基于模糊控制的步進梁速度控制系統(tǒng)

張 佳，湯建暉（中航工業(yè)航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

基于模糊控制的步進梁速度控制系統(tǒng)

張 佳，湯建暉
（中航工業(yè)航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

步進梁是加熱爐中的重要設(shè)備，步進梁的速度須精準控制，否則易對步進梁造成很大的慣性沖擊。由于步進梁系統(tǒng)是典型的非線性和時變性系統(tǒng)，且當步進梁托起鋼坯時速度會大幅度下降，嚴重影響步進梁的速度，鑒于此建立了步進梁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，提出了模糊PID的控制策略，理論上能夠較好地滿足控制要求。仿真結(jié)果表明，所提出的控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾、響應(yīng)快等特點。

步進梁；速度控制；模糊PID控制

0 引言

步進梁是步進式加熱爐的核心設(shè)備，鋼坯的移動是通過步進梁的靜梁和動梁的相對運動來實現(xiàn)的，步進梁的動梁作上升、前進、下降、后退等動作將鋼坯送入加熱爐加熱。步進梁的結(jié)構(gòu)如圖1所示。步進梁的速度給定須精確控制，以減少其運動慣性和沖擊，減少對步進梁系統(tǒng)的損壞，在每個運動的起始階段和終止階段，步進梁分別作加速運動和減速運動。在上升和下降的中間階段，由于步進梁接近鋼坯，步進梁進行一次中間減速－勻速－加速運行過程，以減少負荷對步進梁的沖擊，達到鋼坯在爐內(nèi)“輕托、輕放”的目的。步進梁速度位移示意圖如圖2所示。步進梁的動力是由電液比例方向閥和液壓缸組成的液壓系統(tǒng)提供，通過電液比例方向閥控制流量以驅(qū)動液壓缸的移動來實現(xiàn)的。

圖2 步進梁速度位移示意圖

在工程實踐中，步進梁的控制多采用開環(huán)控制，控制效果差［1-3］，控制精度并不能滿足要求。鑒于本文的控制對象是一個典型的非線性、時變、強干擾系統(tǒng)，本文設(shè)計了一種基于規(guī)則校正的模糊PID控制器，該控制器可使系統(tǒng)有更快地響應(yīng)且有一定的抗干擾能力。

1 閥控非對稱液壓缸系統(tǒng)建模

步進梁系統(tǒng)由電液比例方向閥、液壓缸和步進梁組成。當液壓缸活塞外伸時完成鋼坯上升和前進動作；當液壓缸活塞內(nèi)縮時完成鋼坯下降和后退動作。本文以步進梁上升動作為例來說明。步進梁系統(tǒng)控制原理圖如圖3所示。

圖3 步進梁系統(tǒng)控制原理圖

電液比例方向閥閥芯位移 Xv（s）與控制信號 U（s）之間的傳遞函數(shù)為［2，4-5］：

液壓缸的活塞位移 Y（s）與閥芯位移 Xv（s）之間的傳遞函數(shù)為：

活塞位移 Y（s）與負載 FL（s）之間的傳遞函數(shù)為：

當步進梁滿負荷工作時鋼坯重達450t，為減經(jīng)作用在液壓缸活塞桿上的力，故采用雙輪斜軌式步進機構(gòu)，如圖4所示。

則可得液壓缸的位移 y（m）與鋼坯的位移 ys（m）滿足如下關(guān)系式：

圖4 斜軌式步進機構(gòu)示意圖

本文以山東某鋼廠為研究對象，根據(jù)測得的相關(guān)參數(shù)［2］，可得如下傳遞函數(shù)的表達式：

2 模糊PID控制器設(shè)計

自整定模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自整定模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)

它以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，以PID控制器的參數(shù)kp、ki、kd作為輸出。它利用模糊理論對PID參數(shù)進行校正，校正算法如下：kp=kp′+Δkp，ki=ki′+Δki，kd=kd′+Δkd， 其中kp′、ki′、kd′是預先調(diào)定的量，Δkp、Δki、Δkd為模糊控制器的輸出，kp、ki、kd為PID控制器的輸出［6］。

定義偏差e、偏差變化率ec及kp、ki、kd的論域均為｛-6，6｝；其模糊子集｛PB，PM，PS，ZR，NS，NM，NB｝，子集中的元素分別為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。為了計算機處理和實現(xiàn)上的方便，輸入偏差、輸入變化率|EC|和輸出的隸屬度函數(shù)均采用線性函數(shù)［7］。

該模糊控制器的控制規(guī)則采用“IF A AND THAN C”的形式建立。根據(jù)自整定模糊PID控制的設(shè)計思想可得 kp、ki、kd的模糊控制規(guī)則如表1所示［8］。

3 系統(tǒng)仿真分析

為驗證所設(shè)計步進梁液壓系統(tǒng)的性能，采用MATLAB/Simulink中的軟件包和模糊邏輯工具箱FIS來模擬該控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境。其中模糊控制器的參數(shù)ke=0.2、kec=1、Δkp=1、Δki=4.5、Δkd=0.2；PID的初值為kp′=16、ki′=30、kd′=0.5。速度給定曲線如圖6所示。

表1 kp、ki和kd的模糊規(guī)則表

圖6 速度給定曲線

常規(guī)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖7所示，在第7秒時由于托起重達450t的鋼坯，速度有較大的下降，故考慮采用模糊自整定PID控制。自整定模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)如圖8所示，由圖可以看出速度下降明顯減少且響應(yīng)明顯加快。

4 結(jié)論

步進梁是步進式加熱爐中的重要設(shè)備，步進梁的速度須精確控制，當步進梁上升托起鋼坯時由于鋼坯的大重量使得其速度會大幅度下降，考慮到步進梁系統(tǒng)是非線性和時變系統(tǒng)，故本文分別用PID控制器和自整定模糊PID控制器對步進梁系統(tǒng)進行對比研究。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制器相比，模糊PID控制器具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強的特點，基本上達到了對步進梁系統(tǒng)快速、平穩(wěn)控制的要求，很好地緩解了設(shè)備沖擊，另外也為該控制方法在其他場合上的應(yīng)用提供了參考。

圖7 常規(guī)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

圖8 自整定模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

［1］楊征瑞，花克勤，徐軼.電液比例與伺服控制［M］.北京：治金工業(yè)出版社，2009.

［2］鄒陽舉.步進式加熱爐電液控制系統(tǒng)分析與建模［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2013.［3］馬曉宏，陳冰冰，甘學輝，等.電液比例閥控液壓缸位置控制系統(tǒng)的建模與仿真研究［J］.機械設(shè)計與制造，2008（4）：43-45.

［4］強寶民，劉保杰.電液比例閥控液壓缸系統(tǒng)建模與仿真［J］.起重運輸機械，2011（11）：35-39.

［5］Guo Rui，Zhao jingyi.Research of electro-hydraulic control system design and energy saving characteristic in the new drawbead test bed［R］.Beijing：Fluid Power and Mechatronics（FPM），2011，2011 International Conference of Digital Object Ident-ifier，2011：301-305.

［6］周恩濤，廖生行，牟丹.電液比例閥控系統(tǒng)模糊－PID控制的研究［J］.機床與液壓，2003（6）：225-227.

［7］顏香梅，王輝，李中啟，等.基于模糊邏輯的無線電能傳輸輸出端穩(wěn)壓控制［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（12）：72-75.

［8］王恩亮.模糊PID控制的中頻電爐溫控系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2014，33（24）：75-77.

圖5 鉆具姿態(tài)數(shù)據(jù)圖

參考文獻

［1］唐升，張展培.天線姿態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)中管控主機的設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2014，23（20）：25-28.

［2］楊新，高春燕.一種高精度控制的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)［J］.微型機與應(yīng)用，2014，33（14）：17-18.

［3］徐衛(wèi)明.姿態(tài)測量與定位在高空間分辨率航空遙感和攝影中的應(yīng)用［J］.紅外，2002，23（9）：7-15.

［4］蔡文軍，王平.機械式無線隨鉆測斜儀結(jié)構(gòu)原理及性能特點［J］.石油機械，2005，33（9）：P49-50.

［5］蘇毅，劉陽，李曉琨，等.基于加速度計和磁強計的隨鉆姿態(tài)測量觀測模型［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（2）：20-23.

［6］李星，張瑛.基于Matlab姿態(tài)測量系統(tǒng)優(yōu)化處理程序設(shè)計［J］.石油儀器，2009，23（3）：74-75.

［7］顧英.慣導加速度計技術(shù)綜述［J］.飛航導彈，2001（6）：78-85.

［8］李傳偉，李安宗.一種小波變換信號處理方法［J］.西安電子科技大學學報（自學科學版），2009，36（4）：751-755.

［9］李煒，陳曉輝，毛海杰.小波閾值消噪算法中自適應(yīng)確定分解層數(shù)研究［J］.計算機仿真，2009，26（3）：311-313.

［10］趙毅.數(shù)字濾波的滑動平均法和低通濾波法［J］.儀表技術(shù)，2001（5）：40-46.

（收稿日期：2015-04-30）

作者簡介：

賈衡天（1979-），男，碩士，主要研究方向：井下控制工程。

Walking beam speed control system based on fuzzy control

Zhang Jia，Tang Jianhui
（AVIC Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China）

Walking beam is an important equipment in furnace.The speed of the walking beam should be precisely controlled，otherwise it easily causes a great inertial impact on the walking beam.Walking beam system is a typical nonlinear and time-varying system，and when the walking beam billet holds billet，the speed of the walking beam will be a significant decline，seriously affecting the control accuracy of the walking beam.For this，the paper establishes the transfer function of the walking beam system，and puts forward a fuzzy PID control strategy which can better meet the control requirements in theory.Simulation results show that the proposed control algorithm has the characteristics of a simple structure，interference and fast response.

walking beam；speed control；fuzzy PID control

TP273

A

1674-7720（2015）18-0005-03

張佳，湯建暉．基于模糊控制的步進梁速度控制系統(tǒng)［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（18）：5-7，13.

2015-0-0）

張佳（1988-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向：電氣控制與測試。

湯建暉（1967-），女，本科，研究員，主要研究方向：電氣控制與測試。