基于參數(shù)模糊自整定的靜電涂油機電氣系統(tǒng)的設(shè)計

劉振，潘煉，田中捷，杜然瓏，王玥

（1.武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北武漢430081；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津300180）

靜電涂油機是冷軋薄板生產(chǎn)線的重要設(shè)備，并且廣泛應(yīng)用在退火、酸洗、拉矯、鍍鋅、縱切、橫切等機組上。靜電涂油機在高壓靜電的作用下，使液體防銹油均勻地吸附在金屬板帶材表面上。而其低壓電氣控制系統(tǒng)的性能將對薄板生產(chǎn)處理線的整體作業(yè)質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。根據(jù)現(xiàn)場的實際工藝要求，金屬板帶材表面的涂油量應(yīng)在300～2 000 mg/m2的范圍內(nèi)變化，而且在設(shè)定好涂油量的情況下，應(yīng)使其保持一種穩(wěn)恒的涂油狀態(tài)和涂油規(guī)格［1］。

在此之前，靜電涂油機的調(diào)速驅(qū)動裝置一般都采用直流電動機，但直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，維護困難。當今隨著人們對功率電子器件研究的不斷深入，異步電動機的變頻調(diào)速技術(shù)已相當成熟，能達到與直流電動機調(diào)速相當?shù)乃?，并且它具有體積小巧，維護方便，故障發(fā)生率低等優(yōu)點，該技術(shù)越來越受到人們的重視。

將這項發(fā)展較為成熟的技術(shù)引入到靜電涂油機的電氣控制系統(tǒng)中，通過變頻裝置輸出的可變電源電壓和電源頻率來調(diào)節(jié)變頻電機的實時轉(zhuǎn)速，從而滿足薄板生產(chǎn)處理線對不同涂油量的要求。改進之后的控制系統(tǒng)由測速裝置間接地檢測出計量泵的流量，經(jīng)運算得出涂油量誤差，再經(jīng)微分運算，得出涂油量誤差變化率，兩者一并反饋給核心控制器，然后由核心控制器采取模糊PID 控制算法進行模糊控制，最終形成閉環(huán)實時控制系統(tǒng)［2-5］。

1 系統(tǒng)設(shè)計及組成

1.1 模糊控制系統(tǒng)的概述

在以往的自動控制理論中，控制系統(tǒng)的分析是和精確的數(shù)學模型分不開的。但往往在實際的現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，由于被控對象的非線性、參數(shù)間的強耦合、外部不可控的干擾以及錯綜復(fù)雜的內(nèi)在機理等因素，都會使得被控對象數(shù)學模型的建立變得異常困難或者根本不可能直接建立。

傳統(tǒng)的控制方法對于那些不能直接獲得精確數(shù)學模型的控制系統(tǒng)，往往難以取得令人滿意的控制效果。模糊控制是基于人類易于理解的自然語言來對系統(tǒng)進行描述與刻畫的，它可以建立在專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，是一種具有人工智能的控制系統(tǒng)。模糊控制根據(jù)已經(jīng)積累的熟練操作人員的經(jīng)驗來構(gòu)造模糊化的語言規(guī)則，運用模糊數(shù)學和模糊邏輯學，通過模糊邏輯推理，實現(xiàn)對非線性系統(tǒng)的控制［6］。

1.2 靜電涂油機電氣控制系統(tǒng)的組成

該電氣控制系統(tǒng)是由上位機，可編程控制器以及各類現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)備組成的。上位機選用西門子WinCC軟件來實現(xiàn)監(jiān)控，可編程控制器選用西門子的S7-300 PLC，現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)備包括交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)、溫度設(shè)定系統(tǒng)、液位監(jiān)控系統(tǒng)、高壓監(jiān)控系統(tǒng)和操作臺。WinCC與PLC的通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)方式，PLC與現(xiàn)場設(shè)備的通訊采用Profibus-DP 現(xiàn)場總線方式。PLC 是整個控制系統(tǒng)的核心，它負責整個系統(tǒng)的正常運行并實現(xiàn)模糊PID 控制算法；交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)變頻設(shè)備輸出的可變電源電壓和電源頻率來調(diào)整變頻電機的實時轉(zhuǎn)速，進而驅(qū)動相關(guān)的泵類裝置給出適宜的供油量；溫度設(shè)定系統(tǒng)可以對各類油箱中的油溫進行不同溫度的設(shè)定；液位監(jiān)控系統(tǒng)可以隨時監(jiān)控油箱中的液位高度，并連通液位報警線路，防止油液的溢出；高壓監(jiān)控系統(tǒng)連通高壓報警線路，當高壓變壓器發(fā)生漏電事故，可以自動切斷上下刀梁的高壓供電。操作臺面板上安置有觸摸屏，觸摸屏畫面上設(shè)有涂油量設(shè)定、高壓電壓值設(shè)定等基本參數(shù)設(shè)定，觸摸屏下方裝有各種常用的操作按鈕。靜電涂油機的基本組成如圖1所示。

圖1 靜電涂油機的基本組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of electrostatic oiler basic components

該靜電涂油機的實際涂油量PV（mg/m2）可用下式表示：

式中：ρ為油比重，ρ=0.9 g/ml；n為計量泵轉(zhuǎn)速，r/min；l為計量泵的流量規(guī)格，在本系統(tǒng)中，選用的是1.25 ml/r 的計量泵；v為鋼帶運行速度，m/min；w為帶寬，m。

2 用模糊控制器調(diào)節(jié)PID 控制器的參數(shù)

2.1 PID模糊控制器

在現(xiàn)場的實際應(yīng)用中，只利用模糊控制器作為唯一的控制機構(gòu)，往往不能達到受控對象的所有預(yù)期指標，所以一個完整的模糊控制系統(tǒng)還需要某種傳統(tǒng)的控制器作為補充，而采用能夠?qū)ο到y(tǒng)動態(tài)過渡過程進行快速處理的PID控制器便是一種較好的選擇。

在通常情況下，PID 控制算法的各項常量系數(shù)是固定不變的，但如果想要使其能夠搭配模糊控制器對復(fù)雜的非線性系統(tǒng)進行控制，就需要對其算法的各項相關(guān)系數(shù)進行適宜的實時調(diào)整，這項調(diào)整的關(guān)鍵任務(wù)便由模糊控制器來實現(xiàn)。

由計算機實現(xiàn)PID 控制算法，其離散PID 控制規(guī)律是

式中：U（n），e（n）分別為第n個采樣時刻的控制器控制量和偏差量；T 為采樣周期；TI，TD分別為積分和微分時間常數(shù)；Kp為比例增益。

由式（2）可以得到控制器輸出第n 個和第n-1 個周期控制量之間的增量為

式中：KI為積分系數(shù)，KI=KpT/TI；KD為微分系數(shù)，KD=KpTD/T。

這是一個增量式，它只與前n次采樣值有關(guān)，計算量少而實時性強。利用模糊控制對PID控制器的這3 個系數(shù)進行調(diào)整，便完善了PID 控制器的自適應(yīng)性能。

2.2 量化因子及比例因子的作用

模糊控制器的輸入必須經(jīng)過模糊化才能適用于模糊控制器的求解，量化因子的主要作用就是將確定的輸入量轉(zhuǎn)換成一個模糊矢量。

在靜電涂油機的液壓供油系統(tǒng)中涂油量的偏差e的物理論域為e=［-60，+60］mg/m2，其模糊論域為n1=［-6，+6］，則定義偏差e的量化因子Ke=6/60=0.1。同理，偏差變化率ec的物理論域為ec=［-5，+5］mg/（m2·s-1），其模糊論域為n2=［-5，+5］，則定義偏差變化率ec的量化因子Kc=5/5=1。在輸入量的實際論域發(fā)生變化后，只需調(diào)整相應(yīng)輸入量的量化因子便能夠使其經(jīng)模糊化后依然適用于之前的模糊論域，這樣就使模糊控制器內(nèi)部的重要模塊結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。

對于那些由模糊邏輯推理所得到的模糊值，是不能直接用來作用于被控對象的，比例因子的主要作用就是將這些模糊量轉(zhuǎn)化為一個個可以被執(zhí)行機構(gòu)所能接受的精確量。定義模糊控制器的3個輸出變量的比例因子Ku=2。

2.3 調(diào)節(jié)PID控制器3個參數(shù)的模糊規(guī)則

模糊控制規(guī)則是模糊控制器設(shè)計的重要內(nèi)容，它在經(jīng)操作人員歸納總結(jié)后一般以表格的形式呈現(xiàn)。模糊控制規(guī)則的建立是基于現(xiàn)場人員的實際操作經(jīng)驗歸納總結(jié)得出。

在靜電涂油機的模糊控制器中，用ΔKP表示對系統(tǒng)PID 控制器原來設(shè)計參數(shù)KP的修正值。系統(tǒng)每隔10 s進行1次采樣，將涂油量的偏差e和偏差變化率ec模糊化后分別用符號E，Ec表示，設(shè)輸出模糊量為ΔKP，偏差e 的模糊分布用8 個模糊子集涵蓋，分別為負大（NL）、負中（NM）、負?。∟S）、負零（NO）、正零（PO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PL）；偏差變化率ec和ΔKP的模糊分布均用7 個模糊子集涵蓋，分別為負大（NL）、負中（NM）、負小（NS）、零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PL）。根據(jù)操作經(jīng)驗總結(jié)出的模糊規(guī)則如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)ΔKP的模糊控制規(guī)則Tab.1 The fuzzy control rule of ΔKP

同理，可以依次總結(jié)出調(diào)節(jié)ΔKI和ΔKD的模糊規(guī)則，如表2、表3 所示。控制系統(tǒng)待調(diào)整的3 個系數(shù)實際所取的終值分別是KP+ΔKP，KI+ΔKI，KD+ΔKD。其中PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)初始值KP0，KI0，KD0可通過常規(guī)整定方法得到，本系統(tǒng)中KP0=2，KI0=0，KD0=4。

表2 調(diào)節(jié)ΔKI的模糊控制規(guī)則Tab.2 The fuzzy control rule of ΔKI

表3 調(diào)節(jié)ΔKD的模糊控制規(guī)則Tab.3 The fuzzy control rule of ΔKD

2.4 調(diào)節(jié)PID控制器3個參數(shù)的模糊控制器

根據(jù)上述控制規(guī)則，可以設(shè)計1 個模糊控制器，它和PID 控制器的連接如圖2 所示。由圖2 可以看出，PID 控制器的參數(shù)就是模糊控制器的輸出，PID 控制器的輸出就是整個控制器的輸出。

圖2 模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Block diagram of fuzzy PID control system

可以看出，核心控制單元PLC根據(jù)現(xiàn)場操作人員手動設(shè)定的涂油量與通過測速裝置的反饋信號經(jīng)涂油量運算后得到的實際涂油量，便可得到涂油量的偏差e和偏差變化率ec，由此再經(jīng)過PLC內(nèi)部的模糊PID 運算，便可將DC 0～10 V 的模擬量信號輸出到變頻器控制回路主頻率輸入的AVI端子，用以調(diào)節(jié)驅(qū)動計量泵的交流異步電動機，從而達到實時控制的目的。

3 提高控制系統(tǒng)實際應(yīng)用效果的方法

為提高靜電涂油機的現(xiàn)場噴涂效果，可以從以下幾個方面加以考慮。

1）雙精度過濾器的選擇?？紤]到在實際生產(chǎn)應(yīng)用中廠方會根據(jù)自身情況，選用不同質(zhì)量規(guī)格的防銹油。為了避免發(fā)生油液的堵塞，雙精度過濾器安裝有旁路連通裝置，啟用該裝置可以使油液通過該通道進行初步的過濾，保障了過濾系統(tǒng)的正?？煽抗ぷ鳌?/p>

2）高壓直流電源的良好接地。高壓直流電源系統(tǒng)接地極應(yīng)接至主電室專用接地極上，接地電阻≤1 Ω。

3）適宜油溫的設(shè)定。根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用的經(jīng)驗，供油箱溫度設(shè)定值宜為40 ℃，加熱油箱溫度設(shè)定值宜為45 ℃。

4 結(jié)論

本文根據(jù)PID 控制和模糊控制的優(yōu)缺點，在原本不太適用于PID 控制的非線性電氣控制系統(tǒng)中，運用了模糊控制理論的參數(shù)修正，這樣就使適用于線性控制系統(tǒng)的PID 控制理論依然派上了用場。在邯鄲卓立精細板材有限公司的拉矯機組上，應(yīng)用了該新型電氣控制系統(tǒng)，其中涂油寬度為1.5 m，機組生產(chǎn)速度為180 m/min，當根據(jù)工藝要求將涂油量設(shè)定為300 mg/m2時，實際涂油量為303 mg/m2，驅(qū)動計量泵的交流變頻電機的實際轉(zhuǎn)速為73 r/min。正常生產(chǎn)過程中的涂油量誤差不超過±5%。其中，由于計量泵內(nèi)部的柱塞和柱塞套在長期使用后會出現(xiàn)間隙過大的問題，所以不可避免地造成計量泵在供油作業(yè)時出現(xiàn)誤差。大量試驗驗證了基于參數(shù)模糊自整定的靜電涂油機電氣控制系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。

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