田 海 王曉紅 耿軍令

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古014010；2.包頭鋼鐵(集團)公司，內(nèi)蒙古014010)

Fuzzy-PI控制器在100m鋼軌同步吊運系統(tǒng)上的應(yīng)用

田 海1王曉紅1耿軍令2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古014010；2.包頭鋼鐵(集團)公司，內(nèi)蒙古014010)

針對“并車”吊運100 m鋼軌時，要求兩車的各運行機構(gòu)嚴(yán)格同步，提出了一種基于PLC的復(fù)合模糊PID控制算法。其中模糊控制器和PI調(diào)節(jié)器都是通過PLC編程來實現(xiàn)，這樣既保留了PLC控制系統(tǒng)靈活、可靠、抗干擾能力強的特點，同時增強了控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和智能化程度。實踐結(jié)果表明：該系統(tǒng)同步控制精度高、適應(yīng)性好、抗干擾能力強、魯棒性好。

控制網(wǎng)絡(luò)；模糊控制；PID；PLC；同步控制

隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，對100 m高速鋼軌的需求越來越大，而100 m鋼軌的吊運也越來越重要。對于這些超長工件的吊裝，現(xiàn)有的單車無法進行起吊工作，需要兩臺吊車并車同步吊運。這就要求開發(fā)和研制出安全性好、動態(tài)響應(yīng)快和同步控制精度高的百米鋼軌雙起重機。軌梁廠內(nèi)軋制的成品100 m鋼軌通過滾道運輸?shù)?00 m鋼軌生產(chǎn)線末端臺架上，由于軌鋼太長，需要兩臺磁盤吊車(起重機)聯(lián)合并車完成吊裝和運輸?shù)娜蝿?wù)。在“并車”運行時，兩臺吊車配合操作將成組重軌從臺架上吊運到成品庫進行堆垛存放，或由成品庫吊運到火車上，在吊運成熟的條件下，也可直接從鋼軌生產(chǎn)線臺架上進行裝車。在堆垛和裝車的吊運過程中，為了避免100 m鋼軌損傷、變形和掉鋼事故的發(fā)生，要求兩臺磁盤吊車的大車機構(gòu)、小車機構(gòu)，起升機構(gòu)必須嚴(yán)格同步運行，同時還要保證“并車”系統(tǒng)要有較高的作業(yè)效率、操作精度和快速實時的動態(tài)響應(yīng)。這些都對兩臺磁盤吊車“并車”的電氣控制系統(tǒng)、控制方式及軟件設(shè)計提出了較高的要求。

1 并車同步控制系統(tǒng)的組成

1.1并車電氣傳動系統(tǒng)

兩臺橋式起重機的并車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2并車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)

在起重機并車電控系統(tǒng)中，采用PROFIBUS現(xiàn)場總線連接西門子S7系列PLC控制系統(tǒng)，用PROFIBUS總線系統(tǒng)將兩CPU以及CPU和各自I/O、變頻器，激光測距儀，編碼器等從站連接在一起，實現(xiàn)對并車相關(guān)設(shè)備的控制。同時，考慮到兩橋式起重機既可單車運行，又可并車運行，且操縱方式完全相同，故兩車控制系統(tǒng)之間的通信采用無線通信。兩車的通信協(xié)議選取FDL(Field bus Data Link)PROFIBUS通訊方式，它是一種非常方便的PLC-PLC之間的數(shù)據(jù)通訊方式，支持SDA(Send Data with Acknowledge)數(shù)據(jù)發(fā)送應(yīng)答功能，從而保證聯(lián)動信號的有效傳遞。PROFIBUS-FDL通訊方式具有速率快、傳送距離長的特點，在數(shù)據(jù)傳輸速率最大為12M位/s情況，單段總線長度可達到100m，完全滿足兩套電控系統(tǒng)間總線長度的工況要求。由PROFIBUS(FDL規(guī)范)總線連接起來的兩套控制系統(tǒng)處于平等地位，沒有主從關(guān)系，即采用的是主站與主站之間的通信方式。其并車PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)如圖2所示。

1—可編程控制器(PLC)型號CPU315系列模塊 2—無線數(shù)傳電臺模塊 3—大車運行軌道 4—大車變頻器 5—小車變頻器 6—起升1#變頻器 7—起升2#變頻器 8—司機室遠程輸入模塊(遠程I/O)，型號IM351模塊 9—起升1#編碼器 10—起升2#編碼器 11—小車激光測距儀 12—大車激光測距儀 13—起升激光測距儀

圖2 橋式起重機并車PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Figure 2 PROFIBUS network system for bridge cranes parallel operation

兩橋機的SIMATIC300(1)主站、SIMATIC300(2)主站通過CP342-5通訊處理器接口連接無線數(shù)傳電臺連接成FDL網(wǎng)。操作橋機時需要選擇好每臺橋機操作臺上的“聯(lián)動/單動”及“主動/從動”方式選擇開關(guān)。在兩臺橋機并車“單動”方式下，可單獨在每臺橋機各自的操作臺上控制本臺橋機，此方式僅在并車運行前調(diào)整兩臺橋機小車與起升機構(gòu)的相對零位時使用。而在兩臺橋機并車“聯(lián)動”方式下，每臺橋機均能充當(dāng)主動橋機，但兩臺橋機中只能一臺作為主動橋機，一臺作為從動橋機，在此方式下可在主動橋機的操作臺上同時成組控制兩臺橋機各機構(gòu)的起停運行。兩橋機并車聯(lián)動運行時，在主動橋機上的控制操作指令數(shù)據(jù)除在本橋機的PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)傳送外，還要通過主動橋機的SIMATIC300主站由FDL網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給從動橋機的SIMATIC300主站，再由從動橋機的SIMATIC300主站進行處理后通過從動橋機的PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)將控制操作指令數(shù)據(jù)傳送給從動橋機的各個從站，使從動橋機的各運行機構(gòu)按主動橋機的同一指令起停運行。同時從動橋機的SIMATIC300主站將從動橋機主起升的起升高度、速度與小車運行速度數(shù)據(jù)通過FDL網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給主動橋機的SIMATIC300主站，與主動橋機的主起升的起升高度、速度與小車運行速度比較進行Fuzzy-PID調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)主動橋機與從動橋機的大車、小車與主起升機構(gòu)同步運行。

1.3并車通信方式的選取

對于100m鋼軌這樣超長工件的吊裝，由于2臺起重機橋架距離較大(達35m)無法進行2臺起重機的剛性連接，也很難進行通訊電纜的鋪設(shè)，無法實施短距離的并車系統(tǒng)，只能采用遠程無線并車控制系統(tǒng)來控制2臺起重機的并車運行。

無線通訊方案的選?。?1)無線profibus從站方案：成本較高，可選擇種類少，使用時需要硬件組態(tài)，它在有線網(wǎng)絡(luò)中與本地網(wǎng)絡(luò)之間的速率可達12Mbit/s，不影響本地網(wǎng)絡(luò)的通訊，但無線從站之間的空中速率僅為2400bit/s，故無法滿足并車同步數(shù)據(jù)傳輸控制的要求。(2)無線工業(yè)以太網(wǎng)方案：無線工業(yè)以太網(wǎng)采用類似移動通訊的手段，在一定距離內(nèi)建立多個基站，形成小范圍無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，具有通訊速率高(可達10Mbit/s)的優(yōu)點，需要硬件組態(tài)，若大車運行距離較遠就需多個基站傳遞數(shù)據(jù)，技術(shù)上可滿足要求。但其成本高、技術(shù)復(fù)雜、不易維護，故不采用。(3)無線數(shù)傳電臺方案：成本低、建立迅速，可選擇種類很多。其通訊速率也滿足設(shè)備同步運行時所需大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑫r方便地面監(jiān)控站的建立。在并車控制系統(tǒng)中，接口采用無線數(shù)傳電臺進行起重機間的高速網(wǎng)絡(luò)連接，該方案可以完全滿足控制要求。

2 并車同步系統(tǒng)的控制策略

在吊運100m鋼軌并車同步控制系統(tǒng)中，核心為大車、小車、起升機構(gòu)的同步。由于系統(tǒng)的控制機構(gòu)比較復(fù)雜，控制的精度要求比較高，這對系統(tǒng)的安全性和可靠性提出了比較高的要求。對于單純采用PID閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制的PLC“并車”系統(tǒng)，在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)啟制動和換檔的加減速過程中，兩臺車的同步性較差，控制的超調(diào)量大，調(diào)節(jié)的時間長，控制的效果不理想。為了進一步提高“并車”系統(tǒng)各機構(gòu)的同步運行的動態(tài)響應(yīng)和控制精度，閉環(huán)控制器采用了FUZZY-PI控制器。通常的二維模糊控制器具有良好的動態(tài)性能、魯棒性強、對參數(shù)變化及外界干擾具有良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點，但缺點是穩(wěn)態(tài)誤差無法消除，在工作點附近容易產(chǎn)生極限振蕩。由線性控制理論可知，積分控制的作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)響應(yīng)慢。因此將PI控制策略引入FUZZY控制器，構(gòu)成FUZZY-PI復(fù)合控制方式。其主要控制策略是：兩車相應(yīng)機構(gòu)位移偏差(設(shè)定一個閥值)較大時采用模糊控制，進行大范圍的調(diào)節(jié)，以加快響應(yīng)速度；位移偏差較小，進入穩(wěn)態(tài)過程時，由PLC根據(jù)程序判斷切換到PI控制器，消除靜差，提高控制的精度。同時，兩種控制方法的結(jié)構(gòu)都相對簡單。因此從工程應(yīng)用的角度分析，F(xiàn)UZZY-PI控制器復(fù)合應(yīng)用的方法具有良好的實用性。控制切換時機由PLC程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。

并車同步FUZZY-PI控制系統(tǒng)如圖3所示。圖中PI為常規(guī)比例積分調(diào)節(jié)器，F(xiàn)UZZY為模糊控制器，二者由控制算法切換開關(guān)轉(zhuǎn)換。PI調(diào)節(jié)器和模糊控制器均通過PLC編程來實現(xiàn)，這樣可明顯的提高系統(tǒng)的可靠性，獲得良好的控制效果。

圖3 FUZZY-PI復(fù)合控制系統(tǒng)原理圖Figure 3 Schematic diagram of FUZZY-PI compound control system

該“并車”同步系統(tǒng)的各機構(gòu)的位移同步控制均以主動車相應(yīng)機構(gòu)的位置作為跟隨目標(biāo)，采取主、從控制的閉環(huán)跟隨方式。主、從機構(gòu)在某個檔位速度下“并車”運行時，該檔位對應(yīng)的固定頻率已經(jīng)以主給定的方式同時加到主、從機構(gòu)的兩臺變頻器上；相應(yīng)的FUZZY-PI控制器構(gòu)造于主動車的PLC系統(tǒng)內(nèi)，通過PI調(diào)節(jié)器或模糊控制器輸出的轉(zhuǎn)速補償量以附加給定的方式加到從動機構(gòu)的變頻器上，對其速度進行調(diào)整來達到主、從機構(gòu)位移同步的效果，速度調(diào)節(jié)為基本控制方式，位移同步控制通過速度調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。

對于主起升機構(gòu)，由于吊具的兩個吊點相距較遠，每臺橋式起重機有兩套獨立的起升機構(gòu)，在對“并車”系統(tǒng)的主起升機構(gòu)進行位移同步控制時，以主動車(可以通過地面監(jiān)控站任選)上的一個起升機構(gòu)位移作為跟隨目標(biāo)，其它三個起升機構(gòu)作為從動機構(gòu)要通過各自的FUZZY-PI控制器的輸出值施加轉(zhuǎn)速補償量進行位置同步跟隨。大車機構(gòu)和小車機構(gòu)的同步控制與主起升機構(gòu)的控制原理相同，但大車機構(gòu)的同步位移效果是保持大車的間距為30m。

3 并車FUZZY-PI控制器的PLC構(gòu)造方法

3.1并車同步PLC模糊控制器的設(shè)計

圖4為PLC模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖。圖中e為偏差，是指主車與從車給定值與實際值的差值，主車起升與從車起升的給定誤差值與實際誤差值的差值，主車小車與從車小車給定誤差值與實際誤差值的差值。ec為偏差的變化率；r為輸入量；y為輸出量；Ke、Kec分別為偏差和偏差的變化率的量化因子；Ku為輸出量化；E、ΔE為量化后的輸入值；U為模糊控制的輸出量；u為控制量。

根據(jù)控制的目標(biāo)及經(jīng)驗，設(shè)定E、ΔE、U的模糊論域及模糊詞集，并可得出如下控制規(guī)則：IFEisxANDΔEisyTHENUisz。式中，x、y、z分別為、輸入、輸出量模糊詞集中的元素。將輸入、輸出模糊控制論域都量化設(shè)定為7檔：{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，且令它們的模糊詞集同為{NB,NM,NS,0，PS,PM,PB}，隸屬度函數(shù)取三角形隸屬函數(shù)，通過隸屬函數(shù)可方便地求得輸入語言的賦值表。利用輸入語言的變量的賦值及模糊控制規(guī)則，通過合成推理，可得一個模糊控制查詢表，見表1。

圖4 PLC模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Structure chart of PLC ambiguous controller

表1 模糊控制查詢表

3.2 并車同步FUZZY-PI控制算法的PLC實現(xiàn)

在FUZZY-PI控制器的設(shè)計上，是不需要增加另外的硬件和軟件開銷。PI調(diào)節(jié)器和模糊控制器均是通過安裝在主控車上的PLC系統(tǒng)來實現(xiàn)，這樣可以明顯的提高系統(tǒng)的可靠性，同時節(jié)約開發(fā)成本。在控制系統(tǒng)中，我們選用了西門子公司的S7-300型PLC，CPU315-2DP內(nèi)集成有多個PID模塊(軟件構(gòu)成的PID控制器)，可以通過PID編程向?qū)Щ蛑苯佣x和填寫PID控制回路參數(shù)表，就可以方便的為每個需要進行同步控制的機構(gòu)設(shè)計一個PI調(diào)節(jié)器。

為了減少PLC用于模糊控制器算法的程序量，增加系統(tǒng)的實時性，首先借助于MATLAB提供的模糊邏輯工具箱直接獲取模糊控制查詢表(模糊控制的輸出結(jié)果)。事先將該表存儲于PLC的DB數(shù)據(jù)塊內(nèi)，系統(tǒng)大偏差范圍內(nèi)進行同步控制時，PLC根據(jù)FUZZY控制器的輸入值再利用事先編好的查表子程序，直接獲得模糊控制器的輸出值。

3.3 FUZZY-PI控制器的軟件設(shè)計

并車同步模糊控制程序設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 模糊控制設(shè)計流程圖Figure 5 Flow chart of ambiguous control design

3.4 并車模糊查詢表程序設(shè)計

SIEMENS S7-300PLC的編程系統(tǒng)STEP7提供了豐富的功能模塊，為模糊控制算法的實現(xiàn)提供了方便。為了簡化程序編寫量，提高程序的通用性并且方便調(diào)試，PLC程序設(shè)汁采用了模塊化編程方法。主模塊OB1實現(xiàn)對子程序塊的調(diào)用和數(shù)據(jù)的傳遞，0B35為中斷服務(wù)程序模塊。FBl模塊為模糊控制器，完成整個模糊控制功能。它由FCl～FC4 4個子程序塊組成。其中FCl完成大車位移偏差、小車位移偏差、起升位移偏差e和偏差的變化率ec的計算；FC2進行模糊化處理，即完成精確量e，ec到模糊量E，EC的轉(zhuǎn)換；FC3完成控制量表的查詢功能；FC4完成模糊控制量U到精確量u的轉(zhuǎn)化，并輸出u。FBl依次調(diào)用4個子模塊完成模糊控制各部分的功能，并實現(xiàn)他們之間的數(shù)據(jù)傳遞。FBl模糊控制器編制完成后，保存在STEP7標(biāo)準(zhǔn)庫中，其具有很強的靈活性和通用性，如同STFP7中PID控制器(FB41)一樣，方便調(diào)用。針對不同的被控變量，只要對FBl輸入輸出端進行正確的組態(tài)即可對變量進行模糊控制。數(shù)據(jù)塊DB2作為FBl的背景數(shù)據(jù)塊，存儲量化因子Ke、Kec、Ku及其他參數(shù)。

整個程序設(shè)計的關(guān)鍵是模糊控制量表的查詢部分，即FC3子程序塊。在編程之前，將MATLAB模糊邏輯工具箱直接獲取模糊控制查詢表中U的值按由上到下，由左到右的順序依次置入數(shù)據(jù)塊DBl中。數(shù)據(jù)類型為WORD型，首地址為DBW0，依次為DBW2、DBW4、…、DBW96(U的個數(shù)是7×7)。采用指針尋址的查表方法。為了簡化設(shè)計，將輸入模糊論域的元素[-3，-2，-1，0，+1，+2，+3]轉(zhuǎn)化為[0，…，7]?？刂屏康幕窞?，偏移地址為2×(7×EC+E)，由EC和E可以確定控制量的絕對地址為0+2×(7×EC+E)。通過指針變量獲得地址中存儲的U的模糊值。然后再通過解模糊運算得出精確控制量u，通過模擬通道輸出，從而控制執(zhí)行機構(gòu)輸出。

以下給出主要程序部分示例：

FC3子程序：實現(xiàn)模糊控制量表查詢功能

L MW56 //利用指針尋址//

L L#7

*D

L MW 58

+D //存放控制量的絕對地址//

SLD 1

T LD 0

L DBW [LD 0]

T MW 110 //將控制量U的值存入MW 110//

最后由FC4功能塊實現(xiàn)控制量U從模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換，即U乘以量化因子Ku再經(jīng)過限幅，將最終計算結(jié)果送到相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)吊車各機構(gòu)同步吊運100 m重軌。

4 結(jié)束語

本文以橋式起重機的大車、小車、起升機構(gòu)的同步問題為研究對象，并搭建了主從式同步控制系統(tǒng)，采用基于模糊PID的同步控制算法來實現(xiàn)對兩吊車同步運行系統(tǒng)進行研究。該系統(tǒng)既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點。

由實驗仿真表明，與常規(guī)PID同步控制算法相比，采用模糊PID同步控制算法的系統(tǒng)同步性能更好，速度響應(yīng)能力和魯棒性能也都得到了顯著的提高，能夠較好地滿足被控對象高精度的要求。完全滿足設(shè)計和實際使用要求。

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Application of Fuzzy-PI Controller into 100 m Steel Rail Synchronous Hoisting System

TianHai,WangHong,GengJunling

When 100 m steel rail is hoisted by parallel operation, various operational mechanisms of two cars should be synchronous strictly and compound ambiguous PID control algorithm based on PLC has been provided. Ambiguous controller and PI adjuster are conducted by PLC programming, which can reserve the flexible, reliable and strong anti-interference features and enhance the dynamic response speed and intelligence degree of control system. The practice result shows the system synchronous control has the features of high precision, good adaptability, strong anti-interference and good robustness.

control network; ambiguous control; PID; PLC; synchronous control

TM571

A

2010—08—16

編輯 傅冬梅

中國機械工業(yè)進入月產(chǎn)萬億元的新時期有六隱憂

中國機械工業(yè)聯(lián)合會25日披露，2010年中國機械工業(yè)累計完成工業(yè)總產(chǎn)值14.38萬億元，工業(yè)銷售產(chǎn)值14.06萬億元，同比均分別增長約三成四。中國機械工業(yè)已進入了月產(chǎn)萬億元的新時期。

中國機械工業(yè)聯(lián)合會新聞發(fā)言人介紹說，自2010年3月起，中國機械工業(yè)月度產(chǎn)量已連續(xù)10個月超過1.1萬億元，其中12月達到1.48萬億元，創(chuàng)歷史新高。中國機械工業(yè)已經(jīng)進入了月產(chǎn)萬億元的新時期。

2010年中國機械工業(yè)增加值比上年增長二成一，高于全國工業(yè)平均增速5.4個百分點?！笆晃濉逼陂g年均增長二成八，占全國工業(yè)的比重由2005年的一成六提高到2010年的一成九。中國機械工業(yè)增加值的增速和比重在全國各主要工業(yè)行業(yè)中均位居榜首。

目前，中國機械工業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過美、日、德，居世界各國之首。一批重要產(chǎn)品，如發(fā)電設(shè)備、輸變電設(shè)備、汽車、摩托車、大中型拖拉機、內(nèi)燃機等的產(chǎn)量已穩(wěn)居世界首位。

但該新聞發(fā)言人強調(diào)，中國機械工業(yè)在取得全面向好成績的同時仍存憂慮。隱憂之一是行業(yè)的自主創(chuàng)新能力薄弱，不足以支撐高端裝備的發(fā)展；隱憂之二是基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)工藝和基礎(chǔ)零部件發(fā)展滯后，不能適應(yīng)主機產(chǎn)品升級的需要；三是人民幣匯率上升過快和鼓勵進口政策的沖擊，削弱了中國機械工業(yè)的競爭力，國產(chǎn)高端裝備市場面臨被外商過度擠占的危險；隱憂之四是嚴(yán)重的重復(fù)建設(shè)激化產(chǎn)能供過于求的矛盾，惡性競爭有愈演愈烈之勢；隱憂之五是某些發(fā)達國家同行對中國快速發(fā)展疑忌之心日重，中國引進技術(shù)已越來越困難；隱憂之六是資源、環(huán)境和人工成本迅速上升，提高經(jīng)營效益的難度越來越大。

(摘自中國二重紀(jì)檢監(jiān)察網(wǎng)2011-02-28)