一種基於arm的模糊pi厚度控制系統的製作方法

2023-05-16 11:22:16 1

專利名稱：一種基於arm的模糊pi厚度控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於ARM和模糊PI控制器的厚度控制系統，是一種針對冷軋行業中液壓冷軋機帶材縱向厚差的在線參數自整定厚度智能控制系統。
背景技術：
當前液壓冷軋行業內對帶材縱向厚差控制系統的普遍稱呼為AGC (Automatic Gauge Control，即自動厚度控制)。液壓軋機AGC系統的控制核心在於油缸位置的伺服控
APC (Automatic Position Control)。如圖1所示，APC採用MTS或者SSI系列磁致伸縮型位移傳感器，用以測量油缸的位置信號。油缸的動作一方面由液壓站(高壓)提供動力(能量)來源，另一方面由電液伺服閥控制其上下運動。油缸活塞作用於支承輥，牛頓力通過支承輥傳遞給工作輥(實際軋制輥)。在恆輥縫軋制過程中，計算機發出控制指令(給定位置信號)，經過一定的算法處理(譬如PI控制)，再由計算機將輸出信號(執行指令)送給電液伺服閥。厚度控制的目的是使帶鋼的實際軋出厚度等於設定值，帶鋼AGC系統必須由計算機預先設定一個目標值與所測量的實際厚度進行比較，得到偏差信號S h，或者通過改變張力、壓力等得到偏差信號Sh， 再利用厚度自動控制裝置或計算機功能程序改變壓下位置或帶鋼張力或軋制速度，將帶鋼的實際軋出厚度控制在允許的範圍內。在客觀上要求把帶材的實際厚度作為被控量，而不是上述的油缸活塞的實際位置。鑑於此種考慮，在位置環的基礎上引入了帶材的厚度監控環節——AGC監控。圖2為 AGC監控的控制框圖。上述AGC監控方案，在原有APC的基礎上，在液壓軋機的出口配備測厚儀，用以實時測量帶材的出口厚度，如此一來，構成了正真意義上的厚度反饋控制系統。實際上，軋機的油缸及其軋輥作為機械部件卻存在較大的慣性，這就導致在厚度控制上存在一定的滯後。非但如此，從理論上講，測厚儀與工作輥之間有一定的距離，帶材所軋制的部分並非測厚儀採集厚度信號的部分，這樣在實際當中就存在一段純滯後，從而致使AGC監控並非達到非常理想的控制效果。因此，提出如下圖3的改進——液壓軋機入口、出口同時配備測厚儀。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，並用Δ gi表示帶材入口厚度的浮動值，Δ go表示帶材出口厚度的浮動值，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)，那麼需要調整控制算法Gcl，以保證油缸具有足夠大的壓下量；反之，Δ gi為負值，則表明帶材過薄，則同樣需要調整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的實際輸入值)不要過小。當然，Agi是作為時間的函數變化的，可以用Agi (t)來表示。其中Agi (t)是隨時間變化的，可以看出從本質上講這樣的補償控制即為自適應控制的一種，因此，可以採用人工智慧的研究成果，設計更為智能的控制算法。總而言之，AGC預控是在AGC監控的基礎上加進補償控制的策略。不可否認，常規PI在傳統工業控制特別在冷軋行業的厚度控制中發揮了歷史性的作用。但是，隨著對帶材質量特別是縱向厚度公差(2μ到3μ的變化)要求的不斷提高， 傳統控制方法受到很大的挑戰。通過分析液壓軋機的動態模型我們就會發現，固有的非線性以及慢時變因素存在於位置控制環節(比如伺服閥就存在非線性)。特別是在工業現場無處不在的隨機幹擾(電磁幹擾是一種重要幹擾類型)，常規PID控制不具備參數自整定功能便很難發揮良好的控制效果。通過分析發現，很難得到該軋機系統的精確數學模型，如此一來，建立在被控對象精確數學模型的經典控制理論便失去應有的作用。

發明內容
本發明的目的是針對液壓軋機的非線性、慢時變以及幹擾不確定的特點，提供一種具有很好魯棒性的控制系統。為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種基於ARM的模糊PI厚度控制系統，包括分別位於液壓軋機入口及出口處的入口測厚儀及出口測厚儀，入口測厚儀連接補償器，其特徵在於補償器及出口測厚儀分別連接模糊魯棒調節模塊，其中，模糊魯棒調節模塊包括通過ARM實現的模糊魯棒調節器，模糊魯棒調節器分別連接位置信號採集模塊、壓力信號採集模塊、厚度信號採集模塊、執行模塊和信號調理模塊；
模糊魯棒調節器包括自動補償調節器、自動厚度調節器及自動位置調節器，其中， 自動補償調節器構成前饋調節器，其採用常規的比例調節器，自動補償調節器將通過入口測厚儀得到的入口厚度值及厚度給定值的偏差進行適當的放大或縮小；
自動厚度調節器構成外環調節器，其包括Fuzzy模塊及常規PID調節器，由Fuzzy模塊
將由出口測厚儀得到的出口厚度值與厚度給定值的差值的絕對值間及該差值變化率的絕對值作為輸入，並採用Fuzzy方法對常規PID調節器的比例常數/ 、積分常數&和微分常數&在線校正，通過常規PID調節器得到輸出u，u = K,E+K,J^E + Ks*EC，實
中，Σ5為由出口測厚儀得到的出口厚度值與厚度給定值的差值的積分；
自動位置調節器構成內環調節器，其採用常規的PID調節器，自動位置調節器的輸入為自動補償調節器的輸出與通過自動厚度調節器得到的輸出之和與通過液壓軋機用以測量油缸的位置信號的位置傳感器得到的位置信息的差值，通過自動位置調節器的輸出來控制伺服閥進而達到控制液壓軋機油缸的目的。本發明針對傳統AGC控制中出現的一系列不穩定問題，提出改進。在實際的冷軋行業中，由於軋機對象的複雜度，傳統的PID控制方案很難起到很好的控制效果。由於模糊控制策略固有的非線性，使得對象的不確定性在控制過程當中並沒有十分突出的表現出來。


圖1是APC框圖；圖2是帶AGC監控的控制框圖3是軋機控制示意圖4是改進的AGC控制系統框圖5是模糊PI參數調整框圖6是基於ARM的智能AGC厚控系統各組成模塊；
圖7是液壓軋機模糊PI厚度控制框圖。
具體實施例方式為使本發明更明顯易懂，茲以一優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。傳統AGC系統的抗幹擾能力不能適應現代化冶金自動化的需要，因此，怎樣提高系統的穩定性和抗擾能力是魯棒控制器的設計核心。問題的根源在於，常規PID不具備參數自整定功能，不能針對複雜環境做出自適應參數調整。本發明提出的方案採用模塊化的設計思想，建立起以ARM晶片為底層硬體核心單元、模糊PI算法為上層控制軟體核心單元、 周邊模塊(採集數據及其輸出調理)「衛星式」環繞的嵌入式解決方案，最大程度分離各部分的功能，以達到各模塊耦合程度最小的目的。本發明的硬體結構如圖4及圖6所示，包括分別位於液壓軋機入口及出口處的入口測厚儀及出口測厚儀，入口測厚儀連接補償器，補償器及出口測厚儀分別連接模糊魯棒調節模塊。如圖6所示，模糊魯棒調節模塊包括通過ARM實現的模糊魯棒調節器，模糊魯棒調節器分別連接位置信號採集模塊、壓力信號採集模塊、厚度信號採集模塊、執行模塊和信號調理模塊。結合圖7上層控制軟體核心單元包括自動補償調節器(英文簡稱為ACA，全稱為 Automatic Compensation Adjuster)、自動厚度調節器(英文簡稱為ATA，全稱為Automatic Thickness Adjuster)及自動位置調節器(英文簡稱為APA，全稱為Automatic Position Adjuster)。由圖7可知，上層控制軟體核心單元是由ACA、ATA、APA構成的複合控制系統。其中，APA構成內環調節器；ATA構成外環調節器；ACA構成前饋調節器。內外環構成兩級的串級控制，再加上前饋控制，共同構成上述的複合系統。以下對各個調節器分別解釋。ACA採用入口測厚儀與給定厚度的偏差作為其輸入信號。基於下面的想法不管入口測厚儀還是出口測厚儀，其安裝位置與輥系位置存在一定的空間距離。為了滿足控制的實時性，必須採取補償的策略，ACA正是基於此設計的。ACA採用比例調節器，以便對厚度給定值與入口厚度值(此數值由入口測厚儀測得)的偏差進行適當的放大與縮小。前饋調節器ACA是針對提高系統的控制精度而設計的。如圖3所示，測厚儀安裝位置與帶材實際軋制位置還有相當的距離，換言之，以軋制位置的厚度為基準，入口測厚儀所測值大於基準值，而出口測厚儀所測值小於基準值。如此一來，測量值的不準確性就造成整個液壓軋機厚度控制系統的控制精度降低。取入口厚度與出口厚度的平均值，並與厚度給定值進行比較。 若前者大於後者，則應加大控制器的輸出；反之應減小控制器的輸出。這是ACA的設計準則。ATA是該系統的核心調節器。鑑於外環調節器的參數需要依賴具體的工藝而定，考慮設計模糊PID參數自整定厚度調節器。該設計的關鍵在於PID參數的在線自調整，並且保證該系統具備工業級的穩定性。在提高系統穩定性這方面考慮在前向通道設計濾波單元， 以濾除採集信號中的噪聲。這裡的濾波單元也需要能夠靈活的調整其截止頻率，以適應不同的複雜現場。實際上，濾波的問題即為儘可能恢復被噪聲幹擾了的信息流的問題，也就是預測一個被噪聲搞混了的時間序列的問題，因此濾波問題即是一個預測問題。所謂預測，從數學上講就是從一個時間序列過去的數據去估算整個系綜的統計參數。考慮到上述問題， 稱該系統為智能魯棒伺服調節系統。如圖5所示，ATA正是採用Fuzzy方法進行PID參數在線校正的自動厚度調節器。 常規？10控制算式為以=&_5 + &_25 + &_1了，其中，《代表？10的輸出，醜、^^及
Σ5分別代表由出口測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調節器的比例常數、積分常數和微分常數。從Fuzzy控制的本質來講，APA調節器的三個待定參數、Zi和分別為網和 \BC\ 的二元函數，亦即Ky =,Ki=J2 (_ , Ki = /3(|4W。對其進行一般性分析有當間較大時，為使系統具有較好的快速跟蹤性能，應取較大的和較小的^，同時為避免系統的響應出現較大的超調，應對積分作用加以限制， 通常取《=O0當間處於中等大小時，為使系統具有較小的超調，；應取得小一些；在這種情況下，的取值對系統的影響較大，Ki的取值要適當。當間較小時，為使系統具有較好
的穩態性能， 、Ki均應取得大些，同時為避免系統在設定值附近出現震蕩，/ -的選擇很重要。如前所述，Fuzzy控制器的語言變量有兩個，即_、\EC\ ,先討論網。(1) _的基本論域，亦即厚度誤差的絕對值，在實際的冷軋領域，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，達到誤差為零亦是不可能的。實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，這裡以
60 I μ m進行分析。那麼I e I的基本論域為
( μ m)。下面與| e |相對應的間的論
域為 X= {0，1,2, 3,4, 5,6, 7,8,9, 10，11，12}，從而得出量化因子『=芸=0.2。
5U(2)為誤差絕對值間這一語言變量選擇六個語言值極大(Extremely)、非常大
(Very)、相當大(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)根據實踐經驗，確定論域X上用以描述Fuzzy子集EB、VB、LB、SB、AB、SLB的隸屬函數用正態分布表示是比較合理的。隸屬函數表達式m /2^3,不妨令i = 16 ；
權利要求
1.一種基於ARM的模糊PI厚度控制系統，包括分別位於液壓軋機入口及出口處的入口測厚儀及出口測厚儀，入口測厚儀連接補償器，其特徵在於補償器及出口測厚儀分別連接模糊魯棒調節模塊，其中，模糊魯棒調節模塊包括通過ARM實現的模糊魯棒調節器，模糊魯棒調節器分別連接位置信號採集模塊、壓力信號採集模塊、厚度信號採集模塊、執行模塊和信號調理模塊；模糊魯棒調節器包括自動補償調節器、自動厚度調節器及自動位置調節器，其中， 自動補償調節器構成前饋調節器，其採用常規的比例調節器，自動補償調節器將通過入口測厚儀得到的入口厚度值及厚度給定值的偏差進行適當的放大或縮小；自動厚度調節器構成外環調節器，其包括Fuzzy模塊及常規PID調節器，由Fuzzy模塊將由出口測厚儀得到的出口厚度值與厚度給定值的差值的絕對值間及該差值變化率的絕對值|SC|作為輸入，並採用Fuzzy方法對常規PID調節器的比例常數尤丨、積分常數&和微分常數&在線校正，通過常規PID調節器得到輸出
2.如權利要求1所述的一種基於ARM的模糊PI厚度控制系統，其特徵在於提高所述通過ARM實現的模糊魯棒調節器的抗幹擾能力的方法為第一步、在ARM晶片的供電電源部分添加儲蓄電容和解耦電容，提高電路電磁兼容能力，其中儲蓄電容起到穩定晶片供電電壓的作用，解耦電容則是為系統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，輸出採用光電隔離，在信號輸入迴路添加濾波網絡來降低或削弱打的迴路幹擾； 第三步、採降低或削弱公共阻抗幹擾。
全文摘要
本發明提供了一種基於ARM的模糊PI厚度控制系統，包括分別位於液壓軋機入口及出口處的入口測厚儀及出口測厚儀，入口測厚儀連接補償器，其特徵在於補償器及出口測厚儀分別連接模糊魯棒調節模塊，其中，模糊魯棒調節模塊包括通過ARM實現的模糊魯棒調節器，模糊魯棒調節器分別連接位置信號採集模塊、壓力信號採集模塊、厚度信號採集模塊、執行模塊和信號調理模塊。本發明針對傳統AGC控制中出現的一系列不穩定問題，提出改進。在實際的冷軋行業中，由於軋機對象的複雜度，傳統的PID控制方案很難起到很好的控制效果。由於模糊控制策略固有的非線性，使得對象的不確定性在控制過程當中並沒有十分突出的表現出來。
文檔編號B21B37/16GK102284505SQ20111024572
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月25日 優先權日2011年8月25日
發明者齊磊, 龔濤 申請人:東華大學