基于自適應(yīng)模糊PID的鋼板橫剪生產(chǎn)線多電機同步控制系統(tǒng)設(shè)計

侯崇升

HOU Chong-sheng

（濰坊學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，濰坊 261061）

0 引言

我國鋼鐵工業(yè)的設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展非常迅速，新設(shè)備和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，控制精度高、自動化程度高、生產(chǎn)效率高、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)異和全數(shù)字化控制的鋼板橫剪生產(chǎn)線是鋼鐵生產(chǎn)經(jīng)營企業(yè)提高高品質(zhì)板材產(chǎn)量、降低損耗和減少優(yōu)質(zhì)鋼板進(jìn)口的關(guān)鍵設(shè)備。鋼板橫剪生產(chǎn)線具有多臺直流拖動電機，要求同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，多電機同步協(xié)調(diào)控制是制造與生產(chǎn)過程中重要的控制技術(shù), 同步控制問題解決的好壞直接影響系統(tǒng)的可靠性、控制精度、生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。因此，多電機同步協(xié)調(diào)控制一直是人們不懈研究的技術(shù)課題之一，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 鋼板橫剪生產(chǎn)線組成

為某鋼鐵企業(yè)設(shè)計的鋼板橫剪生產(chǎn)線的組成主要由開卷機、粗矯機、齊頭剪切機、過渡架、圓盤剪、中間橋、精矯機、剪板機和落料臺實現(xiàn)，如圖1所示，它構(gòu)成環(huán)節(jié)多，控制復(fù)雜。

本鋼板橫剪生產(chǎn)線控制點多，長度測量精度要求高，生產(chǎn)現(xiàn)場分散，設(shè)備可靠性要求高，因此設(shè)計了以型號S7－300、CPU315-2DP的西門子可編程控制器（PLC）為控制核心的PROFIBUSDP總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)完成鋼板開卷、同步傳動控制、鋼板長度自動測量及剪切、產(chǎn)品輸送、故障診斷等控制功能；其中，同步傳動控制決定整個生產(chǎn)線能否正常可靠運行，是重要的關(guān)鍵控制技術(shù)[1]。

圖1 鋼板橫剪生產(chǎn)線構(gòu)成圖

在設(shè)計該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)時，由可編程控制器和遠(yuǎn)程分布I/O ET200M組成。上位機使用了德國西門子公司的觸摸屏TP270-10控制監(jiān)視現(xiàn)場的所有設(shè)備。其觸摸屏組態(tài)軟件使用ProTool V6.0，使觸摸屏能夠方便的實現(xiàn)現(xiàn)場工藝參數(shù)的輸入、輸出以及實時監(jiān)控，可對現(xiàn)場工藝進(jìn)行有效的管理。此外，該系統(tǒng)拖動電機使用了4臺由德國西門子公司制造的,具有國際先進(jìn)水平的6RA70系列直流調(diào)速器。本數(shù)控橫剪生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)組成情況如圖2所示。

圖2 鋼板橫剪生產(chǎn)線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

2 同步傳動系統(tǒng)

鋼板橫剪生產(chǎn)線中，粗矯機、圓盤剪和精矯機由三組四臺直流電動機共同拖動同一塊鋼板，生產(chǎn)工藝要求V1=V2=V3 ，原理如圖3所示。因此要求四臺電機必須是在線速度同步條件下運行，又因為粗矯機、圓盤剪和精矯機三組系統(tǒng)與鋼板接觸的輥徑不一樣、而要求的力矩也不一樣，所以各組的轉(zhuǎn)速比和電動機容量都不一樣，對實現(xiàn)同步運行的技術(shù)水平和控制要求比較高。

圖3 同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 多電機同步傳動控制策略

一般說來，同步傳動協(xié)調(diào)關(guān)系是各受控量應(yīng)滿足的某種線性或非線性函數(shù)關(guān)系：

常見的是比例關(guān)系：

當(dāng)比例系數(shù) μi=1時，即為最簡單的同步關(guān)系[2]。

在常規(guī)的多電機同步傳動中，各電機的速度調(diào)節(jié)器一般都采用比例積分(PI) 調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強，抗擾性好，穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)點。但采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)必然有超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生[3]。文獻(xiàn)[3]中提出了一種在速度調(diào)節(jié)器上引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的方法，它可以抑制甚至消除轉(zhuǎn)速超調(diào)，降低由負(fù)載擾動引起的動態(tài)速降，但過強的微分負(fù)反饋會使系統(tǒng)的響應(yīng)變緩。

為解決這一問題，將參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制方法用于多電機同步傳動系統(tǒng)。模糊控制方法的優(yōu)點是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。這種混合型模糊PID 控制器綜合了Fuzzy控制與PID 控制的優(yōu)點[4]。而參數(shù)自適應(yīng)模糊控制器，或稱比例因子自整定模糊控制器，較之常規(guī)的固定因子的模糊控制方法，對環(huán)境有較強的適應(yīng)能力，在隨機環(huán)境中能對控制器進(jìn)行自動校正，能在控制對象變化或存在擾動的情況下，使控制系統(tǒng)保持良好的性能。因此，多電機同步傳動系統(tǒng)引入?yún)?shù)自適應(yīng)模糊PID控制器，可在保證系統(tǒng)具有優(yōu)良的同步性能的同時，成功地消除轉(zhuǎn)速超調(diào)，使系統(tǒng)獲得更好的動態(tài)及靜態(tài)性能。

本鋼板橫剪生產(chǎn)線同步傳動系統(tǒng)，同一給定方案中各電機采用同一電壓給定，每臺電機采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制策略，如圖3所示，電流環(huán)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器，用工程設(shè)計法設(shè)計，而轉(zhuǎn)速環(huán)采用自適應(yīng)模糊PID控制。

3.1 轉(zhuǎn)速外環(huán)自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計

調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速外環(huán)采用自適應(yīng)模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在設(shè)計中將直流電動機轉(zhuǎn)速的給定值和實際值的偏差e以及偏差的變化率(偏差e的微分)ec作為模糊控制器的輸入量[5]，PID控制器的3個參數(shù)Kp、Ki、Kd作為輸出，利用模糊控制規(guī)則在線對PID 參數(shù)進(jìn)行修改。

圖4 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

圖5給出了其在MATLAB／Simulink中的仿真模型。

圖5 自適應(yīng)模糊PID控制器Matlab仿真模型

3.2 輸入輸出變量的選取和量化

轉(zhuǎn)速外環(huán)中采用的自適應(yīng)模糊PID 控制器是二輸入三輸出的形式，e和ec 為輸入，Kp、Ki、Kd為輸出；設(shè)定輸人變量e和ec語言值的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，并簡記為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，將誤差e和誤差變化率ec量化到（0，10）的區(qū)域內(nèi)[4]。同樣，設(shè)計輸出量Kp、Ki、Kd的模糊子集{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，并將其分別量化到區(qū)域（0，5）、（0，3）、（0，3）內(nèi)。輸入輸出變量的隸屬函數(shù)曲線如圖6和圖7所示。

圖6 輸入e和ec隸屬函數(shù)曲線

圖7 輸出變量的隸屬函數(shù)曲線

3.3 模糊控制規(guī)則庫設(shè)計及解模糊

通過總結(jié)工程實際操作經(jīng)驗， 針對不同的速度誤差e和速度誤差變化率ec總結(jié)出Kp、Ki、Kd的整定原則：當(dāng)e 較大時，為了使系統(tǒng)具有較好的跟隨性能，應(yīng)取較大的Kd 和較小的Kp，同時為了避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)該取Ki = 0；當(dāng)e和ec 適中時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，Kp 應(yīng)該取得小些,在這種情況下，Kd 的取值也應(yīng)該小些，Ki 取值應(yīng)該適中。當(dāng)e較小時，為使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性能Kp和K i 應(yīng)該取得大些，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性性能，當(dāng)ec較大時Kd 應(yīng)該取得小些；當(dāng)ec較小時，Kd 應(yīng)該取大些[6]。模糊推理與解模糊選用Mamdani推理法，對于控制規(guī)則IF Ei AND ECi THEN Ki is Ui ( i= 1, 2, …, 49) 其模糊蘊含采用最小值法。可建立模糊控制規(guī)則表如表l所示。

表l Kp、Ki、Kd模糊規(guī)則表

利用重心平均值法解模糊得到三個參數(shù)的清晰值。PID控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)根據(jù)式（1）進(jìn)行：

式中Kp0, Ki0, Kd0為控制器參數(shù)的初始值，ΔKp、ΔKi、ΔKd 為自適應(yīng)模糊PID 控制器輸出。

4 系統(tǒng)仿真分析

4.1 仿真模型建立

綜合以上分析，利用MATLAB／Simulink中豐富的模塊庫可以建立電流內(nèi)環(huán)PI控制、轉(zhuǎn)速外環(huán)基于自適應(yīng)模糊PID控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型(如圖8所示)。系統(tǒng)的被控對象是晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置選用三相橋式電路。選取粗矯90KW直流拖動電機為分析對象，額定電壓UN=400V，額定電樞電流IN=227A，額定轉(zhuǎn)速nN=l460r/min，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.0073Vmin/r，電流反饋系數(shù)β=0.022V/A；自適應(yīng)模糊PID控制器的參數(shù)：Gain3=0.2，Gain5=2.1，Kp=4，Ki=0.5，Kd=0.2。

4.2 仿真結(jié)果分析

電動機帶負(fù)載起動，在0.5s時加一負(fù)載擾動，仿真結(jié)果如圖9所示。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)起動過程迅速，轉(zhuǎn)速無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)運行平穩(wěn)；當(dāng)系統(tǒng)受到負(fù)載擾動時，采用自適應(yīng)模糊PID控制的同步調(diào)速系統(tǒng)具有理想的抗擾性能和動態(tài)性能，且擾動消除后，能快速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)無靜差。

圖8 自適應(yīng)模糊PID控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

圖9 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流仿真曲線

5 結(jié)束語

本文的技術(shù)創(chuàng)新點在于采用自適應(yīng)模糊PID控制器，針對直流電動機同步傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。在仿真分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)實際調(diào)試，同步控制方案中，各電機采用同一電壓給定，每臺電機采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制技術(shù)，轉(zhuǎn)速環(huán)采用自適應(yīng)模糊PID控制的直流電動機同步傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能、同步性能及抗擾性能均十分優(yōu)越，且設(shè)計方法簡單，容易實現(xiàn)。

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