專利名稱：一種基于arm的模糊pi厚度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于ARM和模糊PI控制器的厚度控制系統(tǒng)，是一種針對(duì)冷軋行業(yè)中液壓冷軋機(jī)帶材縱向厚差的在線參數(shù)自整定厚度智能控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前液壓冷軋行業(yè)內(nèi)對(duì)帶材縱向厚差控制系統(tǒng)的普遍稱呼為AGC (Automatic Gauge Control，即自動(dòng)厚度控制)。液壓軋機(jī)AGC系統(tǒng)的控制核心在于油缸位置的伺服控
APC (Automatic Position Control)。如圖1所示，APC采用MTS或者SSI系列磁致伸縮型位移傳感器，用以測(cè)量油缸的位置信號(hào)。油缸的動(dòng)作一方面由液壓站(高壓)提供動(dòng)力(能量)來源，另一方面由電液伺服閥控制其上下運(yùn)動(dòng)。油缸活塞作用于支承輥，牛頓力通過支承輥傳遞給工作輥(實(shí)際軋制輥)。在恒輥縫軋制過程中，計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令(給定位置信號(hào))，經(jīng)過一定的算法處理(譬如PI控制)，再由計(jì)算機(jī)將輸出信號(hào)(執(zhí)行指令)送給電液伺服閥。厚度控制的目的是使帶鋼的實(shí)際軋出厚度等于設(shè)定值，帶鋼AGC系統(tǒng)必須由計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)定一個(gè)目標(biāo)值與所測(cè)量的實(shí)際厚度進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)S h，或者通過改變張力、壓力等得到偏差信號(hào)Sh， 再利用厚度自動(dòng)控制裝置或計(jì)算機(jī)功能程序改變壓下位置或帶鋼張力或軋制速度，將帶鋼的實(shí)際軋出厚度控制在允許的范圍內(nèi)。在客觀上要求把帶材的實(shí)際厚度作為被控量，而不是上述的油缸活塞的實(shí)際位置。鑒于此種考慮，在位置環(huán)的基礎(chǔ)上引入了帶材的厚度監(jiān)控環(huán)節(jié)——AGC監(jiān)控。圖2為 AGC監(jiān)控的控制框圖。上述AGC監(jiān)控方案，在原有APC的基礎(chǔ)上，在液壓軋機(jī)的出口配備測(cè)厚儀，用以實(shí)時(shí)測(cè)量帶材的出口厚度，如此一來，構(gòu)成了正真意義上的厚度反饋控制系統(tǒng)。實(shí)際上，軋機(jī)的油缸及其軋輥?zhàn)鳛闄C(jī)械部件卻存在較大的慣性，這就導(dǎo)致在厚度控制上存在一定的滯后。非但如此，從理論上講，測(cè)厚儀與工作輥之間有一定的距離，帶材所軋制的部分并非測(cè)厚儀采集厚度信號(hào)的部分，這樣在實(shí)際當(dāng)中就存在一段純滯后，從而致使AGC監(jiān)控并非達(dá)到非常理想的控制效果。因此，提出如下圖3的改進(jìn)——液壓軋機(jī)入口、出口同時(shí)配備測(cè)厚儀。假如帶材入口的平均厚度用Gi表示，出口平均厚度用Go表示，并用Δ gi表示帶材入口厚度的浮動(dòng)值，Δ go表示帶材出口厚度的浮動(dòng)值，則
入口厚度=Gi+Δ gi ； 出口厚度=Go+Δ go ；
一般而言，如若Agi為正值，則表明帶材過厚(與平均厚度比較而言)，那么需要調(diào)整控制算法Gcl，以保證油缸具有足夠大的壓下量；反之，Δ gi為負(fù)值，則表明帶材過薄，則同樣需要調(diào)整Gcl，以保證Gp (如圖2，Gp代表控制器Gcl的輸出與位移傳感器的反饋值的差值，以及控制器PID的實(shí)際輸入值)不要過小。當(dāng)然，Agi是作為時(shí)間的函數(shù)變化的，可以用Agi (t)來表示。其中Agi (t)是隨時(shí)間變化的，可以看出從本質(zhì)上講這樣的補(bǔ)償控制即為自適應(yīng)控制的一種，因此，可以采用人工智能的研究成果，設(shè)計(jì)更為智能的控制算法?？偠灾?，AGC預(yù)控是在AGC監(jiān)控的基礎(chǔ)上加進(jìn)補(bǔ)償控制的策略。不可否認(rèn)，常規(guī)PI在傳統(tǒng)工業(yè)控制特別在冷軋行業(yè)的厚度控制中發(fā)揮了歷史性的作用。但是，隨著對(duì)帶材質(zhì)量特別是縱向厚度公差(2μ到3μ的變化)要求的不斷提高， 傳統(tǒng)控制方法受到很大的挑戰(zhàn)。通過分析液壓軋機(jī)的動(dòng)態(tài)模型我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，固有的非線性以及慢時(shí)變因素存在于位置控制環(huán)節(jié)(比如伺服閥就存在非線性)。特別是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無處不在的隨機(jī)干擾(電磁干擾是一種重要干擾類型)，常規(guī)PID控制不具備參數(shù)自整定功能便很難發(fā)揮良好的控制效果。通過分析發(fā)現(xiàn)，很難得到該軋機(jī)系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，如此一來，建立在被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的經(jīng)典控制理論便失去應(yīng)有的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)液壓軋機(jī)的非線性、慢時(shí)變以及干擾不確定的特點(diǎn)，提供一種具有很好魯棒性的控制系統(tǒng)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種基于ARM的模糊PI厚度控制系統(tǒng)，包括分別位于液壓軋機(jī)入口及出口處的入口測(cè)厚儀及出口測(cè)厚儀，入口測(cè)厚儀連接補(bǔ)償器，其特征在于補(bǔ)償器及出口測(cè)厚儀分別連接模糊魯棒調(diào)節(jié)模塊，其中，模糊魯棒調(diào)節(jié)模塊包括通過ARM實(shí)現(xiàn)的模糊魯棒調(diào)節(jié)器，模糊魯棒調(diào)節(jié)器分別連接位置信號(hào)采集模塊、壓力信號(hào)采集模塊、厚度信號(hào)采集模塊、執(zhí)行模塊和信號(hào)調(diào)理模塊；
模糊魯棒調(diào)節(jié)器包括自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器、自動(dòng)厚度調(diào)節(jié)器及自動(dòng)位置調(diào)節(jié)器，其中， 自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)器，其采用常規(guī)的比例調(diào)節(jié)器，自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器將通過入口測(cè)厚儀得到的入口厚度值及厚度給定值的偏差進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小；
自動(dòng)厚度調(diào)節(jié)器構(gòu)成外環(huán)調(diào)節(jié)器，其包括Fuzzy模塊及常規(guī)PID調(diào)節(jié)器，由Fuzzy模塊
將由出口測(cè)厚儀得到的出口厚度值與厚度給定值的差值的絕對(duì)值間及該差值變化率的絕對(duì)值作為輸入，并采用Fuzzy方法對(duì)常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的比例常數(shù)/ 、積分常數(shù)&和微分常數(shù)&在線校正，通過常規(guī)PID調(diào)節(jié)器得到輸出u，u = K,E+K,J^E + Ks*EC，實(shí)
中，Σ5為由出口測(cè)厚儀得到的出口厚度值與厚度給定值的差值的積分；
自動(dòng)位置調(diào)節(jié)器構(gòu)成內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，其采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器，自動(dòng)位置調(diào)節(jié)器的輸入為自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器的輸出與通過自動(dòng)厚度調(diào)節(jié)器得到的輸出之和與通過液壓軋機(jī)用以測(cè)量油缸的位置信號(hào)的位置傳感器得到的位置信息的差值，通過自動(dòng)位置調(diào)節(jié)器的輸出來控制伺服閥進(jìn)而達(dá)到控制液壓軋機(jī)油缸的目的。本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)AGC控制中出現(xiàn)的一系列不穩(wěn)定問題，提出改進(jìn)。在實(shí)際的冷軋行業(yè)中，由于軋機(jī)對(duì)象的復(fù)雜度，傳統(tǒng)的PID控制方案很難起到很好的控制效果。由于模糊控制策略固有的非線性，使得對(duì)象的不確定性在控制過程當(dāng)中并沒有十分突出的表現(xiàn)出來。


圖1是APC框圖；圖2是帶AGC監(jiān)控的控制框圖3是軋機(jī)控制示意圖4是改進(jìn)的AGC控制系統(tǒng)框圖5是模糊PI參數(shù)調(diào)整框圖6是基于ARM的智能AGC厚控系統(tǒng)各組成模塊；
圖7是液壓軋機(jī)模糊PI厚度控制框圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。傳統(tǒng)AGC系統(tǒng)的抗干擾能力不能適應(yīng)現(xiàn)代化冶金自動(dòng)化的需要，因此，怎樣提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾能力是魯棒控制器的設(shè)計(jì)核心。問題的根源在于，常規(guī)PID不具備參數(shù)自整定功能，不能針對(duì)復(fù)雜環(huán)境做出自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整。本發(fā)明提出的方案采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，建立起以ARM芯片為底層硬件核心單元、模糊PI算法為上層控制軟件核心單元、 周邊模塊(采集數(shù)據(jù)及其輸出調(diào)理)“衛(wèi)星式”環(huán)繞的嵌入式解決方案，最大程度分離各部分的功能，以達(dá)到各模塊耦合程度最小的目的。本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)如圖4及圖6所示，包括分別位于液壓軋機(jī)入口及出口處的入口測(cè)厚儀及出口測(cè)厚儀，入口測(cè)厚儀連接補(bǔ)償器，補(bǔ)償器及出口測(cè)厚儀分別連接模糊魯棒調(diào)節(jié)模塊。如圖6所示，模糊魯棒調(diào)節(jié)模塊包括通過ARM實(shí)現(xiàn)的模糊魯棒調(diào)節(jié)器，模糊魯棒調(diào)節(jié)器分別連接位置信號(hào)采集模塊、壓力信號(hào)采集模塊、厚度信號(hào)采集模塊、執(zhí)行模塊和信號(hào)調(diào)理模塊。結(jié)合圖7上層控制軟件核心單元包括自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器(英文簡(jiǎn)稱為ACA，全稱為 Automatic Compensation Adjuster)、自動(dòng)厚度調(diào)節(jié)器(英文簡(jiǎn)稱為ATA，全稱為Automatic Thickness Adjuster)及自動(dòng)位置調(diào)節(jié)器(英文簡(jiǎn)稱為APA，全稱為Automatic Position Adjuster)。由圖7可知，上層控制軟件核心單元是由ACA、ATA、APA構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)。其中，APA構(gòu)成內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器；ATA構(gòu)成外環(huán)調(diào)節(jié)器；ACA構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)器。內(nèi)外環(huán)構(gòu)成兩級(jí)的串級(jí)控制，再加上前饋控制，共同構(gòu)成上述的復(fù)合系統(tǒng)。以下對(duì)各個(gè)調(diào)節(jié)器分別解釋。ACA采用入口測(cè)厚儀與給定厚度的偏差作為其輸入信號(hào)?；谙旅娴南敕ú还苋肟跍y(cè)厚儀還是出口測(cè)厚儀，其安裝位置與輥系位置存在一定的空間距離。為了滿足控制的實(shí)時(shí)性，必須采取補(bǔ)償?shù)牟呗?，ACA正是基于此設(shè)計(jì)的。ACA采用比例調(diào)節(jié)器，以便對(duì)厚度給定值與入口厚度值(此數(shù)值由入口測(cè)厚儀測(cè)得)的偏差進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯笈c縮小。前饋調(diào)節(jié)器ACA是針對(duì)提高系統(tǒng)的控制精度而設(shè)計(jì)的。如圖3所示，測(cè)厚儀安裝位置與帶材實(shí)際軋制位置還有相當(dāng)?shù)木嚯x，換言之，以軋制位置的厚度為基準(zhǔn)，入口測(cè)厚儀所測(cè)值大于基準(zhǔn)值，而出口測(cè)厚儀所測(cè)值小于基準(zhǔn)值。如此一來，測(cè)量值的不準(zhǔn)確性就造成整個(gè)液壓軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)的控制精度降低。取入口厚度與出口厚度的平均值，并與厚度給定值進(jìn)行比較。 若前者大于后者，則應(yīng)加大控制器的輸出；反之應(yīng)減小控制器的輸出。這是ACA的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。ATA是該系統(tǒng)的核心調(diào)節(jié)器。鑒于外環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)需要依賴具體的工藝而定，考慮設(shè)計(jì)模糊PID參數(shù)自整定厚度調(diào)節(jié)器。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于PID參數(shù)的在線自調(diào)整，并且保證該系統(tǒng)具備工業(yè)級(jí)的穩(wěn)定性。在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性這方面考慮在前向通道設(shè)計(jì)濾波單元， 以濾除采集信號(hào)中的噪聲。這里的濾波單元也需要能夠靈活的調(diào)整其截止頻率，以適應(yīng)不同的復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)際上，濾波的問題即為盡可能恢復(fù)被噪聲干擾了的信息流的問題，也就是預(yù)測(cè)一個(gè)被噪聲搞混了的時(shí)間序列的問題，因此濾波問題即是一個(gè)預(yù)測(cè)問題。所謂預(yù)測(cè)，從數(shù)學(xué)上講就是從一個(gè)時(shí)間序列過去的數(shù)據(jù)去估算整個(gè)系綜的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。考慮到上述問題， 稱該系統(tǒng)為智能魯棒伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如圖5所示，ATA正是采用Fuzzy方法進(jìn)行PID參數(shù)在線校正的自動(dòng)厚度調(diào)節(jié)器。 常規(guī)？10控制算式為以=&_5 + &_25 + &_1了，其中，《代表？10的輸出，丑、^^及
Σ5分別代表由出口測(cè)厚儀得到的出口厚度值與厚度給定值的差值、該差值的變化率及
該差值的積分，、《和&分別代表PID調(diào)節(jié)器的比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)。從Fuzzy控制的本質(zhì)來講，APA調(diào)節(jié)器的三個(gè)待定參數(shù)、Zi和分別為網(wǎng)和 \BC\ 的二元函數(shù)，亦即Ky =,Ki=J2 (_ , Ki = /3(|4W。對(duì)其進(jìn)行一般性分析有當(dāng)間較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能，應(yīng)取較大的和較小的^，同時(shí)為避免系統(tǒng)的響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制， 通常取《=O0當(dāng)間處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，；應(yīng)取得小一些；在這種情況下，的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大，Ki的取值要適當(dāng)。當(dāng)間較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好
的穩(wěn)態(tài)性能， 、Ki均應(yīng)取得大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，/ -的選擇很重要。如前所述，F(xiàn)uzzy控制器的語(yǔ)言變量有兩個(gè)，即_、\EC\ ,先討論網(wǎng)。(1) _的基本論域，亦即厚度誤差的絕對(duì)值，在實(shí)際的冷軋領(lǐng)域，總希望帶材的厚
差控制的愈小越好，但是誤差是客觀存在的，達(dá)到誤差為零亦是不可能的。實(shí)際中要求成品厚差控制在IlOl μ m，或者更好的情形|5| μπι。但是，一般來講來料公差比較大，這里以
60 I μ m進(jìn)行分析。那么I e I的基本論域?yàn)?br> ( μ m)。下面與| e |相對(duì)應(yīng)的間的論
域?yàn)?X= {0，1,2, 3,4, 5,6, 7,8,9, 10，11，12}，從而得出量化因子‘=蕓=0.2。
5U(2)為誤差絕對(duì)值間這一語(yǔ)言變量選擇六個(gè)語(yǔ)言值極大(Extremely)、非常大
(Very)、相當(dāng)大(Largely)、比較大(Some)、略大(A little)、稍微大(Slightly)。分別定義為EB、VB、LB、SB、AB、SLB。(3)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定論域X上用以描述Fuzzy子集EB、VB、LB、SB、AB、SLB的隸屬函數(shù)用正態(tài)分布表示是比較合理的。隸屬函數(shù)表達(dá)式m /2^3,不妨令i = 16 ；
權(quán)利要求
1.一種基于ARM的模糊PI厚度控制系統(tǒng)，包括分別位于液壓軋機(jī)入口及出口處的入口測(cè)厚儀及出口測(cè)厚儀，入口測(cè)厚儀連接補(bǔ)償器，其特征在于補(bǔ)償器及出口測(cè)厚儀分別連接模糊魯棒調(diào)節(jié)模塊，其中，模糊魯棒調(diào)節(jié)模塊包括通過ARM實(shí)現(xiàn)的模糊魯棒調(diào)節(jié)器，模糊魯棒調(diào)節(jié)器分別連接位置信號(hào)采集模塊、壓力信號(hào)采集模塊、厚度信號(hào)采集模塊、執(zhí)行模塊和信號(hào)調(diào)理模塊；模糊魯棒調(diào)節(jié)器包括自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器、自動(dòng)厚度調(diào)節(jié)器及自動(dòng)位置調(diào)節(jié)器，其中， 自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)器，其采用常規(guī)的比例調(diào)節(jié)器，自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器將通過入口測(cè)厚儀得到的入口厚度值及厚度給定值的偏差進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s?。蛔詣?dòng)厚度調(diào)節(jié)器構(gòu)成外環(huán)調(diào)節(jié)器，其包括Fuzzy模塊及常規(guī)PID調(diào)節(jié)器，由Fuzzy模塊將由出口測(cè)厚儀得到的出口厚度值與厚度給定值的差值的絕對(duì)值間及該差值變化率的絕對(duì)值|SC|作為輸入，并采用Fuzzy方法對(duì)常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的比例常數(shù)尤丨、積分常數(shù)&和微分常數(shù)&在線校正，通過常規(guī)PID調(diào)節(jié)器得到輸出
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于ARM的模糊PI厚度控制系統(tǒng)，其特征在于提高所述通過ARM實(shí)現(xiàn)的模糊魯棒調(diào)節(jié)器的抗干擾能力的方法為第一步、在ARM芯片的供電電源部分添加儲(chǔ)蓄電容和解耦電容，提高電路電磁兼容能力，其中儲(chǔ)蓄電容起到穩(wěn)定芯片供電電壓的作用，解耦電容則是為系統(tǒng)噪聲提供交流疏散的通道；第二步、縮短地線或者增加地線的橫截面積，輸出采用光電隔離，在信號(hào)輸入回路添加濾波網(wǎng)絡(luò)來降低或削弱打的回路干擾； 第三步、采降低或削弱公共阻抗干擾。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于ARM的模糊PI厚度控制系統(tǒng)，包括分別位于液壓軋機(jī)入口及出口處的入口測(cè)厚儀及出口測(cè)厚儀，入口測(cè)厚儀連接補(bǔ)償器，其特征在于補(bǔ)償器及出口測(cè)厚儀分別連接模糊魯棒調(diào)節(jié)模塊，其中，模糊魯棒調(diào)節(jié)模塊包括通過ARM實(shí)現(xiàn)的模糊魯棒調(diào)節(jié)器，模糊魯棒調(diào)節(jié)器分別連接位置信號(hào)采集模塊、壓力信號(hào)采集模塊、厚度信號(hào)采集模塊、執(zhí)行模塊和信號(hào)調(diào)理模塊。本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)AGC控制中出現(xiàn)的一系列不穩(wěn)定問題，提出改進(jìn)。在實(shí)際的冷軋行業(yè)中，由于軋機(jī)對(duì)象的復(fù)雜度，傳統(tǒng)的PID控制方案很難起到很好的控制效果。由于模糊控制策略固有的非線性，使得對(duì)象的不確定性在控制過程當(dāng)中并沒有十分突出的表現(xiàn)出來。
文檔編號(hào)B21B37/16GK102284505SQ20111024572
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者齊磊, 龔濤 申請(qǐng)人:東華大學(xué)