲 线如图 9所示 ， 可以看到模糊 自适应 P l D控制有较好 的鲁棒性 ， 其控制效果优于传统的 P I D控制。 1 ． 2 1 ． 0 0 ． 8 銎 0 ． 4 0 ． 2 0． 2 0． 1 0． 1 0． 1 0． 1 O ．1 O O ． 5 l 1 ． 5 t ／ s 图 4系统 阶跃响应 曲线 t ／ s 图 6 k ，自调节 曲线 5 结论 t ／ s 图 5系统 误 差 曲 线 - 0．1 95 - 0．1 9 6 - 0． 1 9 7 一 0 ．1 9 8 - 0．1 9 9 - 0 ． 2 00 0 0． 5 1 1 ． 5 2 t ／ s 图 7 k 自调节 曲线 针对四辊轧机液压 AG C控制系统这一 非线性、 实时变化的控制过程 ， 传统 P I D控制策略受到制约 ， 因而本文设计了模糊 自适应 P I D控制器 ， 能够实现控 制参数 的在线 自整 定。仿 真结果 表 明 自适应 模糊 P I D控制具有动态性能好 、 稳态精度高 、 抗干扰能力强 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 5期 机 械 工 程 与 自 动 化 l 3 9 和鲁棒性较 强的优 点 ， 控制 效果 优于传 统的 P I D 控 制 ， 解决 了液压 AGC系统非线性 、 时变性、 大惯性 等 弱点 。 一 0 ． 27 3 - 0 ． 27 3 0 ． 27 3 一 O ． 27 4 L ． ． ⋯ 1 ． 2 1 ． 0 0 ． 8 e O ． 4 0 ． 2 ／ F u z Z y P i D 0 O ．5 1 1 ． 5 2 t { s [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 图 8 d自调节 曲线 图 9 加干扰信号 的阶跃 响应曲线 [ 7 ] 参考文献 [ 1 ] 王瑶 ， 王晓哗． 自适应模糊 P I D轧机 厚度 自动控制 系统设 计[ J ] ． 电气传 动 ， 2 0 0 8 ， 3 8 8 5 6 - 5 9 ． 黄赞 ， 陈 伟 文．模 糊 自 整 定 P I D 控 制 器 设 计 及 其 MA TL AB仿真[ J ] ． 控制与检测 ， 2 0 0 6 2 5 o 一 5 2 ． 王希娟 ， 黄梦涛 ， 冯景晓． 板轧机 A GC系统的液压压下建 模及模型参数对板厚 的影 响[ J ] ． 钢铁研究学 报 ， 2 0 0 7 ， 1 9 4 3 5 - 3 8 ， 5 3 ． 谭树彬 ， 钟 云 峰， 刘建 昌， 等． 轧 机 辊缝 控制 建模 及仿 真 [ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 6 ， 1 8 6 1 4 2 5 1 4 2 7 ． 谢 仕宏． MA TL AB R 2 0 0 8控 制 系统 动态 仿 真实 例教 程 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 柴光远 ， 赵鹏 兵． 模 糊 自适 应 P I D控 制器在液 压 AG C系 统中的应用[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 6 6 9 7 1 ． 2 7 ． 孟令启 ． 刘纯 利 ， 李 进． 中厚板 轧机模 糊 P I D控 制系统 的 研究[ J ] ． 安徽科技学院学报， 2 0 1 1 ， 2 5 6 4 8 5 4 ． Ap pl i c a t i o n o f Fu z z y PI D Co nt r o l i n Hy d r a u l i c AGC S y s t e m o f Re v e r s i ng Fo u r - h i g h M i l l BAO Ye 。LI Yu - g u i ，HOU Ch e n g2 W ANG Ga o - pi ng 1 ．S c h o o l o f M e c h a n i c a l En gi n e e r i n g，Ta i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 03 0 0 2 4，Ch i na ；2 ．St r o n g Co n s t r u c t i o n M a c h i n e r y Co m p a ny L i m i t e d，Li n y i 2 7 6 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e t h i c k n e s s c o n t r o l p r e c i s i o n o f h y d r a u l i c AGC s y s t e m i n f o u r - h i g h mi l l 。t h e c o mb i n a t i o n o f P I D c o n t r o l a n d f u z z y c o n t r o l wa s p u t f o r wa r d a n d a f u z z y s e l f - a d j u s t e d PI D c o n t r o l l e r wa s b u i l t ． Ac c o r d i n g t o t h e e r r o r a n d i t s d e r i v a t i v e ，t h e o n l i n e s e l f - a d j u s t me n t o f P I D p a r a me t e r s wa s r e a l i z e d u s i n g f u z z y l o g i c ．Th e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n i n d i c a t e t h a t t h e f u z z y s e l f - a d j u s t e d PI D i s b e t t e r t h a n t h e c o n v e n t i o n a l P I D。h a s t h e b e t t e r d y n a mi c a n d s t e a d y p r o p e r t y a n d t h e s t r o n g e r r o b u s t n e s s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c AGC；f u z z y s e l f - a d a p t i v e PI D ；M ATLAB s i mu l a t i o n 上接第 1 3 6页 参考 文献 [ 1 ] 谢桦． 风力 发电系统[ M] ． 北京 水 利水 电出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 屈敏， 赵建华． 车载 C AN总线计算机监控系统的设计与 应用[ J ] ． 工业控制计算机． 2 0 0 8 1 1 5 2 5 5 ． [ 3 ] 陈昌忠． 一 种基 于 Vx Wo r k s 的工业 P L C设计[ J ] ． 微计算 机信 息 ， 2 0 1 0 2 7 3 - 7 5 ． [ 4 ] 李文 军． 分 布式 对 象技 术 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 20 0 4． [ 5 ] Wa n g L e i ． Th e c o n s t r u c t i o n o f s o f t s e r v o n e t wo r k e d mo t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n E t h e r C A T[ C ] ．Wu h a n ESI A r． ZOl O 3 5 6 3 58． [ 6 ] Na mi e Ma s a k i ．Ap p l i c a t i o n o f P L C f o r P A a n d f u t u r e e v o l u t i o n o f P L C b a s e d p r o c e s s c o n t r o l l e r [ J ] ． J a p a n Te c h n i c a l As s o c o f t h e P u l p a n d P a p e r I n d u s t r y ， 2 0 0 6 ． 6 0 3 3 4 1 - 3 4 7 ． [ 7 ] Wa n g Z h e n mi n ． Z h a n g Q i n ．C AN b u s c o n t r o 1 a n d i t s a p p l i c a t i o n i n w e l d i n g[ J ] ．E l e c t r i c We l d i n g Ma c h i n e ， 2 0 0 4， 3 4 5 5 O 一 5 3 ． [ 8 ] L i u Y a n Qi a n g 。Hu a n g S h u a i 。Ma Q i u X i a ．D e s i g n o f DC S s y s t e m b a s e d o n t h e i n d u s t r i a l E t h e r n e t E t h e r C AT [ J ] ．Ma n u f a c t u r i n g Au t o ma t i o n ， 2 0 1 0 ， 3 2 1 1 2 1 2 3 ． De s i g n a nd An a l y s i s o f Co mmu n i c a t i o n S y s t e m i n s i d e o f W i n d T u r b i n e’ s PLC P ANG W e i ，LONG Xi n 。 ，HUANG B o 。 。ZHAN J u n 1 ． S c h o ol o f I n f o r ma t ion En g i n e e r i n g，Xi a n gt a n U n i v e r s i t y ，Xi a n g t a n 4 1 1 1 05 ，Chi n a l 2 ．XEM C W i n d p o we r Co ．，Lt d ．，Xi a n g t a n 41 1 1 0 5 China ；3 ． C h a n g s h a J i n b o l i a n I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y Co ． ，L t d ． ， Ch a n g s h a 4 1 0 0 0 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t A n e w d e s i g n s c h e me o f wi n d t u r b i n e P LC’ s c o mmu n i c a t i o n s y s t e m i s p u t f o r wa r d i n t h i s a r t i c l e ． Th e s o f t wa r e a n d h a r d wa r e s t r u c t u r e o f t h e wh o l e wi n d c o n t r o l l e r c o mmu n i c a t i o n s y s t e m i s i n t r o d u c e d，a n d t h e ma i n c o n t r o l o f wi n d t u r b i n e b y a d o p t i n g d i s t r i b u t e d d a t a c o l l e c t i o n a n d d i s p o s a l s t r a t e g y i s a c h i e v e d ．Th e p r a c t i c e s h o ws t h e s y s t e m h a s e f f e c t i v e d a t a d i s p o s a l a b i l i t y 。t o me e t t h e r e q u i r e m e n t o f wi n d t u r b i n e s y s t e m． Ke y wo r d s wi n d t u r b i n e c o n t r o l l e r ；d i s t r i b u t e d d a t a c o l l e c t i o n a n d d i s p o s a l ；PL C c o mmu n i c a t i o n s y s t e m ；d a t a p r o c e s s i n g i n r e a l t i me 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m