1 引言
厚度自動控制系統(tǒng)是控制試驗軋機(jī)精度的重要部分,通過控制試驗軋機(jī)軋輥的壓下量,從而獲得良好的帶鋼出口厚度,確保達(dá)到預(yù)定的設(shè)定值,但是由于試驗軋機(jī)的工作狀況變化大,由于帶鋼出口厚度受到系統(tǒng)的反應(yīng)時間、工藝的瞬時狀況和試驗帶鋼的強(qiáng)度、溫度的變化、軋制規(guī)程的不同等幾方面的共同影響,使得試驗軋機(jī)的厚度控制具有很大的隨機(jī)性,并且系統(tǒng)控制模型的設(shè)計也影響到控制效果,如果模型設(shè)計的不好,各種隨機(jī)因素沒有很好的考慮,將會極大的影響軋機(jī)厚度精度的控制[1,2]。
傳統(tǒng)控制方法對這些大變化因素的適應(yīng)是有限的,因此有必要引入更加先進(jìn)的控制方法,在此類對象上進(jìn)行建模、仿真探討和實際應(yīng)用,不僅在理論研究中意義重大,而且對于熱軋機(jī)自動化技術(shù)的提高亦具有積極的前沿意義。本文采用控制領(lǐng)域中的模糊控制理論,針對武鋼400試驗熱軋機(jī),提出了熱軋帶鋼試驗軋制的控制方案,通過對現(xiàn)有的400熱軋機(jī)厚度控制方式的改進(jìn),取得了較好的應(yīng)用效果。
2 試驗熱軋機(jī)系統(tǒng)
軋機(jī)控制系統(tǒng)由一套SIEMENS PLC S7-400完成,主要完成主機(jī)速度及順序控制,液壓AGC厚度控制;軋機(jī)主輔傳動采用西門子6RA70系統(tǒng),軋機(jī)液壓系統(tǒng)軋機(jī)平衡和AGC液壓控制采用同一套液壓系統(tǒng);液壓缸狀態(tài)檢測采用MTS磁尺,軋制力通過油壓進(jìn)行換算。
400熱軋機(jī)的軋制速度0.5-2m/s,要求極短的響應(yīng)時間,400試驗熱軋機(jī)把控制功能分解到不同的控制模塊中,分別在不同的工控機(jī)上執(zhí)行,每臺工控機(jī)可以完成的功能相對較少,這樣能提高軋機(jī)的響應(yīng)速度及運(yùn)行的可靠性,具體分為過程控制級和基礎(chǔ)自動化控制級。
過程計算機(jī)系統(tǒng)采用美國HP公司ML570計算機(jī)系統(tǒng),主要完成軋制工藝規(guī)程預(yù)設(shè)定、軋制規(guī)程數(shù)據(jù)優(yōu)化和工藝實驗過程數(shù)據(jù)存儲和調(diào)用,為基礎(chǔ)自動化提供過程設(shè)定指令和經(jīng)過優(yōu)化后的運(yùn)行指令和數(shù)據(jù)變量。
數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)二臺臺灣產(chǎn)研華工業(yè)計算機(jī)組成,主要用于軋制工藝和控制冷卻工藝過程的數(shù)據(jù)錄入和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。
基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)由一臺S7-400 PLC系統(tǒng)組成,主要完成液壓APC和液壓AGC厚度自動控制。
S7-400 PLC作為PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的主站(Master),操作臺遠(yuǎn)程I/O站(ET200M)、上輥主傳動直流調(diào)速器、下輥主傳動直流調(diào)速器、壓下電機(jī)直流調(diào)速器作為PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的從站(Slave)運(yùn)行。軋線其他設(shè)備(入口導(dǎo)板、出口導(dǎo)板、冷卻風(fēng)機(jī)、潤滑泵、電機(jī)風(fēng)機(jī)和壓下機(jī)構(gòu)等)由PLC通過I/O點(diǎn)和控制器直接控制。
S7-400 PLC、軋機(jī)過程算計機(jī)和2臺HMI監(jiān)控計算機(jī)以及編程器等均通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成局域網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)通信速度為100Mbps,該網(wǎng)絡(luò)具有良好的擴(kuò)展功能,可以與試驗室的其它設(shè)備聯(lián)網(wǎng),組成更大的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。該控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為軋機(jī)自動化控制及功能擴(kuò)展提供了良好的在線試驗環(huán)境。
3 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計
對于400試驗熱軋機(jī)的厚度控制系統(tǒng),由于要軋制各種試驗鋼種,鋼材的材質(zhì)與強(qiáng)度各不同,同時每個鋼種的預(yù)加熱溫度變化范圍也很大,因此軋制過程影響因素多,很難通過傳統(tǒng)的比例積分進(jìn)行控制,PID參數(shù)的整定是需要一個過程的,如果重新進(jìn)行整定,既需要一定的時間,同時也不適應(yīng)試驗軋機(jī)的工作特點(diǎn),在實際的軋機(jī)生產(chǎn)過程中往往根據(jù)經(jīng)驗手工輸入控制參數(shù),但PID參數(shù)控制器的控制精度是與軋機(jī)板厚的軋制精度直接相關(guān)的。采用模糊PID控制自動控制輥縫,從而控制鋼帶的厚度,既保持了傳統(tǒng)PID控制可靠簡單,控制結(jié)構(gòu)靈活,適用變化范圍廣,又結(jié)合了模糊控制固有的特點(diǎn),不依賴于以前的數(shù)學(xué)控制模型進(jìn)行控制系統(tǒng)參數(shù)的自調(diào)整,兼顧了系統(tǒng)對“目標(biāo)值跟蹤”和“適用范圍廣”兩方面的要求,以滿足試驗軋機(jī)自動厚度控制的要求[3,4]。
模糊PID控制模塊由一個PID控制器模塊和一個模糊自調(diào)整控制器模塊組成,模糊自調(diào)整模塊根據(jù)軋機(jī)的輸入信號(偏差e)的方向、大小和變化趨勢等特征,通過相應(yīng)的模糊推理規(guī)則作出決策,在線調(diào)整PID控制器模塊的
三個整定參數(shù),以滿足在偏差變化時,被控對象(軋機(jī))具有很好的動、靜態(tài)性能,控制系統(tǒng)框圖見圖1。
3.1 參數(shù)整定規(guī)則
PID控制器模塊各整定環(huán)節(jié)作用如下:比例控制能夠及時比例地反映軋機(jī)系統(tǒng)的偏差信號的變化,系統(tǒng)偏差一旦產(chǎn)生,控制器模塊立即產(chǎn)生相應(yīng)控制作用,使偏差減小;積分控制主要用于偏差消除,提高軋機(jī)控制系統(tǒng)的無差度,積分時間常數(shù)決定積分作用的強(qiáng)弱,積分時間常數(shù)越大,積分作用越弱,反之則積分作用越強(qiáng);微分控制能夠反映板厚偏差的變化趨勢,同時能在偏差信號變化太大之前,在控制系統(tǒng)中引入一個提前的校正信號,從而加快控制系統(tǒng)的變化速度,減小調(diào)節(jié)過渡時間。
在試驗軋機(jī)軋制過程中,根據(jù)不同的試驗狀況下,不同的鋼帶厚度誤差(E)和厚度誤差變化率(EC),被控系統(tǒng)對參數(shù)
的整定的要求,可根據(jù)操作人員的手動控制策略簡略的總結(jié)出以下控制規(guī)律:
當(dāng)軋機(jī)厚度偏差
較大時,為了使厚度誤差很快減小,應(yīng)選取較大的
和較小的
，同時為了避免較大的系統(tǒng)超調(diào),要去掉積分作用,使
當(dāng)軋機(jī)厚度偏差∣E∣不是很大時,這時為了減小偏差,同時使控制系統(tǒng)的超調(diào)較小,應(yīng)取較小的
值,同時調(diào)節(jié)并選取適當(dāng)?shù)?img border="0" alt="" width="65" height="28" src="http://img1.ca800.com/news/2012-09-26/12092619365789.jpg" />(特別是
的整定值對系統(tǒng)的影響較大);
當(dāng)軋機(jī)厚度偏差∣E∣較小時,這時為了使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性,應(yīng)取較大的
的取值也要適當(dāng),以避免在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)振蕩。
3.2 模糊化
模糊控制器的控制規(guī)則為一組模糊條件語句,在條件語句中描述軋機(jī)輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯(如“正大”、“負(fù)小”)的變量,稱為這些變量的詞集。選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量,可以使模糊控制規(guī)則的制定更方便,但是控制規(guī)則相應(yīng)變得繁瑣。如果選擇詞匯過少,會使得描述變量變得粗糙,導(dǎo)致模糊控制器的性能變壞。在論域的大小的選取上,必須要滿足模糊論域中所含元素個數(shù)為模糊語言詞集總數(shù)的二倍以上,確保控制模糊集能較好的覆蓋論域,避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象,模糊論域范圍越大,模糊化精度越高,但計算量也相應(yīng)增大。
對于400熱軋機(jī)厚度自動控制系統(tǒng),測厚儀測量的厚度誤差e范圍為(-90um,90um)，厚度誤差變化率ec的變化范圍為(-12um,+12um),把△KP,△KI和△KD量化到(-0.3,0.3)。
厚度誤差E的詞集選擇為7個:{NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB},論域為:{-3,-2,-1,0,1,2,3};厚度誤差變化率ec的模糊變量的詞集選擇為7個:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},論域為: {-3,-2,-1,0,1,2,3};△KP,△KI和△KD的模糊變量的詞集選擇為7個: {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};,論域為: {-3,-2,-1,0,1,2,3}。隸屬函數(shù)采用三角形隸屬函數(shù)。
3.3 模糊控制規(guī)則
模糊控制規(guī)則選取的基本設(shè)計原則是:當(dāng)帶鋼厚度偏差大或較大時,選擇控制量以盡快消除誤差為主;當(dāng)厚度誤差較小時,選擇控制量要注意防止系統(tǒng)超調(diào),以控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)這一原則,結(jié)合PID 參數(shù)整定的經(jīng)驗,制定出一系列的控制規(guī)則,再將這些控制的規(guī)則匯總成為表,就得到了模糊控制規(guī)則表。
在模糊控制中,對建立的模糊規(guī)則要經(jīng)過模糊推理才能決策出控制變量,Mamdani推理法比較適合自適應(yīng)控制,所以本系統(tǒng)采用了Mamdani推理法。
4 系統(tǒng)仿真
MATLAB是Math Works公司專門推出的一種面向數(shù)學(xué)運(yùn)算和工程的交互式計算軟件,本文利用MATLAB模擬軋機(jī)對控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真,以判定控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制算法的可行性[6、7、8]。假設(shè)帶鋼來料的厚度按正弦分布,在第300個采樣時間控制器輸出1.0的干擾,系統(tǒng)的輸出誤差如下圖。
從仿真結(jié)果可以看出,在第300個采樣時間點(diǎn)上,模糊系統(tǒng)能夠迅速根據(jù)帶材的變化,快速調(diào)整壓下量,很快恢復(fù)穩(wěn)態(tài),證明模糊PID控制具有良好的抗干擾能力。
5 結(jié)束語
由于在傳統(tǒng)PID控制中加入了模糊控制,軋機(jī)系統(tǒng)具有很好的魯棒性,能夠根據(jù)軋制過程中帶材厚度、強(qiáng)度的突變自動調(diào)整PID參數(shù),相比傳統(tǒng)的PID控制更適合來料規(guī)格范圍廣的多鋼種軋制。模糊控制在控制回路上仍保留PID控制,當(dāng)來料穩(wěn)定,可以切換到PID控制,提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力,保證效率和質(zhì)量兼顧。
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作者簡介:邱碧濤(1976-),男,工程師,主要從事設(shè)備改造和研發(fā)工作。