基于模糊控制的液压滚切式双边剪同步性研究.pdf

第 l期 总第 1 8 2期 2 0 1 4年 O 2月 机 ’ 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NG 8 L AUT MATI N No．1 Fe b ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 l 3 2 O 1 4 O 1 0 1 7 8 0 3 基于模糊控制的液压滚切式双边剪 同步性研 究 郭亚栋，李玉贵，张王侠 ，韩贺永，包 野，曾昭颖 太原科技 大学 材料科学与工程学院， 山西 太原0 3 O 0 2 4 摘要 双 边剪的剪切 同步性能是 其重要的技术指标之一 ．其 同步精度 的高低直接影响到钢板 的剪切质 量。针 对液 压滚切 式双边 剪两侧剪刃剪切 出现偏 载时，传统 P I D控制 策略无法 满足要 求精度这 一情况 ．通 过在 传 统 P I D控制器基础上加入模 糊 P I D 自适应控制器 来 实现双边 剪固定侧 与移动侧 的液压 缸同步 动作控 制。运 用 AME S i m 和 MA TL AB联合 仿真 。得到的结果表 明该方法 明显提高 了两侧剪刃在负载不均 时的 同步精度 。 关键词 模糊控制；双边 剪；同步性 中国分类 号 TG 3 3 3 ． 2 1 文献 标识码 A 0 引言 由于轧制工艺设计的缺 陷， 中厚板在轧制过程 中 边部会出现波浪 。双边剪作为钢铁生产线上重要的精 整设备 ， 用于剪切钢板两边有缺陷 的边部。液压滚切 式双边剪以其新颖独特的剪切方式与方便可靠 的控制 方法正在逐步替代传统的机械式双边剪。而 目前在双 边剪两侧剪刃的同步性方面， 大多数的液压双边剪均 采用传统 P I D的控制方法 ， 由于剪切过程 中负载变换 频繁 ， 并且两侧剪刃存在着或多或少 的偏载 ， 传统 的 P I D控制方法虽然能满足钢厂的一般生产要求 ， 但是 在其同步的精 确性与响应时间上还是有着 一定 的不 足 。尤其当两侧剪刃所受负载相差较大时 ， 其 同步精 度 受 到 明显影 响 。本 文 以 绍 兴某 钢 厂 生 产 线 上 4 3 0 0 全液压滚切式双边剪为研究对象， 在传统 的 P I D控制 基础上加入了模糊 P I D 自适应控制 ， 改善 了系统的性 能 ， 并且大大提高了两侧剪 刃在出现偏载时的同步精 度 。 1 在 A ME S i m／ MA T L A B中建 立模型 本文所研究的剪切同步是双边剪固定侧与移动侧 两 侧驱 动 剪刃运 动 的液 压缸 的 同步 ， 即通过 合 理 的控 制策略来实现两侧剪刃的同步滚动剪切 。其主要方法 是在电液位置伺服系统的基础上通过模糊 P I D 自适 应控制来实现两液压缸 的位置同步， 其同步控制方框 如 图 l 所 示 。 信号首先输入到两侧的 P I D控制器， 经整定后传 递给相应的伺服阀， 再 由伺服阀来控制液压缸活塞杆 的输 出位移。其中， 将从动缸 活塞杆的位移与主动缸 活塞杆的位移比较并做差， 将差值输入到模糊控制器 中， 通过模糊控制器的计算 ， 将处理好的数值反馈到从 动缸的输入 ， 通过与系统给定输入整合来作 为从动缸 信号的输入 。 l厂 位置同步模糊算法卜 ． _ 图 l 同步 控制方框 图 由于 AME S i m有着专门针对流体仿真的工具箱， 在建模过程中可以大大提高建模效率 ， 因此液 压伺服 系统部分用 AME S i m来搭建 ； 又由于 MAT L AB对数 学模 型 有着 较 深 刻 的理 解 ， 遂将 模 糊 控 制 部 分 在 MA I L AB ／ S i mu l i n k下 建模 。 1 ． 1 系统 在 AME S i m 下 的建模 依照图 l的控制流程搭建好模型 ， 并根据表 l设 置阀与缸的各项主要参数 ， 在 AME S i m环境下搭建的 模 型如 图 2所示 。 1 ． 2模糊 控制 器的 建立 本文中所采用 的模糊控制器使用二维模糊输入 ， 模糊控制过程框图如图 3 所示 。从图 3中可以看出输 入偏差 和偏差的变化率 ， 首先分别经过量化因子 K 和 K 变换到模糊论域上， 得到 和 ， 然后经过 模糊化环节， 生成模糊论域上的两个模糊集 E， E c ， 接 着进行模糊控制逻辑推理 ， 得到模糊论域上的输出模 收 稿 日期2 0 1 3 一 O 5 2 , 1 ；修 阐H期 2 0 1 3 0 6 1 0 作者简介 ；郫 亚株 1 9 8 7 ，男 ，⋯西长治人，在凌硕 斗 研究 生，研究 方向轧钢 设备设计及控 制研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年 第 l 期 增大的趋势 ， 此时的期望是迅速减小两缸间的差距 ， 因 此 ， 控制器的输出应为正大， 即加快从动缸的运动。 2 当偏差 e及其变化率 e 适 中时 ， 两缸虽然有 一 定的同步差距 ， 但此时需要以稳定系统为主， 因此输 出应 为正 中 。 3 当偏差 e 和 e 负大时 ， 从动缸 的位移已经超 过了主动缸， 并且有着逐渐增大的趋势， 这时期望从动 缸慢下来 ， 因此控制器的输 出为负大， 即减慢从动缸的 运 动 。 2仿真结 果与 分析 1 首 先给定两 缸相 同的外 力负 载 F 一4 0 0 0 k N， 得到 两缸 的位 移及 位 移 差 见 图 7 。从 图 7中 可 以 看 出， 当两缸所受负载相同时， 两缸同步性较好 ， 位移 最大差值为 2 ． 6 F i l m， 满足工作 要求 。此时 的系统 并 未加入 模糊 控制 器 。 O． 6 0 0 ． 5 0 0 ． 4 0 0． 3 0 0． 2 O O．1 0 O t ／ s t ／ s a 两液压缸 位移 曲线 b两液压 缸位移差值 曲线 图 7 两缸输入相 同外部 负载 时两缸位移 曲线与差值 曲线 2 接下来改变从动缸的外部负载为 6 0 0 0 k N， 主动缸的外部负载不变 ， 仍是 4 0 0 0 k N， 得 到两缸 的 位移及位移差见图 8 。从图 8中可以看 出从动缸 的动 作有了明显的滞后 ， 并且两缸位移偏差较大， 最大时达 到了 8 I T l m， 超 出了正 常工作所 允许的范 围。此时仍 采用传统 P I D控制器控制， 并未加入模糊 P I D 自适应 控 制 器 。 3 在 同样 是 从动 缸 的 外 部 负 载 为 6 0 0 0 k N， 主 动缸的外部负载不变为 4 0 0 0 k N 的情况下加入模糊 P I D自适应控制器 ， 得到如图 9所示曲线。从图 9中可 以看出从动缸的滞后现象得到了明显 的改善 ， 并且两 缸的位置偏差控制在要求范 围之 内。 0 ． 60 O． 5 O 0． 4 0 0． 3 O O． 2 O 0． 1 0 目 1 0 2 4 6 8 l O 1 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2 t ／ s t ／ s a 两液压缸位移曲线 b 两液压缸位移差值曲线 图 8 在 P I D控制下两缸 出现偏载 时的位移曲线与差值 曲线 0． 6 0 0． 5 0 0． 4 0 0． 3 O O． 2 O 0． 1 O O 2 4 6 8 1 0 1 2 0 Z 4 6 8 i 0 1 Z t ／ s t ／ s a 两液压缸位移曲线 b 两液压缸位移差值曲线 图 9 在模糊控 制下的两缸出现偏载时的位移 曲线 与差值 曲线 3 结 论 仿真结果及实现过程表 明， 当双边剪两侧剪刃的 外力负载偏载较大时 ， 传统 P I D控制策略下的系统 同 步精度较差， 而模糊 P I D 自适应控制策略则大大地提 高了双边剪两侧剪刃在出现偏 载时的同步性 ， 这一结 果对实际生产有着一定的指导意义 。 参考文献 [ 1 ] 谢 仕 宏． MAT L 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 ． E 2 ] 耿瑞． 基于 MAI ’ L AB的 自适应 模 糊 P I D控 制 系统计 算 机仿 真[ J ] ． 信息技术 ． 2 0 0 7 1 ； 7 3 7 6 ． [ 3 ] 刘 向杰 ． 周 孝信 ， 柴 天佑． 模 糊控 制研 究的 现状 与新发 展 [ J ] ． 信 息与控制 ． 1 9 9 9 4 2 8 3 4 ． [ 4 ] 侯北平 。 卢佩 ， 付连 昆． 自适应 模糊 P I D控 制器 的设 计 及 基于 MAT L A B的计算机 仿真[ J ] ． 天津轻工业学 院学 报 ． 2 00l 4 3 7 4 3． S y nc hr 0 n i z a t i 0 n Re s e a r c h o f Hy d r a u l i c Ro l l i ng - c u t Bi l a t e r a l S h e a r Ba s e d o n Fu z z y Co nt r o l GU O Y a 。 d o n g ，L I Y u g u i ， Z I I A N G Wa n g - x i a ．H A N H y o n g ．B A O Y e ．Z E N G Z h a o - y i n g S c h o o l o f M a t e r ia l s Sc i e n c e a n d En g i n e e r i n g．Ta i y u a n Un 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 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t S y n c h r o n i z a r i o n o f b i l a t e r a l s h e a r i s a n i mp o r t a n t t e c h n i c a l i n d i c a t o r ，t h e s y n c h r o n i z a t i o n a c c u r a c y wi l l d i r e c t l y a f f e c t t h e S t e e l p l a t e s h e a r q u a l i t y ． Th e t r a d i t i o n a l P I D c o n t r o l c a n n o t me e t t h e r e q u i r e me n t s o f p r e c i s i o n wh e n t h e r e ’ s a p a r t i a l l o a d O i l t h e h y d r a u l i c r o i l i n g C O t b i l a t e r a l s h e a r ． F o r s o l v i n g t h i s p r o b l e m ，a f u z z y P I D a d a p t i v e c o n t r o l l e r i s a d d e d t O t h e c o n t r o l s y s t e m ． t O a c h i e v e s y n c h r o n i z a t i 0 n c o n t r o l o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r s i 1 1 f i x e d s i d e a n d mo b i l e s i d e ． F h e s i mu l a t i o n i s c o mp l e t e d i n AM ES i m a n d M AI 、 I AB C O s i m u l a t i o n e n v i r o n me n t ．t h e r e s u l t S s h o w t h a t t h i s me t h o d i m p r o v e s t h e s y n c h r o n i z a t i o n a c c u r a c y o f b o t h s i d e s o f t h e c u t t i n g e d ge i n t he c on di t i o n o f u ne v e n l oa d． Ke y wo r ds f u z z y c o nt r ol ；bi l at e r a l s h e a r；s y nc hr o ni z a t i 0n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m