改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自整定在熱連軋機(jī)厚度系統(tǒng)中的應(yīng)用

顧波，魏偉，曲永印

(1. 沈陽科技學(xué)院 信息與控制工程系， 遼寧 沈陽110000)(2. 北華大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院， 吉林 吉林132021)

改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自整定在熱連軋機(jī)厚度系統(tǒng)中的應(yīng)用

顧波1，魏偉1，曲永印2

(1. 沈陽科技學(xué)院 信息與控制工程系， 遼寧 沈陽110000)(2. 北華大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院， 吉林 吉林132021)

熱連軋機(jī)厚控系統(tǒng)具有高度非線性、時變性和純滯后等特點(diǎn)，有研究者采用改進(jìn)型Smith算法補(bǔ)償了由于純滯后而導(dǎo)致的帶材厚度精度波動問題。本文針對參數(shù)的時變性再結(jié)合Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制方式，即改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自整定。仿真結(jié)果表明：其調(diào)節(jié)時間減小，穩(wěn)定時間提前，既對純滯后特性有較好的補(bǔ)償作用，又對被控對象參數(shù)變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，其成果對有色冶金行業(yè)提高帶材質(zhì)量具有重要的實(shí)用價值。

改進(jìn)型Smith；Fuzzy-PID參數(shù)自整定；時變性

0 前言

熱連軋機(jī)厚控系統(tǒng)機(jī)理較復(fù)雜，具有高度非線性、時變性和純滯后等特點(diǎn)，有研究者提出將預(yù)測外推數(shù)據(jù)處理[1]和改進(jìn)型Smith預(yù)估控制算法[2]應(yīng)用到熱連軋機(jī)中，很大程度上解決了由于各種滯后時間引起的帶材厚度精度波動問題。然而在噪聲、負(fù)載擾動等因素的影響下系統(tǒng)過程參數(shù)，甚至模型結(jié)構(gòu)均會發(fā)生變化，要獲得滿意的控制效果，本文在此基礎(chǔ)上，再采用Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制[3][4]，以克服軋機(jī)參數(shù)動態(tài)時變，達(dá)到進(jìn)一步提高厚度精度的目標(biāo)。

1 改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自整定應(yīng)用

1.1 Fuzzy-PID參數(shù)自整定

在熱連軋機(jī)厚控過程中被控對象的負(fù)荷多變，干擾因素復(fù)雜，需要對PID參數(shù)不斷的進(jìn)行在線調(diào)整。有時由于參數(shù)的變化無常，往往沒有確定的數(shù)學(xué)模型和規(guī)律可循，因此Fuzzy-PID參數(shù)自調(diào)整控制調(diào)節(jié)以實(shí)用、簡便的優(yōu)點(diǎn)使用在厚控系統(tǒng)中[5]。模糊控制器能充分利用操作人員進(jìn)行實(shí)時非線性調(diào)節(jié)的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，并彰顯了PID控制器的優(yōu)良控制功能，使整個系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果。

1.2 Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制器設(shè)計

本文以厚度偏差Δh和偏差變化量Δhc作為模糊控制器的輸入量[5]，以滿足不同的Δh和Δhc對控制器參數(shù)的不同要求，根據(jù)模糊合成推理設(shè)計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)，再代入式(1)計算。

KP=kp+Δkp

KI=ki+Δki

(1)

KD=kd+Δkd

式中，kp、ki、kd為已整定的PID參數(shù)，而Δkp、Δki、Δkd為模糊控制器的3個輸出，可根據(jù)被控對象的狀態(tài)自動調(diào)整PID3個控制參數(shù)的取值。

(1)輸入語言變量的模糊化。取厚度偏差Δh和偏差變化率Δhc的量化基本論域均為(-3，-2，-1，0，1，2，3)論域量化等級數(shù)均為R={1，2，3，4，5，6}；模糊語言變量值均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。厚度偏差Δh和偏差變化率Δhc模糊化后，經(jīng)過隸屬度函數(shù)賦值表建立隸屬度函數(shù)。

(2)輸出語言變量的模糊化。PID參數(shù)KP、KI、KD的校正量Δkp、Δki、Δkd為模糊控制器的輸出語言變量，Δkp、ΔkiT和Δkd的模糊量化論域均為(-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3)；論域量化等級數(shù)均為R={-3，-2，-1，0，1，2，3}；Δkp、Δki和Δkd的模糊語言變量值均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。得Δkp、Δki、Δkd和模糊化后隸屬度函數(shù)的賦值表，建立隸屬度函數(shù)。

(3)模糊規(guī)則表與查詢表。根據(jù)理論分析歸納出偏差Δh和偏差變化率Δhc跟PID控制器的3個參數(shù)KP、KI、KD之間的關(guān)系，并針對Δkp、Δki和Δkd 3個參數(shù)建立整定的模糊控制規(guī)則表，得到模糊條件語句，控制系統(tǒng)通過在線對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果進(jìn)行處理、查表和運(yùn)算，完成對PID參數(shù)的在線自校正。

為了保證Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制的有效性，本文利用常規(guī)PID控制與其做仿真對比，如圖1所示。從而也能更深切的分析Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制的性能。

圖1 Fuzzy-PID參數(shù)自整定仿真

仿真結(jié)果表明，采用模糊PID參數(shù)自整定控制的波形曲線相對于常規(guī)PID控制，超調(diào)量從30%減小到7%，PID控制的曲線在8 s處出現(xiàn)過一次波動，模糊PID參數(shù)自整定控制的波形曲線從4.8 s已達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，且不再有波動變化，即調(diào)節(jié)時間從8.8 s減小到4.8 s。

1.3 改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自整定

從模糊控制原理上講，它缺乏對具有較大純滯后時間對象的控制能力，因此本文將Fuzzy-PID參數(shù)自整定引入前文研究的改進(jìn)型Smith預(yù)估控制系統(tǒng)中，構(gòu)成了改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)同時完成兩個功能，即在對時變系統(tǒng)控制的同時，也對滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自調(diào)整仿真結(jié)果分析

根據(jù)已知被控對象的傳遞函數(shù)[2][9]，建立其改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自整定仿真模型，得到仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 改進(jìn)型Smith-FuzzyPID參數(shù)自整定仿真

仿真結(jié)果表明，控制效果看似不如單獨(dú)采用改進(jìn)型Smith控制方式，但改進(jìn)型Smith-Fuzzy參數(shù)自整定控制兼顧了Smith控制和Fuzzy控制的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)節(jié)時間減小，穩(wěn)定時間提前，既對純滯后特性有較好的補(bǔ)償作用，又對被控對象參數(shù)變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

3 結(jié)束語

本文通過對改進(jìn)型Smith-Fuzzy PID參數(shù)自整定控制方式，對熱連軋機(jī)負(fù)荷多變，干擾因素復(fù)雜的厚度系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時控制，同時也能對滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。仿真結(jié)果表明此方法對厚控系統(tǒng)中提高厚度精度以及其動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能有一定作用。對有色冶金行業(yè)提高帶材質(zhì)量具有重要的實(shí)用價值。

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Application and research of improved smith-fuzzy pid parameters self-adjustingin hot strip rolling mills gauge system

GU Bo1，WEI Wei1，QU Yong-Yin2

(1.Department of Information and Control Engineering ,Shenyang Institute of Science and Technology，Shenyang 110000,China;2.College of Electrical and Information Engineering，Beihua University, Jilin 132021, China )

The thickness control system of hot strip mill has the characteristics of high nonlinearity, time variation and pure time delay. The improved Smith algorithm is used to compensate the fluctuation of strip thickness due to the pure lag. In this paper, the time variation of parameters is combined with Fuzzy-PID parameter self-tuning control mode, that is, the improved Smith-Fuzzy PID parameter self-tuning. The simulation results shows that the adjustment time is reduced, and stable ahead of time, have a good compensation effect of time delay, and has a strong adaptability of changing parameter. Meanwhile, it has important practical value to improve the quality of the results of the strip non-ferrous metallurgical industry.

improved algorithm of Smith; Fuzzy-PID parameter self-tuning; time variation

2016-10-24；

2016-12-29

吉林省電力電子應(yīng)用技術(shù)科技創(chuàng)新中心建設(shè)項(xiàng)目(吉科20090548)

顧波(1985-)，女，吉林省吉林市人，講師，研究方向：電力電子與電力傳動。

TM241

A

1001-196X(2017)00-0030-03