基于模糊控制的鐵芯橫剪線控制系統改造

趙 濤 虎恩典 丁曉軍

(寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川 750021)

1 概述

變壓器鐵芯橫剪線是變壓器廠的生命線，幾乎所有的變壓器的硅鋼片都要經過橫剪線的剪切。如果橫剪線出現故障，變壓器將無法正常生產。變壓器鐵芯橫剪線原控制系統由許多單片機、大量的數字、模擬電子元器件組成。隨著時間的推移，許多元器件嚴重老化，故障時有發生，任意一個元器件的故障可能導致整個系統不能正常工作。由于原有元器件老化的緣故，只靠維修來解決問題難度很大，很多元器件很難買到，再加上大量的數字、模擬器件老化嚴重，使得維護難度加大，要想從根本上解決這種現狀，就必須對原有的控制系統進行改造。

現運用歐姆龍CQM1H系列PLC對其控制系統進行改造，并且用到3個輸入模塊，分別是:模塊1、模塊2、模塊3，3個模塊均為16點;4個輸出模塊，分別是:模塊1，8點，模塊 2，16點、模塊 3，16點、模塊 4，16點。由于CQM1H本身就是一個輸入模塊，故該控制系統是四輸入四輸出型的。該橫剪線有3把剪刀，分別是:V剪、I剪和II剪，這3把剪刀都是用液壓缸來控制的。V剪主要是在硅鋼片上剪出V形缺口，I剪主要是對硅鋼片進行45°剪斷，II剪主要是對硅鋼片進行135°剪斷。

2 橫剪線工藝簡介

圖1為變壓器鐵芯橫剪線示意圖。整個設備主要由雙頭開卷機、送料機構、沖床和剪床、出料機構、分理料機構等組成。

(1)雙頭開卷機 在手動狀態下，可以慢速進料或退料。在自動狀態下，通過光電開關B24、B25、B23和帶環檢測的信號，根據實際剪切的需要，雙頭開卷機的工作機頭可以正轉或者反轉，快速或者慢速，并且及時的停止。始終保持緩沖坑中有一定長度的余料，以便送料輥能正常地工作，避免硅鋼帶受到較大拉力影響其使用性能。

(2)送料機構 主要由測量輥、送料輥組成。測量輥由電動機M42和M44驅動，測量輥上面裝有光電編碼器，主要提供系統調速和定位的反饋信息。送料輥由電動機M33和M35驅動，通過調速器和位置控制來實現速度控制和精確定位。

(3)沖床和剪床機構 沖床是V剪，剪床是I剪和II剪。V剪在硅鋼片上剪切V形缺口，I剪主要是對硅鋼片進行45°剪斷，II剪主要是對硅鋼片進行135°剪斷。3把刀主要由液壓缸控制，配合送料機構的精確定位及沖、剪床的控制實現預先設計的硅鋼片剪切片型。

(4)出料機構 主要包括壓輥、排輥I、排輥II和傳送帶。主要實現全剪后的片料輸送，壓輥、排輥和傳送帶可保證各種形狀的片頭能水平輸送，進入分理料機構。

(5)分理料機構 主要有分料頭、磁性輸送帶、上、下壓頭和堆疊臺組成。分料頭可以實現不同片行的分類，理料機構分為上、下兩層，上、下磁性輸送帶都有多個磁條組成，通過電動機M26帶動齒形帶進行拖動。片料倒吸在磁性輸送帶上向前傳送，到位后，經過上、下壓頭的落料、下拍、定位等動作將片料整齊地堆放在疊料臺上。疊料臺裝置可以手動調節高度和前后，也可以自動根據堆疊高度來調節制動器的高度，使其能夠正常壓片［1］。

3 系統設計

在實現原有控制系統各項性能指標的前提下，盡可能降低開發成本。改造后的系統保留了原有設備的機械、液壓和電動機驅動部分，原控制系統大部分被更換為由歐姆龍CQM1H系列PLC組成的控制系統，使得可靠性大大提高，設備維護十分方便。

3.1 控制方法的確定

硅鋼片的尺寸(長度和角度)精度和剪切毛刺是影響變壓器質量的重要因素。剪切毛刺直接影響變壓器的空載損耗，而送料速度對變壓器生產效率有著至關重要的影響。因此橫剪線控制系統設計不但要滿足高速度下的片料定位要求，以保證尺寸精度，還要滿足很高的毛刺要求［2］。圖2為總體控制框圖。

由圖2可知，該控制系統主要由兩部分組成，一部分是由PLC控制，另一部分是對硅鋼片的速度控制。

手動把片型的數據輸送給上位機，上位機根據片型的形狀給出分段速度控制波形，調用相關的程序，把脈沖信號送給PLC來控制系統的啟動、指示燈、3把刀的動作、制動以及液壓缸解鎖等。同時上位機對速度給定，通過速度調節器、電流調節器，整流觸發、直流電動機、電流互感器TA、整流轉換和測速發電機對硅鋼片運行的速度進行調節，調速部分采用單片機進行控制。

速度調節采用PI調節。由于電流調節比速度調節速度快，超調小，波形變化復雜，而且要經常調節，對電動機的轉矩控制要恒定，電流調節器相對速度調節器的時間間隔要小，所以電流調節采用模糊PI控制，對系統性能的提升更加有利。

本文將模糊控制與常規PI控制相結合，利用模糊推理的思想，根據不同誤差e，誤差變化ec對PI的參數Kp、Ti進行在線整定。常規PI控制原理簡單、適應性強、魯棒性好，建立在被控對象的數學模型已知的前提下，而實際系統中往往很難得到確切的數學模型。模糊控制可以不需要被控對象的數學模型就可以實現較好的控制，這是因為被控對象的動態特性已經隱含在模糊控制器輸入、輸出的模糊集和模糊規則中。模糊控制器本質上是一種非線性控制器，它是將輸入量模糊化后根據設計的模糊推理規則進行模糊推理，再把推理結果反模糊化后輸出精確控制量的一種控制方式［3］。

3.2 模糊PI控制算法的實現

模糊PI控制主要由參數可調整的常規PI控制器和模糊推理器兩部分組成，模糊推理器以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，以常規PI控制器的兩個參數Kp、Ti為輸出，采用模糊推理方法實現對參數Kp、Ti的調整，以滿足不同時刻偏差e和偏差變化率ec對PI參數自調整的要求，其方框圖如圖3所示。模糊PI控制器的核心是模糊控制器的設計，根據模糊控制器的工作原理，可以將控制器的設計分為輸入模糊化、建立控制規則表、模糊判決等。

對于模糊PI控制器而言，為了獲得良好的動靜態特性，在不同的輸入量區域內，選取了PI參數的要求是不同的。需要從系統的穩定性、超調量、響應速度和穩態精度等特性考慮。通過Kp、Ti兩個參數對系統控制品質的影響進行歸納，可以根據PI參數整定原則［4］及專家的經驗，列出ΔKp、ΔTi的模糊控制規則表，如表1所示。

表1 ΔKp、ΔTi模糊控制規則表

模糊控制表可以通過查詢將當前時刻模糊控制器的輸入變量量化值所對應的控制輸出值作為模糊邏輯控制器的最終輸出，從而達到實時快速控制的目的。取模糊語言變量e、ec、ΔKp、ΔTi的論域均為［－3，+3］，確定它們的隸屬度函數，采用Mamdani模糊推理方法，并根據不同偏差及偏差變化率對PI參數的要求及其現場調節的經驗，由模糊控制規則表對輸入語言變量量化后的各種組合通過模糊邏輯推理離線計算出每一個狀態的模糊控制器輸入，最終得出一張模糊控制表［5］，ΔKp、ΔTi的模糊控制表如表 2 所示。

在進行PI參數在線整定時，計算機根據采樣和變換來的e和ec值直接查表得出ΔKp、ΔTi在論域內的精確值，將這些值代入下式進行離線計算就可以得到控制系統的最佳的PI參數:

表 2 ΔKp、ΔTi模糊控制表

3.3 上位機界面

上位機采用普通的工業控制計算機，工控軟件采用組態王軟件，人機界面使用中文，方便操作員操作。界面包括:預置循環數、實際循環數、剩余循環數、程序號、寬度、級數、步距、每級長度、長度1、長度2、長度3、打料調整、啟動信號燈、自動停信號燈、手動信號燈、程序代碼顯示、硅鋼帶的走料速度以及片料的形狀等。人機界面如圖4所示。

4 程序設計

程序通過CX—Programmer編程軟件采用梯形圖語言設計完成，主控制器采用歐姆龍CQM1H系列PLC為整個橫剪線的實時控制器，其中擴展了7個I/O模塊，整個系統的I/O量有100多個，輸入模塊主要對整個系統的傳感器、繼電器和控制按鍵信號的采集，輸出模塊主要對控制系統的各種執行機構及其狀態信息的顯示。程序結構采用主、子程序的形式，子程序又分為自動剪切子程序和手動剪切子程序，程序流程圖如圖5所示。

5 結語

在變壓器鐵芯橫剪線控制系統改造升級中，運用上位機對整個系統進行實時監控，上位機由普通工業控制機和組態王軟件組成。PLC控制系統的啟動、指示燈、三把刀的動作、橫剪線的制動以及液壓缸解鎖等。速度調節和電流調節均采用單片機，速度控制采用PI控制，電流控制采用模糊PI控制，實現了在線修正PI參數。實際運行表明:方案設計合理，系統運行穩定，提高了硅鋼片的生產效率，降低了變壓器的生產成本，達到了預期的改造目的，為其他型號的鐵芯橫剪線的改造升級提供了參考，具有一定的實際應用價值。

［1］張立平，吳乃貫，王波，等.喬格剪切線的控制系統改造［J］.電氣傳動，2008，38(12):2.

［2］朱秋萍.BHX900—JCBD型變壓器鐵芯橫剪線的設計［J］.工業建設與設計，2005(8):1－2.

［3］方赟，虎恩典，薛永風.基于模糊PID和單片機的溫度控制系統設計［J］.電氣技術與自動化，2011(2):2.

［4］馬金雷，虎恩典，王祥.參數自整定模糊PID控制在烘干爐中的應用［J］.自動化與儀表，2009(10):2－3.

［5］梁云峰，谷鳳民，虎恩典，等.基于參數自整定模糊PID控制的抗生素發酵罐溫度控制系統［J］.制造業自動化，2011，33(9):2.