模糊PID方法在HC軋機(jī)自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王琦

【摘 要】在軋機(jī)的一切精度指標(biāo)中，厚度精度是板材質(zhì)量的最為重要的指標(biāo)，而且是國內(nèi)外不少冶金行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)問題。在軋制產(chǎn)品尺寸精度不斷提高的形勢下，經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)有所上升。所以，對軋鋼技術(shù)發(fā)展主要是以改進(jìn)軋制精度，性能，增加品種，能源效率等為目標(biāo)。 通過 MATLAB/SIMULINK 仿真工具，對軋機(jī)自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和仿真。在此基礎(chǔ)上，提出了基于厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)的模糊 PID 控制方法，仿真結(jié)果充分證明了提出的控制方案是正確可靠的。

【關(guān)鍵詞】模糊PID方法 HC軋機(jī) 自動(dòng)厚度 控制系統(tǒng) 應(yīng)用

1模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

1.1 模糊控制原理

模糊PID控制辦法最大的特點(diǎn)是通過模糊的論域?qū)ο到y(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行定性，即是通過模糊的詞語闡述當(dāng)前系統(tǒng)出現(xiàn)的偏差的狀態(tài)[1]。

一般控制系統(tǒng)中往往要有兩個(gè)部件，其一是指受控對象，其二是控制器。通過模型而進(jìn)行控制，實(shí)際的通過函數(shù)公式實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中被控對象的控制，通過計(jì)算得出實(shí)際的輸出數(shù)值和預(yù)期的輸入值相比較，得出系統(tǒng)當(dāng)前的控制偏差數(shù)值范圍，從而讓操作員了解當(dāng)前系統(tǒng)的誤差狀態(tài)，從而根據(jù)輸入不同的參數(shù)值實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的偏差控制，通過不斷的參數(shù)輸入、以及實(shí)際輸出值對比、再輸入?yún)?shù)調(diào)整的循環(huán)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的誤差的控制。假設(shè)物體的慣性大時(shí)，系統(tǒng)的偏差控制過程的時(shí)間則會(huì)延長而且控制的成效也不怎么有效。

模糊控制器的輸入量是系統(tǒng)的偏差量。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中它是數(shù)字量，是有確定數(shù)值的清晰量。通過模糊化處理，用模糊語言變量E來描述偏差，若以T（E）記E的語言值集合，則有：

T（E）={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}

或用符號表示負(fù)大 NB（Negative），負(fù)中 NM（Negative Medium），負(fù)小 NS（Negative Small），零 ZO （Zero），正小 PS （Positive Small），正中 PB （Positive Medium），正大 PB （Positive Big），則：

T （E） = {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

語言規(guī)則模塊是一個(gè)規(guī)則庫。設(shè)E是輸入，控制Y為輸出，規(guī)則形式為：

每一條規(guī)則可以建立一個(gè)模糊關(guān)系 R；所以系統(tǒng)總的模糊關(guān)系 R 為 R=R1∪R2∪…∪ Rn

在上面的系統(tǒng)中，模糊控制器是采用誤差來對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控的，利用模糊控制網(wǎng)絡(luò)具有的非線性映射能力，可以讓模糊控制網(wǎng)絡(luò)對其控制對象加以控制并輸出其控制對象所形成的傳遞函數(shù)對次傳遞函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，進(jìn)而保證輸出值就等于期望值，其函數(shù)關(guān)系式如下。

假設(shè)被控對象的輸入u和輸出Y存在以下的非線性函數(shù)關(guān)系

y=g（u） （1）

可以視模糊控制網(wǎng)絡(luò)的功能為輸入輸出的某種映射，或稱函數(shù)變換

U=f（u） （2）

當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)際輸出值y和期望輸出值大小是一樣的。而如果被控對象較復(fù)雜，利用數(shù)學(xué)方法就不是很容易得到非線性函數(shù)g（x）。盡管g（x）到底是什么樣的形式還不能確定，但由于模糊控制網(wǎng)絡(luò)具有自身學(xué)習(xí)的能力可以通過其逼進(jìn)非線性函數(shù)來進(jìn)行模擬，利用誤差來調(diào)整連接權(quán)可使

e=Y→0 （3）

其實(shí)這是一種通過逆過程得到目標(biāo)函數(shù)的方法。利用模糊控制的學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)過程的逆運(yùn)算，是利用模糊控制的重要思路。

1.2 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)

按模糊控制器的輸入變量的個(gè)數(shù)，可以分為一維模糊控制器，二維模糊控器和三維?？刂破鱗2]。通常由于二維的模糊控制器在性能上優(yōu)于一維模糊控制器，并且模糊控制規(guī)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于三維模糊控制器，因此控制器采用比較普遍的二維控制器。模糊控制器的輸入量是壓下偏差e及偏差變化ec，輸出量是壓下位移的控制量。此時(shí)模糊控制器的控制量為系統(tǒng)誤差和誤差變化的非線性函數(shù)，這種模糊控制器可以視為一種非線性PID 控制器。從線性控制理論可知，單純的采用該類模糊控制器的系統(tǒng)可以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，但是無法消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。此外，單純的采用此類模糊控制器還會(huì)產(chǎn)生極限環(huán)振蕩現(xiàn)象，原因是有輸入量的模糊化和輸出量的清晰化等因素使得系統(tǒng)具有多值繼電器特性從而引起的。由線性控制理論可知，要消除這種殘差，必須在控制器內(nèi)引入積分分量。

2 模糊PID控制算法仿真分析

通過對MATLAB軟件做了簡單的概述和選取了樣本進(jìn)行數(shù)值的仿真預(yù)測，進(jìn)一步對本系統(tǒng)的偏差控制的精確性和穩(wěn)定性展開了試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)中，第300個(gè)采樣時(shí)間控制器對系統(tǒng)的實(shí)際干擾數(shù)值為1.0。

PID控制對對象模型的依賴性相對于模糊PID要強(qiáng)一些，當(dāng)對象模型有所變化，則也會(huì)影響到控制效果。模糊PID的模型變化會(huì)有很小的影響，并有一定的魯棒性。

總的來說，發(fā)現(xiàn)模糊PID比普通PID在控制上更有效，而當(dāng)對象特性變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性，超調(diào)量不大，以及系統(tǒng)穩(wěn)定只需要更短的時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的魯棒性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會(huì)有所提升。

3 結(jié)語

通過對中冶恒通冷軋技術(shù)有限公司冷軋廠HC軋機(jī)的研究，以理論研究為基礎(chǔ)，通過查找其中的大量的數(shù)據(jù)，有如下總結(jié)：

從結(jié)果上來說模糊PID控制器比普通PID的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力更好。

從研究情況來看，模糊控制網(wǎng)絡(luò)算法的收斂性和魯棒性還需要再一次研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張峻林.冷軋液壓AGC系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及模擬實(shí)驗(yàn)研究[D].燕山大學(xué)，2013，11-13.

[2] KUIMA H，KENMCHI K.Improvement of the accuracy in thickness during flying Gauge change in tandem cold mills[J].La Revuede Metallurgie，1998：911-918.