張 佳，湯建暉（中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

基于模糊控制的步進(jìn)梁速度控制系統(tǒng)

張 佳，湯建暉
（中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

步進(jìn)梁是加熱爐中的重要設(shè)備，步進(jìn)梁的速度須精準(zhǔn)控制，否則易對(duì)步進(jìn)梁造成很大的慣性沖擊。由于步進(jìn)梁系統(tǒng)是典型的非線性和時(shí)變性系統(tǒng)，且當(dāng)步進(jìn)梁托起鋼坯時(shí)速度會(huì)大幅度下降，嚴(yán)重影響步進(jìn)梁的速度，鑒于此建立了步進(jìn)梁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，提出了模糊PID的控制策略，理論上能夠較好地滿足控制要求。仿真結(jié)果表明，所提出的控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾、響應(yīng)快等特點(diǎn)。

步進(jìn)梁；速度控制；模糊PID控制

0 引言

步進(jìn)梁是步進(jìn)式加熱爐的核心設(shè)備，鋼坯的移動(dòng)是通過步進(jìn)梁的靜梁和動(dòng)梁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，步進(jìn)梁的動(dòng)梁作上升、前進(jìn)、下降、后退等動(dòng)作將鋼坯送入加熱爐加熱。步進(jìn)梁的結(jié)構(gòu)如圖1所示。步進(jìn)梁的速度給定須精確控制，以減少其運(yùn)動(dòng)慣性和沖擊，減少對(duì)步進(jìn)梁系統(tǒng)的損壞，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)的起始階段和終止階段，步進(jìn)梁分別作加速運(yùn)動(dòng)和減速運(yùn)動(dòng)。在上升和下降的中間階段，由于步進(jìn)梁接近鋼坯，步進(jìn)梁進(jìn)行一次中間減速－勻速－加速運(yùn)行過程，以減少負(fù)荷對(duì)步進(jìn)梁的沖擊，達(dá)到鋼坯在爐內(nèi)“輕托、輕放”的目的。步進(jìn)梁速度位移示意圖如圖2所示。步進(jìn)梁的動(dòng)力是由電液比例方向閥和液壓缸組成的液壓系統(tǒng)提供，通過電液比例方向閥控制流量以驅(qū)動(dòng)液壓缸的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。

圖2 步進(jìn)梁速度位移示意圖

在工程實(shí)踐中，步進(jìn)梁的控制多采用開環(huán)控制，控制效果差［1-3］，控制精度并不能滿足要求。鑒于本文的控制對(duì)象是一個(gè)典型的非線性、時(shí)變、強(qiáng)干擾系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則校正的模糊PID控制器，該控制器可使系統(tǒng)有更快地響應(yīng)且有一定的抗干擾能力。

1 閥控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)建模

步進(jìn)梁系統(tǒng)由電液比例方向閥、液壓缸和步進(jìn)梁組成。當(dāng)液壓缸活塞外伸時(shí)完成鋼坯上升和前進(jìn)動(dòng)作；當(dāng)液壓缸活塞內(nèi)縮時(shí)完成鋼坯下降和后退動(dòng)作。本文以步進(jìn)梁上升動(dòng)作為例來說明。步進(jìn)梁系統(tǒng)控制原理圖如圖3所示。

圖3 步進(jìn)梁系統(tǒng)控制原理圖

電液比例方向閥閥芯位移 Xv（s）與控制信號(hào) U（s）之間的傳遞函數(shù)為［2，4-5］：

液壓缸的活塞位移 Y（s）與閥芯位移 Xv（s）之間的傳遞函數(shù)為：

活塞位移 Y（s）與負(fù)載 FL（s）之間的傳遞函數(shù)為：

當(dāng)步進(jìn)梁滿負(fù)荷工作時(shí)鋼坯重達(dá)450t，為減經(jīng)作用在液壓缸活塞桿上的力，故采用雙輪斜軌式步進(jìn)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

則可得液壓缸的位移 y（m）與鋼坯的位移 ys（m）滿足如下關(guān)系式：

圖4 斜軌式步進(jìn)機(jī)構(gòu)示意圖

本文以山東某鋼廠為研究對(duì)象，根據(jù)測得的相關(guān)參數(shù)［2］，可得如下傳遞函數(shù)的表達(dá)式：

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

自整定模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自整定模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)

它以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，以PID控制器的參數(shù)kp、ki、kd作為輸出。它利用模糊理論對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正，校正算法如下：kp=kp′+Δkp，ki=ki′+Δki，kd=kd′+Δkd， 其中kp′、ki′、kd′是預(yù)先調(diào)定的量，Δkp、Δki、Δkd為模糊控制器的輸出，kp、ki、kd為PID控制器的輸出［6］。

定義偏差e、偏差變化率ec及kp、ki、kd的論域均為｛-6，6｝；其模糊子集｛PB，PM，PS，ZR，NS，NM，NB｝，子集中的元素分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。為了計(jì)算機(jī)處理和實(shí)現(xiàn)上的方便，輸入偏差、輸入變化率|EC|和輸出的隸屬度函數(shù)均采用線性函數(shù)［7］。

該模糊控制器的控制規(guī)則采用“IF A AND THAN C”的形式建立。根據(jù)自整定模糊PID控制的設(shè)計(jì)思想可得 kp、ki、kd的模糊控制規(guī)則如表1所示［8］。

3 系統(tǒng)仿真分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)的性能，采用MATLAB/Simulink中的軟件包和模糊邏輯工具箱FIS來模擬該控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境。其中模糊控制器的參數(shù)ke=0.2、kec=1、Δkp=1、Δki=4.5、Δkd=0.2；PID的初值為kp′=16、ki′=30、kd′=0.5。速度給定曲線如圖6所示。

表1 kp、ki和kd的模糊規(guī)則表

圖6 速度給定曲線

常規(guī)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖7所示，在第7秒時(shí)由于托起重達(dá)450t的鋼坯，速度有較大的下降，故考慮采用模糊自整定PID控制。自整定模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)如圖8所示，由圖可以看出速度下降明顯減少且響應(yīng)明顯加快。

4 結(jié)論

步進(jìn)梁是步進(jìn)式加熱爐中的重要設(shè)備，步進(jìn)梁的速度須精確控制，當(dāng)步進(jìn)梁上升托起鋼坯時(shí)由于鋼坯的大重量使得其速度會(huì)大幅度下降，考慮到步進(jìn)梁系統(tǒng)是非線性和時(shí)變系統(tǒng)，故本文分別用PID控制器和自整定模糊PID控制器對(duì)步進(jìn)梁系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制器相比，模糊PID控制器具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，基本上達(dá)到了對(duì)步進(jìn)梁系統(tǒng)快速、平穩(wěn)控制的要求，很好地緩解了設(shè)備沖擊，另外也為該控制方法在其他場合上的應(yīng)用提供了參考。

圖7 常規(guī)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

圖8 自整定模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

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圖5 鉆具姿態(tài)數(shù)據(jù)圖

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（收稿日期：2015-04-30）

作者簡介：

賈衡天（1979-），男，碩士，主要研究方向：井下控制工程。

Walking beam speed control system based on fuzzy control

Zhang Jia，Tang Jianhui
（AVIC Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China）

Walking beam is an important equipment in furnace.The speed of the walking beam should be precisely controlled，otherwise it easily causes a great inertial impact on the walking beam.Walking beam system is a typical nonlinear and time-varying system，and when the walking beam billet holds billet，the speed of the walking beam will be a significant decline，seriously affecting the control accuracy of the walking beam.For this，the paper establishes the transfer function of the walking beam system，and puts forward a fuzzy PID control strategy which can better meet the control requirements in theory.Simulation results show that the proposed control algorithm has the characteristics of a simple structure，interference and fast response.

walking beam；speed control；fuzzy PID control

TP273

A

1674-7720（2015）18-0005-03

張佳，湯建暉．基于模糊控制的步進(jìn)梁速度控制系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（18）：5-7，13.

2015-0-0）

張佳（1988-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向：電氣控制與測試。

湯建暉（1967-），女，本科，研究員，主要研究方向：電氣控制與測試。