基于模糊PID控制的步进梁液压系统改造.pdf

l 訇 似 基于模糊P I D控制的步进梁液压系统改造 o f t h e w al ki ng beam hy dr aul i c s ys t em b as ed on t h e f uz z y PI D con t r ol 毛阳，涂福泉 ，张小波 ， J ／ J x 双 MAO Ya n g， TU F u q u a n，ZHANG Xi a o b o， L I U Xi a o s h u a n g 武汉科技大学 冶金装备与控制教育部重点实验室，武汉 4 3 0 0 8 1 摘 要 轧钢过程中步进梁通过上升、前进、下降和后退的动作把料坯送入加热炉中，步进梁的工艺 落后会导致故障频繁、加热后板型质量差和效率低等问题。本文基于武钢一热轧步进梁工作 中出现设备老化等问题，从原系统的工作原理入手 ，分析了原步进梁液压系统问题产生的原 因。根据成因设计了新的液压系统，运用模糊P I D 对系统进行控制 ，通过设置合理的参数，结 合Ma t la b ／ s i m u l i n K 仿真模型 ，得出步进梁升降系统的速度和位移曲线 ，最终解决了步进梁在 具体工作中的问题，取得了较好的效果，验证了新设计的可行性以及优越性。 关键词步进梁；液压控制系统；模糊P I D；MA T L A B ／ s i m u mk 仿真 中图分类号T F 3 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 1 2 下 - 0 0 0 8 -0 4 Do i 1 0． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 3． 1 2 下 ． 0 3 0 引言 钢坯在加热炉 中加热可 以减少轧制 阻力 ，改 善轧制效果 。步进梁时钢坯在加热炉 中的运送机 构 ，工作性能 的好坏直接影响钢坯加热质量 。武 钢 1 7 0 0 mm热连轧带钢厂 ，是上世纪7 0 年代从 日本 引进 的成套设备 ，轧机所配备的步进 式加热炉 ， 每 座最大 装钢 量约6 0 0 吨 ，活动炉 底 自重 约3 3 0 吨 ，总计近千吨 ] 。机构在7 5 秒钟的时间里完成一 次步进循环动作 ，无论是效率， 还是其创造的企业效益以及工艺 的先进性 ，在当时来看均处于国 内前列。此套设备 自安装沿用至 今 ，已历经3 0 余载，其步进梁设 备在 工作 中 出现 步进 梁故 障频 繁、加热后板型质量差、加热效 率低等问题 ，不能满足现在生产 工艺 的要 求 。 1 原步进梁液压系统 武钢一热轧加热炉步进梁改 造 前 压 原理 图 如 图 1 所 示 ，原 液 压 系统 中 ，液压 泵站 只有三 台主 泵供油，且三台主泵连续不断的 工作 ，系统 中的步进梁 的预定速度 曲线是通过系 统的AD阀的增减来调节系统 的流量，进而实现其 速度控制 。步进梁液压 系统正常工作时 ，加减阀 仅 中位和右位被使用。生产过程 中，步进梁改变 工况时 ，通过改变加减 阀的工作位置 ，使处于通 流的供油支路数 量改变 ，来控制步进梁的运 行速 度 。而步进梁在各工况下 的工作时间 ，由单 向节 流阀中位与右位的工作时 间来调节 。该系统为旁 路节流调 速回路 ，通过加减 阀控制系统 流量 的大 图1 改造前液压原理简图 收稿日期2 0 1 3 - 0 9 - 2 3 作者简介毛阳 1 9 9 0一，女，硕士，主要从事机电一体化方面的 7 上作。 [ 8 1 第3 5 卷第1 2 期2 0 1 3 1 2 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、I 訇 小 与步进梁 的运动速 度，利用 时间继 电器 与极限 开关确定加减 阀在各个工况下 的工作 时间，这种 控制方式 比较落 后，步进梁 的运动不能实现无极 调速 ，其速度 曲线有跳跃 ，存在 刚性 冲击现 象。 此外 随着步进梁工作 时间的增 长，设备老化 和磨 损现象加剧 ，各种零件之 间的配合精 度以及 零件 自身 的结构精度均 出现较大 的误差 ，元件磨 损造 成 的零件精度过低 引起步进梁 的液压 系统运 行不 稳定 ，工作过程 中振动J J H ,，进而影 响钢坯加热 质量 。 2 步进梁液压控制系统改造 原 系统存在 的问题主要在 于回路的调速方式 不合理、控制精度低和液压元器件通流能力的上 限低等 。在设 计新的液压系统 中，采用 比例调速 系统 ，同时在系统 中采用插装 阀来提升 系统的油 路 通流能力 ，并采用 比例节流阀与压力补偿器 的 组 合来提高速度的控制精度 ，设计的步进梁升降 系统图如图2 所示 。 步进梁 的升降液压 系统 的工作过程 主要 由上 升 回路和下 降回路组 成 。步进 梁上升时采用的是 进 油路节流调 速回路 ，液压油经插装电磁换向 阀 1 ，插装减压 阀3 ，比例节 流阀4 ，流经比例节流阀 的液压油，经插装单向阀6 ，插装液控单 向阀1 3 与 1 6 进入液压缸 的下 腔 ，推动 步进 梁上升 。液压缸 下腔 的液压 油经插装 电磁换 向阀8 ，插 装溢流 阀 1 1 ，返回油箱 。步进梁下降时采用的是回油路 节 流调速 回路 。压力油经插装减压 阀1 0 ，插装换 向 阀9 进入液压缸 的上腔 ，推动步进梁上升 ，液压缸 上腔的液压油经插装液控单 向阀1 3 与 1 6 ，电磁插 装换 向阀5 ，插装减压 阀3 ，比例节流 阀4 ，通过控 制比例节流阀4 来控制步进梁下降的速度，流经比 例节流阀的液压油 ，经插装 电传换 向阀7 ，插装溢 流阀 1 1 ，返 回油箱 。在应 急断 电的情况下 ，电磁 换 向 阀2 失 电 ，处 于右 位 ，控 制 油路 被 切 断 ，插 装 液控单向阀1 3 和1 6 关 闭 自锁 ，防止步进梁失控 ； 当系统 出现 故障不能运行 ，而步进梁还承受负载 时，可以通过打 开溢流 阀1 2 、1 5 旁边的截止阀 ， 然后手动调节截止 阀将负载卸下。 3 步进梁液压控制系统建模 系统传递函数框图如图3 所示 。步进梁液压的 控制 系统采用电液比例系统 ，系统的流量输 入系 统 的信号为线性 关系I 。工作时，给定的5 - 1 5 mA 1 ． 5 、7 、8 、9 ． 插装换 向阀；2 、1 O ． 换 向阀；3 ． 插装减压 阀；4 ． 比例节流阀 6 插装单向阀1 1 ． 插装溢流 阀；l 2 、l 5 ． 溢流阀；l 3 、1 6 ． 插装液控单 向阀 l 4 、1 7 ． 液压缸 ；1 8 ，1 9速度位移传感器 图2 改造液压系统原理图 的位移电流信号经比例 放大器放大 后，输入电磁 铁产 生驱 动 力 ，调节 比例 调速 阀 的节流 面积 ， 控制系统的流量 ，调节平移缸和升降缸的运动 速 度，进 而推动步进梁工作 ，步进梁的位移通过位 置传感器反馈 与系统给定信号 比较 ，将差值作 为 输入 ，动 态的调节步进梁的达到指定位 移。在 工 程运用中，通常使用P I D 对 系统进行校正控制 ，但 步进梁 的控制现场环境差 ，干扰信号较多等，不 具备 自我 整定参数 的能力不能及时调整控制 ，系 统 的控制精度不能保证 ，工艺要求也不能满足 。 因此结合模糊控制的优点，使用模糊P I D控制，以 偏差和 偏差变化率为控制对象 ，以实践生产的工 程经验 为原则 ，实时调整控制参数 ，保证系统获 得在工作中一直处于最优的动态过程中 。 模糊P I D控制器环节 。参照模糊控制器的设计 方法和步骤 ，模糊P I D控制器设计方法如下 1 确 定 模 糊 集 。 误 差 e、 误 差 变 化 e C 及 K。 、 Ki 、K 的 模 糊 集 及 其 论 域 定 义 如 下 e ， e C， 和 K。 、 K 、 K d 的 模 糊 集 均 为 { NB， NM， NS ， Z O， P S ， P M， P B} ；e ，e c 的离散论域 均为{ - 3 ，一 2 ，一 1 ，0 ，l ，2 ，3 ；K。 的离散论域 为{ ． 0 ． 3 ，一 0 ．2 ，一 0 ． 1 ，0 ，0 ． 1 ，0 ． 2 ，0 ． 3 } ；K的离 散论域 为{ 一 3 ，一 2 ，一 l ，0 ，l ，2 ，3 } ；K 的离散 第3 5 卷第1 2 期2 0 1 3 1 2 下 I 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 似 论 域为 卜 0 ． 3 ，一 0 ． 2 ，一 0 ． 1 ，0 ，0 ． 1 ，0 ． 2 ，0 ． 3 J 。 图3控 制 系 统 的 结构 框 图 2确定隶 属函数 。控制 中考虑隶 属 函数分 辨率低和规则数 ，在论域 两端用S 形f n z 形隶属函 数 ，中间用三角形隶属函数 来描述 ，系统重叠度 Q取0 ． 5 。 3 建立模糊控制规则和模糊控制表 。模糊控 制规则建立的基本思想是偏差很大时 ，采用最 大 的控 制 量来 尽快 的 减小 误差 ；误 羌较 小时 ，控 制 以 稳 定性 为 主 ， 防止 超 调 ；对 丁 迓 中 的 偏 差 ， 选 用控制量时结合控制精度 稳定性进行考虑 。 模 糊P I D控制的核心就是制 定模糊规则控制表 。 P I D参数调整的模糊规则如表1 所示。 4 模糊推理。模糊推理方法 的实质是从输入 到输 出的 函数关 系 。将被控对象在工作 中的误 差 以 及 误 差变 化 率模 糊 化 后 ，参 照 规 则 表 ，寻 找 出合适 的输 出控制量的模糊 集合的过程 。本系统 要求稳 态误差 4 - 2 ％，定义e 的基本论域为[ 一 2 4 ， 2 4 1l ，e c 基 本论 域 为 【 一 6 , 6 ] ，K 的基 本 论 域 为 [ 一 3 ， 3 ] ，K 的基 本论域 为 [ 一 3 ，3 】 ，K 的基本 论域 为 f _ 1 ． 5 ，1 ． 5 】 。所以可以定义e 、e c 的量化因子分别为 K。 0 ． 1 2 5 ，K e c 0 ． 5 。K 。 ，K。 ，Kd 的 比例 因子 分 别 为K p 1 ， Ki 1 ， K d 2 。 5 解模糊化 。解模糊化实际上是寻找最优点 的过程 ，即在推理得到的模 糊集合 中选择一个最 优的模糊集合单值 】 。本文采用重心法进行解模糊 化 ，解模糊化在第K个控制周期得到P I D控制器三 个增益 的变化量 ，通过计算 ，则下一个控制周期 的P I D参数 为 『 k p 七 1 k 0 A k p k { 尼 1 。 A k i k I 尼 1 。 △ 尼 根据模糊P I D控制器原理搭建 的系统S i mu l i n k 仿 真模型 ，步进梁液压控制 系统的速 度、位移响 应 如图4 所 示 。仿真 具体 参数 如下 。 表1 K 。 ， K ． ， K a 的模糊规则表 Am p l i fi e- 1 9 图4 步进梁液压控制 系统 的MA T l a b ／ s i mu l i n k 仿真模型 1 1 0 1 第3 5 卷第1 2 期2 0 1 3 1 2 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、l lI5 匕 表2 仿真参数 当调 定e 、e c 的量化 因子分 别为0 ． 2 5 、0 ． 1 ， ，k i ，k d 的比例因子分别为0 - 3 、1 和0 ． 0 1 ，并设定 P I D参数的初值为3 ． 5 、2 ． 8 、0 ． 5 时，外负载为具有 正弦规律变化的变动值 ，在S i mu l i n k 上建模仿真， 得到 的步进梁液压控制 系统的速度、位移信号响 应 曲线 如 图5 所 示 。 1 50 1 0 0 善 50 ∈ 。 一5 0 ．1 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 ， 、 4 0 0 l 3 0 o 。。 1 00 0 1 0 0 ⋯⋯⋯⋯ 束枝J E 柠制曲线 论 线 ， 、 ⋯。 ‘模糊p J d 控制曲线 一 是 i i 盎 进 进 进 进 进 进 进 进 t s 考 | ； | ／ ⋯ } ～ ⋯ { 理 论 曲 线 ⋯ l 漠 糊 pld控 制 曲 线 f 6 { “， 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 O 4 5 t s 图5步进梁升降系统的速度、位移曲线 在 步 进 梁 液 压 控 制 系 统 的 应 曲线 可 以 看 出 ，未加 模 糊P I D校 正环 节 时 ，速 度 的超 调 量 Mp 2 1 ． 8 ％，超调 比较 大 ，在速度信号 响应 曲线 一 直处于较大 的震荡状态 ，偏差过大 ，步进梁的 运 动 中将 产 生 剧 烈 的振 动 ；此 时 系 统 的 响 应 速 度 慢会在钢坯在加热炉的运送效率 ，延长循环的时 间，速度在开始阶段产生剧烈的震荡 ，将会产生 刚性 冲击 ，会 严重影 响 板坯 在加 热过 程 中 的质 量 。在模糊P I D控制器 的调 节下 ，系统 的步进梁 的速 度响 应与 位移 响应 均得 到改 善 ，速 度误 差 有P I D控制校正 的最大超调量 的M。 6 ． 2 5 ％减4 、 到 M 4 ． 8 ％，动 态性能 的到提升 ，位移响应曲线上 的稳态误差由1 5 mm减小到8 mm，进一步提升 了系 统的控制精度得 ，同时系统 响应时 间上减少了滞 后，稳态精度提高。 4 结论 本 文的研 究是在原 液压 系统 的基础上 ，尽可 能保 留原部件 的情况下 ，所设计 的新液压 系统 ， 该 系统 采 用 比例 调 速 系统 ，同时 在 系统 中采 用 插 装阀来提升 系统 的油路通流能力，并 采用 比例 节流阀与压 力补偿器的组合来提高速度的控制精 度 。步进梁在模 糊P I D的控 制下 ， 以偏差和偏差 变化率为控制对 象，以实践生产的工程经验为原 则 ，实时调整控制参数 ，速度响应与位移响应均 得到改善 ，步进梁的工作周期 由7 5 s 缩短为改造 后 的4 5 s ，大大 的提高 了加 热炉的生 产效率 。增加 了备用泵 后 ，一台泵故 障时 ，备用及时补上 ，大 大地缩短了加热炉 的误工时 间。通过更新步进梁 液压系统 元部件 ，解决 了部分设备老化和磨损 的 现象，各种 零件之 问的配合精度以及零件 自身 的 结构精度保持在最佳状 态，工作过程 中的振动减 弱 ，使得 液压系统 的运行 比较稳定 ，进一步优化 钢坯加热 后的质量 。经过武钢一热轧的生产实践 的检验，验证 了具有新液压 系统的步进梁能很好 的满 足 改造要 求 。 参考文献 【 1 】戚 翠芬， 张树 海． 加热炉基 础知识与操作 【 M】 ． 冶 金工 业出 版社 ． 2 0 0 5 4 1 4 2 ． 【 2 ]陈恭权． 热轧 线步进式 加热炉 液压 系统 改造 [ D] ． 武 汉科 技 大学， 2 0 1 1 ． [ 3 ]许 益 民． 电液 比例 控制 系统 分析 与设 计[ M】 ． 机械工 业 出 版社， 2 0 0 5 ． 【 4 】王海 青， 姬长英 ， 刘 同召． 模 糊 自整定P I D 温度控 制系统 的建模与仿真[ J J _计 算机 工程 ，2 0 1 2 ， 3 8 7 ． 【 5 】诸静． 模糊控制原理与应用【 M】 ． 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． 【 6 】王天华 ， 毛 恩荣， 谢 斌． 基 于模 糊控制 的拖拉 机AMT 油 门 控制方法研究【 J 1 ． 拖拉机 与农用运输车 ．2 0 0 8 ．4 6 8 ． 【 7 ]裴道 武． 模 糊推理 的基本理 论[ J J _ 高校应用 数学学报 A 辑， 2 0 1 2 ， 2 7 3 3 4 0 3 5 0 ． 【 8 】曹青松， 周继惠， 黎林等． 基 于模糊P I D算法的压电柔性机 械臂振动控制研究【 J I ． 振动与冲击． 2 0 1 0 ， 1 2 2 9 1 8 1 1 8 6 ． 第3 5 卷第1 2 期2 0 1 3 -1 2 下 【 1 1 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m