基于模糊PID控制的步進梁液壓系統改造

毛 陽，涂福泉，張小波，劉小雙

MAO Yang，TU Fu-quan，ZHANG Xiao-bo， LIU Xiao-shuang

（武漢科技大學 冶金裝備與控制教育部重點實驗室，武漢 430081）

0 引言

鋼坯在加熱爐中加熱可以減少軋制阻力，改善軋制效果[1]。步進梁時鋼坯在加熱爐中的運送機構，工作性能的好壞直接影響鋼坯加熱質量。武鋼1700mm熱連軋帶鋼廠，是上世紀70年代從日本引進的成套設備，軋機所配備的步進式加熱爐，每座最大裝鋼量約600噸，活動爐底自重約330噸，總計近千噸[2]。機構在75秒鐘的時間里完成一次步進循環動作，無論是效率，還是其創造的企業效益以及工藝的先進性，在當時來看均處于國內前列。此套設備自安裝沿用至今，已歷經30余載，其步進梁設備在工作中出現步進梁故障頻繁、加熱后板型質量差、加熱效率低等問題，不能滿足現在生產工藝的要求。

1 原步進梁液壓系統

武鋼一熱軋加熱爐步進梁改造前壓原理圖如圖1所示，原液壓系統中，液壓泵站只有三臺主泵供油，且三臺主泵連續不斷的工作，系統中的步進梁的預定速度曲線是通過系統的AD閥的增減來調節系統的流量，進而實現其速度控制。步進梁液壓系統正常工作時，加減閥僅中位和右位被使用。生產過程中，步進梁改變工況時，通過改變加減閥的工作位置，使處于通流的供油支路數量改變，來控制步進梁的運行速度。而步進梁在各工況下的工作時間，由單向節流閥中位與右位的工作時間來調節。該系統為旁路節流調速回路，通過加減閥控制系統流量的大小與步進梁的運動速度，利用時間繼電器與極限開關確定加減閥在各個工況下的工作時間，這種控制方式比較落后，步進梁的運動不能實現無極調速，其速度曲線有跳躍，存在剛性沖擊現象。此外隨著步進梁工作時間的增長，設備老化和磨損現象加劇，各種零件之間的配合精度以及零件自身的結構精度均出現較大的誤差，元件磨損造成的零件精度過低引起步進梁的液壓系統運行不穩定，工作過程中振動加劇，進而影響鋼坯加熱質量。

圖1 改造前液壓原理簡圖

2 步進梁液壓控制系統改造

原系統存在的問題主要在于回路的調速方式不合理、控制精度低和液壓元器件通流能力的上限低等。在設計新的液壓系統中，采用比例調速系統，同時在系統中采用插裝閥來提升系統的油路通流能力，并采用比例節流閥與壓力補償器的組合來提高速度的控制精度，設計的步進梁升降系統圖如圖2所示。

步進梁的升降液壓系統的工作過程主要由上升回路和下降回路組成。步進梁上升時采用的是進油路節流調速回路，液壓油經插裝電磁換向閥1，插裝減壓閥3，比例節流閥4，流經比例節流閥的液壓油，經插裝單向閥6，插裝液控單向閥13與16進入液壓缸的下腔，推動步進梁上升。液壓缸下腔的液壓油經插裝電磁換向閥8，插裝溢流閥11，返回油箱。步進梁下降時采用的是回油路節流調速回路。壓力油經插裝減壓閥10，插裝換向閥9進入液壓缸的上腔，推動步進梁上升，液壓缸上腔的液壓油經插裝液控單向閥13與16，電磁插裝換向閥5，插裝減壓閥3，比例節流閥4，通過控制比例節流閥4來控制步進梁下降的速度，流經比例節流閥的液壓油，經插裝電傳換向閥7，插裝溢流閥11，返回油箱。在應急斷電的情況下，電磁換向閥2失電，處于右位，控制油路被切斷，插裝液控單向閥13和16關閉自鎖，防止步進梁失控；當系統出現故障不能運行，而步進梁還承受負載時，可以通過打開溢流閥12、15旁邊的截止閥，然后手動調節截止閥將負載卸下。

3 步進梁液壓控制系統建模

圖2 改造液壓系統原理圖

系統傳遞函數框圖如圖3所示。步進梁液壓的控制系統采用電液比例系統，系統的流量輸入系統的信號為線性關系[3]。工作時，給定的5～15mA的位移電流信號經比例放大器放大后，輸入電磁鐵產生驅動力，調節比例調速閥的節流面積，控制系統的流量，調節平移缸和升降缸的運動速度，進而推動步進梁工作，步進梁的位移通過位置傳感器反饋與系統給定信號比較，將差值作為輸入，動態的調節步進梁的達到指定位移。在工程運用中，通常使用PID對系統進行校正控制，但步進梁的控制現場環境差，干擾信號較多等，不具備自我整定參數的能力不能及時調整控制，系統的控制精度不能保證，工藝要求也不能滿足。因此結合模糊控制的優點，使用模糊PID控制，以偏差和偏差變化率為控制對象，以實踐生產的工程經驗為原則，實時調整控制參數，保證系統獲得在工作中一直處于最優的動態過程中[4]。

模糊PID控制器環節。參照模糊控制器的設計方法和步驟[5]，模糊PID控制器設計方法如下：

1）確定模糊集。誤差e、誤差變化e c及Kp、Ki、Kd的模糊集及其論域定義如下：e,e c，和Kp、Ki、Kd的模糊集均為：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；e，ec的離散論域均為：{-3，-2，-1，0，1，2，3}；Kp的離散論域為：{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}；Ki的離散論域為：{-3，-2，-1，0，1，2，3}；Kd的離散論域為：{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}。

圖3 控制系統的結構框圖

2）確定隸屬函數?？刂浦锌紤]隸屬函數分辨率低和規則數，在論域兩端用S形和Z形隸屬函數，中間用三角形隸屬函數來描述，系統重疊度α取0.5。

3）建立模糊控制規則和模糊控制表。模糊控制規則建立的基本思想是：偏差很大時，采用最大的控制量來盡快的減小誤差[6]；誤差較小時，控制以穩定性為主，防止超調；對于適中的偏差，選用控制量時結合控制精度與穩定性進行考慮。模糊PID控制的核心就是制定模糊規則控制表。PID參數調整的模糊規則如表1所示。

4）模糊推理。模糊推理方法的實質是從輸入到輸出的函數關系[7]。將被控對象在工作中的誤差以及誤差變化率模糊化后，參照規則表，尋找出合適的輸出控制量的模糊集合的過程。本系統要求穩態誤差≤±2%，定義e的基本論域為[-24，24]，ec基本論域為[-6,6]，Kp的基本論域為[-3，3]，Ki的基本論域為[-3，3]，Kd的基本論域為[-1.5，1.5]。所以可以定義e、ec的量化因子分別為Ke=0.125，Kec=0.5。Kp，Ki，Kd的比例因子分別為Kp=1,Ki=1,Kd=2。

5）解模糊化。解模糊化實際上是尋找最優點的過程，即在推理得到的模糊集合中選擇一個最優的模糊集合單值[8]。本文采用重心法進行解模糊化，解模糊化在第K個控制周期得到PID控制器三個增益的變化量，通過計算，則下一個控制周期的PID參數為：

根據模糊PID控制器原理搭建的系統Simu1ink仿真模型，步進梁液壓控制系統的速度、位移響應如圖4所示。仿真具體參數如下。

表1 Kp,Ki,Kd的模糊規則表

圖4 步進梁液壓控制系統的MAT1ab/simu1ink仿真模型

表2 仿真參數

當調定e、ec的量化因子分別為0.25、0.1，kp，ki，kd的比例因子分別為0.3、1和0.01，并設定PID參數的初值為3.5、2.8、0.5時，外負載為具有正弦規律變化的變動值，在Simu1ink上建模仿真，得到的步進梁液壓控制系統的速度、位移信號響應曲線如圖5所示。

圖5 步進梁升降系統的速度、位移曲線

在步進梁液壓控制系統的應曲線可以看出，未加模糊PID校正環節時，速度的超調量Mp=21.8%，超調比較大，在速度信號響應曲線一直處于較大的震蕩狀態，偏差過大，步進梁的運動中將產生劇烈的振動；此時系統的響應速度慢會在鋼坯在加熱爐的運送效率，延長循環的時間，速度在開始階段產生劇烈的震蕩，將會產生剛性沖擊，會嚴重影響板坯在加熱過程中的質量。在模糊PID控制器的調節下，系統的步進梁的速度響應與位移響應均得到改善，速度誤差有PID控制校正的最大超調量的Mp=6.25%減小到Mp=4.8%，動態性能的到提升，位移響應曲線上的穩態誤差由15mm減小到8mm，進一步提升了系統的控制精度得，同時系統響應時間上減少了滯后，穩態精度提高。

4 結論

本文的研究是在原液壓系統的基礎上，盡可能保留原部件的情況下，所設計的新液壓系統，該系統采用比例調速系統，同時在系統中采用插裝閥來提升系統的油路通流能力，并采用比例節流閥與壓力補償器的組合來提高速度的控制精度。步進梁在模糊PID的控制下，以偏差和偏差變化率為控制對象，以實踐生產的工程經驗為原則，實時調整控制參數，速度響應與位移響應均得到改善，步進梁的工作周期由75s縮短為改造后的45s，大大的提高了加熱爐的生產效率。增加了備用泵后，一臺泵故障時，備用及時補上，大大地縮短了加熱爐的誤工時間。通過更新步進梁液壓系統元部件，解決了部分設備老化和磨損的現象，各種零件之間的配合精度以及零件自身的結構精度保持在最佳狀態，工作過程中的振動減弱，使得液壓系統的運行比較穩定，進一步優化鋼坯加熱后的質量。經過武鋼一熱軋的生產實踐的檢驗，驗證了具有新液壓系統的步進梁能很好的滿足改造要求。

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