基于自适应模糊PID的钢板横剪生产线多电机同步控制系统设计

、ｌ　匐　出　基于自适应模糊ＰＩＤ的钢板横剪生产线多电机　同步控制系统设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ。ｍｏｔｏｒ　ｓｙｎｃｎｒｏｎｏｕｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｓｈｅａｒ　ｌｉｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　侯崇升　ＨＯＵ　Ｃｈｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ　（潍坊学院信息与控制工程学院，潍坊２６１　０６１）　摘　要：多台电机的同步协调传动控制问题直接影响系统的可靠性和控制精度。分析了钢板横剪生产线　同步传动系统的组成，将模糊控制技术应用于多台直流电动机同步传动控制系统，设计了各　电机采用同一电压给定，每台电机采用转速、电流双闭环调速控制方式，转速环采用自适应模　糊ＰＩＤ控制的同步控制策略。仿真研究表明，这种方案鲁棒性、快速性优良，动态过程超调小、　同步误差小，实际调试能够理想地实现生产工艺对钢板横剪生产线高精度同步控制的要求。　关键词：同步传动控制；模糊控制；ＰＩＤ控制　中图分类号：ＴＰ２７３＋．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００９—０１　３４（２０１　３）０９（上）－００５０—０４　Ｏｏｉ：１　０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１　００９－０１　３４．２０１　３．０９（上）．１　４　０　引言　主要由开卷机、粗矫机、齐头剪切机、过渡架、　我国钢铁工业的设备制造技术发展非常迅　圆盘剪、中间桥、精矫机、剪板机和落料台实　速，新设备和新技术不断涌现，控制精度高、自　现，如图１所示，它构成环节多，控制复杂。　动化程度高、生产效率高、技术先进、性能优异　本钢板横剪生产线控制点多，长度测量精度　和全数字化控制的钢板横剪生产线是钢铁生产经　要求高，生产现场分散，设备可靠性要求高，因　营企业提高高品质板材产量、降低损耗和减少优　此设计了以型号Ｓ７—３００、ＣＰＵ３１５—２ＤＰ的西门子　质钢板进口的关键设备。钢板横剪生产线具有多　可编程控制器（ＰＬＣ）为控制核　Ｏｆ￣ＰＲＯＦＩＢＵＳ一　台直流拖动电机，要求同步协调运转，多电机同　ＤＰ总线网络控制系统。整个系统完成钢板开卷、　步协调控制是制造与生产过程中重要的控制技　同步传动控制、钢板长度自动测量及剪切、产品　术，同步控制问题解决的好坏直接影响系统的可靠　输送、故障诊断等控制功能；其中，同步传动控　性、控制精度、生产效率及产品质量。因此，多　制决定整个生产线能否正常可靠运行，是重要的　电机同步协调控制一直是人们不懈研究的技术课　关键控制技术　。　题之一，具有非常重要的现实意义。　在设计该生产线控制系统时，由可编程控制　１钢板横剪生产线组成　为某钢铁企业设计的钢板横剪生产线的组成　所有设备篡　盏　毒　蒿　。其触摸屏组态软件使用ＰｒｏＴｏ０ｌ　Ｖ６．０，　粗矫机　ｌｈ　Ｉ　过度架　圆圆　盘剪ｒ　＃　］ｌ精矫机ｌ　ｈｌ　ｕ　Ｉ　＼、输ｕ导　送轮ｕ台，，／　　ｕ　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　Ｌ　图１钢板横剪生产线构成图　收稿日期：２０１３－０５－１６　作者简介：侯崇升（１９６７一），男，教授，硕士，主要从事电力电子技术和运动自动控制技术方面的教学与应用研究。　【５ｏ】　第３５卷第９期２０１３一ｏｇ（上）　务Ｉ造　匐　似　使触摸屏能够方便的实现现场工艺参数的输入、　输出以及实时监控，可对现场工艺进行有效的管　理。此外，该系统拖动电机使用了４台由德国西门　三一　子公司制造的，具有国际先进水平的６ＲＡ７０系列直　流调速器。本数控横剪生产线的控制系统组成情　～　况如图２所示。　三～　ｃｃＰＰ：ｕ　３１量∞ＰＰ精矫剪板操作台　　……～…　一　ＰＲ０哪ｕｓ　Ｐ总线　触ｌＩ触　一哪晰台　　ＥＴ２０ＯＭ　Ｅ　Ｔ２０ＯＭ　落料输送　继电器　操作台　操作台　图２钢板横剪生产线控制系统网络　伽剪台咖啦　　２同步传动系统　钢板横剪生产线中，粗矫机、圆盘剪和精矫　机由三组四台直流电动机共同拖动同一块钢板，　生产工艺要求ＶＩ＝Ｖ２＝Ｖ３，原理如图３所示。因此　要求四台电机必须是在线速度同步条件下运行，　又因为粗矫机、圆盘剪和精矫机三组系统与钢板　接触的辊径不一样、而要求的力矩也不一样，所　以各组的转速比和电动机容量都不一样，对实现　同步运行的技术水平和控制要求比较高。　悃ｔ钢板　　钢板线速度Ｗ　Ｊ　ｒ酋　Ｉ　Ｓ７　３审００　ｌ　Ｉｉ　　ｌ钢板线速度ｖ２Ｉ　恼　剪板机　图３同步控制系统结构图　３多电机同步传动控制策略　一般说来，同步传动协调关系是各受控量应　满足的某种线性或非线性函数关系：　１，　２，…，Ｙ　：Ｃ　常见的是比例关系：　】Ｙ】＝　２Ｙ２＝…：　当比例系数　＝１时，即为最简单的同步关　系　。　在常规的多电机同步传动中，各电机的速度　调节器一般都采用比例积分（ＰＩ）调节器。这种调节　器具有结构简单，可靠性强，抗扰性好，稳态精　度高等优点。但采用ＰＩ调节器的双闭环调速系统　必然有超调现象发生Ｉ　。文献【３】中提出了一种在　速度调节器上引入转速微分负反馈的方法，它可　以抑制甚至消除转速超调，降低由负载扰动引起　的动态速降，但过强的微分负反馈会使系统的响　应变缓。　为解决这一问题，将参数自适应模糊ＰＩＤ控制　方法用于多电机同步传动系统。模糊控制方法的　优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而　是根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该　表决定控制量的大小。这种混合型模糊ＰＩＤ控制　器综合了Ｆｕｚｚｙ控制与ＰＩＤ控制的优点　】。而参数　自适应模糊控制器，或称比例因子自整定模糊控　制器，较之常规的固定因子的模糊控制方法，对　环境有较强的适应能力，在随机环境中能对控制　器进行自动校正，能在控制对象变化或存在扰动　的情况下，使控制系统保持良好的性能。因此，　多电机同步传动系统引入参数自适应模糊ＰＩＤ控制　器，可在保证系统具有优良的同步性能的同时，　成功地消除转速超调，使系统获得更好的动态及　静态性能。　本钢板横剪生产线同步传动系统，同一给定　方案中各电机采用同一电压给定，每台电机采用　转速、电流双闭环调速控制策略，如图３所示，电　流环采用传统ＰＩ调节器，用工程设计法设计，而　转速环采用自适应模糊ＰＩＤ控制。　３．１转速外环自适应模糊ＰＩＤ控制器设计　调速系统的转速外环采用自适应模糊ＰＩＤ控制　器，其结构如图４所示。在设计中将直流电动机转　速的给定值和实际值的偏差ｅ以及偏差的变化率（偏　差ｅ的微分）ｅｃ作为模糊控制器的输入量　，ＰＩＤ控　制器的３个参数Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ作为输出，利用模糊　控制规则在线对ＰＩＤ参数进行修改。　图４自适应模糊ＰＩＤ控制器结构图　第３５卷第９期２０１３—０９（上）　［５１１　Ｉ　訇　地　图５给出了其在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的仿真　模型。　Ｐｍｄｕｅｔ３　图５　自适应模糊ＰＩＤ控制器Ｍａｔｌａｂ仿真模型　３．２输入输出变量的选取和量化　转速外环中采用的自适应模糊ＰＩＤ控制器是二　输入三输出的形式，ｅ和ｅｃ为输入，Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ　为输出；设定输人变量ｅ和ｅｃ语言值的模糊子集为　｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，　并简记为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｏ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ），　将误差ｅ和误差变化率ｅｃ量化到（０，１０）的区域　内Ｈ】。同样，设计输出量Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ的模糊子集　｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｏ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢｌ，并将其分别　量化到区域（０，５）、　（０，３）、　（０，３）内。　输入输出变量的隶属函数曲线如图６和图７所示。　图６输入ｅ和ｅｃ隶属函数曲线　（ａ）输出Ｋｐ隶属函数曲线　Ｃｏ）输出Ｋｉ、Ｋｄ隶属函数曲线　图７输出变量的隶属函数曲线　３．３模糊控制规则库设计及解模糊　通过总结工程实际操作经验，针对不同的速　度误差ｅ和速度误差变化率ｅｃ总结出Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ　的整定原则：当ｅ较大时，为了使系统具有较好的　跟随性能，应取较大的Ｋｄ和较小的Ｋｐ，同时为了　【５２】　第３５卷第９期２０１３—０Ｏ（上）　避免系统响应出现较大的超调，应该取Ｋｉ＝０；当　ｅ和ｅｃ适中时，为使系统具有较小的超调，Ｋｐ应　该取得小些，在这种情况下，Ｋｄ的取值也应该小　些，Ｋｉ取值应该适中。当ｅ较小时，为使系统有　较好的稳定性能Ｋｐ和Ｋ　ｉ应该取得大些，同时为　避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统抗　干扰性性能，当ｅｃ较大时Ｋｄ应该取得小些；当ｅｃ　较小时，Ｋｄ应该取大些　。模糊推理与解模糊选　用Ｍａｍｄａｎｉ推理法，对于控制规￣１］ＩＦ　Ｅｉ　ＡＮＤ　ＥＣｉ　ＴＨＥＮ　Ｋｉ　ｉｓ　Ｕｉ（ｉ．１，２，…，４９）其模糊蕴含采用最　小值法。可建立模糊控制规则表如表ｌ所示。　表Ｉ　Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ模糊规则表　ＮＭ　ＮＳ　Ｏ　ＰＳ　ＰＭ　ＰＢ　ＰＢＩＯ／ＰＢ　ＰＢＩＰＢ／ＰＭ　ＰＢＩＰＳ『ＰＳ　ＰＢ　Ｓ　Ｓ　ＰＭ『ＰＭ，Ｏ　ＰＭ　Ｓ，ＰＭ　ＰＳ／Ｏ／ＰＢ　ＰＢ／Ｏ／ＰＳ　ＰＢ／ＰＭ／ＰＭ　ＰＢ／ＰＭ／ＰＳ　ＰＭ／ＰＭ／ＰＳ　ＰＭ／ＰＳ／０　ＰＳ，ＰＳ，ＰＳ　Ｏ／Ｏ　Ｓ　Ｐ　ｌｏ　ｓＰＭｌＰＳＩＮＭ　ＰＭ／ＰＭ／ＮＳ　ＰＳ／ＰＳ／Ｏ（９／ｏＩｏ　ｏ｜ｏ｜ＰＳ　ｏ１０｝Ｐｓ　ＰＳ／Ｏ／ＰＭ　ＰＳ／（３／ＮＭ　Ｏ／Ｐｓ，ＮＳ　Ｄ／０『０　０／ＮＳ，ＮＭ　Ｎ　Ｓ　ＮＳ／（３／ＰＭ　０　ＮＭ　０ｆＯ　Ｍ　ｏ，０ＪＯ　Ｎ　Ｍｆｏ　ＮＳ『ＮＭ『ＰＳ　ＮＭ『ｏｆＰＭ　ＮＭ　ＰＭ　Ｏ，ＮＳ　Ｏ『ＮＳ／ＮＳ　ＮＳ／ＮＳ，ＰＳ　ＮＳ，ＮＭ，ＰＳ　ＮＭ，ＮＭ／ＰＳ　Ｎ　ＮＭＩＰＭ　ＮＢ船／ＰＳ　０／０『ＮＳ　Ｏ／ＮＳ／Ｏ　ＮＳ／ＮＭ，ＰＳ　ＮＭ，ＮＢ，ＰＳ　ＮＢ／ＮＢ／ＰＭ　Ｎ　ＮＢ／ＰＢ　ＮＢ『ｏ，ＰＢ　利用重心平均值法解模糊得到三个参数的清　晰值。ＰＩＤ控制器的参数调节根据式（１）进行：　Ｋｐ＝ＡＫｐ＋Ｋｐ０　Ｋｉ＝ＡＫｉ－４－ＫｉＯ　（１、　Ｋｄ＝ＡＫｄ＋Ｋｄ０　式中Ｋｐ０，Ｋｉ０，Ｋｄ０为控制器参数的初始值，　ＡＫｐ、ＡＫｉ、ＡＫｄ为自适应模糊ＰＩＤ控制器输出。　４系统仿真分析　４．１仿真模型建立　综合以上分析，利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中　丰富的模块库可以建立电流内环ＰＩ控制、转速外　环基于自适应模糊ＰＩＤ控制的双闭环直流调速系　统的仿真模型（如图８所示）。系统的被控对象是　晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置　选用三相桥式电路。选取粗矫９０ＫＷ直流拖动电　机为分析对象，额定电压Ｕ　＝４００Ｖ，额定电枢电　流ＩＮ＝２２７Ａ，额定转速ｌｌＮ＝１４６０ｒ／ｍｉｎ，转速反馈系　数Ⅱ＝０．００７３Ｖｍｉｎ／ｒ，电流反馈系数Ｂ：０．０２２Ｖ／　Ａ；自适应模糊ＰＩＤ控制器的参数：Ｇａｉｎ３＝０．２，　Ｇａｉｎ５＝２．１，Ｋｐ＝４，Ｋｉ＝０．５，Ｋｄ＝０．２。　４．２仿真结果分析　电动机带负载起动，在０．５ｓ时加一负载扰动，　仿真结果如图９所示。仿真结果表明，系统起动过　程迅速，转速无超调，稳态运行平稳；当系统受　到负载扰动时，采用自适应模糊ＰＩＤ控制的同步调　图８　自适应模糊ＰＩＤ控制的双闭环直流调速系统的仿真模型　速系统具有理想的抗扰性能和动态性能，且扰动　制器，针对直流电动机同步传动控制系统进行了　消除后，能快速恢复到平衡状态，稳态无静差。　仿真研究。在仿真分析的基础上，经实际调试，　转速ｎ（ｒ／ｒａｉｎ）　同步控制方案中，各电机采用同一电压给定，每　１５Ｏ０　台电机采用转速、电流双闭环调速控制技术，转　速环采用自适应模糊ＰＩＤ控制的直流电动机同步传　１０ＯＯ　５００　／　动系统的动态性能、稳态性能、同步性能及抗扰　Ｏ　／　性能均十分优越，且设计方法简单，容易实现。　参考文献：　电流ｉ（ｒ／ｒａｉｎ）　【１】侯崇升．ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ总线实现的横剪生产线控制系　４０Ｏ　｛　ｆ　统【Ｄ】．济南：山东大学，２００４．　【２］刘福才，张学莲，刘立伟．多级电机传动系统同步控制理论　２Ｏ０　～　一　．，　与应用研究［Ｊ］．控制工程，２００２，９（４）：８７—８９．　Ｏ　【３】阮毅．电力拖动自动控制系［Ｍ】．北京：机械工业出版　０　Ｏ．２　０．４　０．６　Ｏ．８　社，２０１０：５９—９４．　时间ｔ（ｓ）　［４】高晓丁，左贺，任高阳，等．基于智能ＰＩ控制的多电机同步　传动系统［Ｊ］．电气传动，２００７，３７（１１）：３９—４１．　图９系统转速、电流仿真曲线　［５】王立新．模糊系统与模糊控制教程【Ｍ】．王迎军，译．北京：　５　结束语　清华大学出版社，２００３：８７—１２６．　［６］欧卫斌．直流双闭环调速系统及其模糊控制的仿真【Ｊ】．工　本文的技术创新点在于采用自适应模糊ＰＩＤ控　矿自动化，２０１０，３：５７—６０．　第３５卷第９期２０１３—０Ｏ（上）　【５３】