（机械电子工程专业论文）轧机机前推床同步控制系统研究.pdf

i l l l l l llj rfi i l lrr l li i i jf i jl y 17 3 9 3 3 0 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除厂文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论丈不包含任f i 叮其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位沦文与资料若有小实之处，本人承担切相关责任。 ，7 r 4 叠 论文作者签名：笪旦暨日期：兰里! 里：生! 兰乡 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全j ，解武汉科技人学有火保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将水论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： - j 算法 姑( 尼) = 以砖( 七一1 ) + 刁分3 c 2 ( 尼) ( 5 2 7 ) 牝s 文器 端g 州3 ) ( 七) ) 2 8 ， 式中，g ( ) = g ( 石) ( 1 一g ( x ) ) 。 同样的方法可计算出b p 网络输入层到隐含层的连接权系数的学 - 3 算法 谚( 尼) = a5 2 ( k - o + , l s ：2 巧1 ( 尼) ( 5 2 9 ) 辞2 ) = ( ，z p 双尼) ) 主9 3 谤( 七) ( 5 3 0 ) 式中( ) ：堕掣。 根据以上分析可以得出基于b p 网络的p i d 控制器控制算法如下： 1 、确定b p 网络的结构，即确定输入层节点数m 和隐含层节点数q ，并给出各层加 权系数的初值，选定学 - j 速率刁和惯性系数o f ； 2 、采样得到输入与输入，计算出该时刻的误差； 3 、计算b p 网络各层神经元的输入、输出，输出层的输出即为p i d 控制器的三个可 调参数k p 、蜀、； 4 、根据式( 4 7 ) 计算p i d 控制器的输出： 5 、进行神经网络学习，在线调整加权系统，实现p i d 控制参数的自适应调整； 6 、置后= 七+ 1 ，返回至0l 。 5 3 基于b p 网络的p i d 仿真 5 3 1b p 网络结构的结构设计 b p 神经网络的设计主要包括网络输入层的神经元数目、隐含层的个数以及神经元数 目、输出层的神经元数目、隐含层和输出层的激活函数、各层之间的连接权值、学习速率 和惯性系数等【4 9 - 5 1 1 。 隐含层是神经网络的枢纽，增加隐含层可以降低误差，提高精度，但同时会造成网络 结构的复杂化，减缓网络的训练速度，增加训练时间。而对于b p 网络来说，一个隐含层 便足以逼近任何非线性函数，因此没必要增加隐含层的个数。 由于网络的输出对应于p i d 控制器的三个参数k p 、k ，、k d ，因此输出层的神经元为 3 个。输入层和隐含层的神经元取3 个和5 个。 武汉科技大学硕士学位论文第4 9 页 由5 2 节可知隐含层和输出层的激活函数分别为 隐含层 厂( x ) = t a n h ( 石) = 歹e x i e 万- x 输出层g ( x ) = 三( 1 + t a n h ( z ) ) = 寿 各层之间的连接权值的初始值的选取要综合考虑是否收敛以及网络训练时间的长短 等因素，一般取( 1 ，1 ) 之间的随机数。在m a t l a b 中，可以通过命令= r a n d ( ) 来实 现。 学习速率和惯性系数综合考虑学习速度等因素，按照取值区间取值。本文中取 r = 0 2 8 ，口= o 0 4 。 5 3 2 仿真结果和分析 网络结构确定以后，给系统施加一个输入信号，砌( f ) = s i n ( 2 ，r t ) ，得到推床位置同步控 制系统的仿真曲线，如下图所示。 1 0 8 0 6 0 4 0 2 f 与 宝0 f - 0 2 - 0 4 - 0 6 - 0 8 1 11 522 53 3 5 4 4 5 5 t i m e ( s ) 图5 6 液压缸1 正弦跟踪曲线 第5 0 页武汉科技大学硕士学位论文 口 i 图5 7 子系统i 的p m 自整定曲线 t i m e ( s l 图5 8 液压缸2 的正弦跟踪曲线 lnocc 武汉科技大学硕士学位论文第5 1 页 e j l ；l j 账 蟪 匿 图5 9 子系统的p m 自整定曲线 图5 1 0 双缸同步误差曲线 图5 6 和5 8 依次为液压缸l 和2 对输入的正弦信号的跟踪曲线，可知两缸的跟踪曲 线和输入信号的曲线吻合得比较好，证明了基于b p 网络的p i d 控制系统具有良好的跟踪 性能，逼近效果比较显著。图5 7 和5 9 依次为子系统i 和i i 的p i d 参数自整定曲线，仿 真曲线表明基于b p 神经网络的自整定p i d 控制器能根据系统的工作状态的变化自行调整 p i d 的三个关键参数k p 、k ，、k d 。图5 1 0 为液压缸1 和2 的位置同步误差曲线，由曲线 可以看出，系统引入b p 神经网络和p i d 控制后，很大程度上提高了两个液压缸的位置同 步精度，同步误差可以控制在1 5 r a m 以内。 5 4 本章小结 第5 2 页武汉科技大学硕士学位论文 p i d 控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高，适用于可建立精确数学模型的确定性系统。 神经网络具有自学习的特点，能充分逼近任意复杂的非线性系统，学习与适应不确定系统 的动态特性，具有很强的鲁棒性和容错性。将p m 控制和b p 神经网络控制联合起来组建 基于b p 网络的p i d 控制器，在线调整p i d 控制器的三个参数群、巧、如，使之达到最 优状态，从而实现对非线性时变系统的最优控制，仿真结果证明这一方法是有效的。 武汉科技大学硕士学位论文第5 3 页 第六章总结与展望 6 1 总结 钢铁工业是一个国家工业发展及其它建设的基础，关系着一个国家经济民生的命脉。 钢铁工业的发展直接反映在钢铁产品的竞争力上，要求板材等钢铁产品质量高成本低。要 达到这些要求，生产出具有市场竞争力的板材，一方面要求钢铁生产工艺要达到或具有先 进水平，另一方面还要合理地设计生产线上相应的液压系统。轧制是钢材生产过程中所必 须经历的一道工序，也是对钢材关键质量评价标准如宽度、厚度等影响最大的生产工艺。 推床是整个轧制系统中必不可少的重要组成部分，主要功用是推动板材对准轧机的轧制中 心线，同时测量板材的宽度。传统的推床液压系统采用机械结构来实现轧机两侧液压缸的 同步运动，同步精度较低，因此需要设计一个高精度的推床同步控制系统。 本文以某钢铁厂的粗轧机机前液压系统改造工程为研究内容，对其中的推床位置同步 控制系统进行了建模和仿真，进行了以下一些工作： 1 、分析了同步控制回路的组成形式和特点，研究了影响液压系统同步控制精度的各 种因素。 2 、分析了推床液压系统的工作原理以及电液比例控制的技术特点和优势，结合生产 工艺的要求，设计了合理的满足用户要求的推床同步控制系统，并采用安全阀、蓄能器组、 双液控单向阀等提高了系统的安全性和可靠性。 3 、在分析同步控制策略的基础上，利用m a t h w o r k s 公司推出的高性能数值计算软件 m a t l a b 作为建模工具，对推床位置同步控制系统进行了数学建模，得出了基于等同式控 制策略的推床液压系统的传递函数模型。 4 、采用m a t l a b 软件所包含的s i m u l i n k 对推床同步控制系统进行不完全微分p i d 仿 真，并采用试凑法对p i d 三个参数k p 、k ，、k d 进行了整定。当子系统i 的p i d 参数k p = 1 2 ， k ，= 1 5 ，= 0 1 ，子系统i i 的p i d 参数k p = l1 ，墨= 1 2 ，= 0 0 5 时，输入信号为 正弦信号，( f ) = s i n ( 2 t 1 时，两组液压缸都能对给定信号进行良好的跟踪，证明了不完全微 分p i d 控制的可行性和有效性。同步控制误差最大为3 m m 左右，相比于未加p i d 控制 时的5 m m 有了很明显的提高。 5 、利用神经网络所具有的能逼近任意复杂非线性系统的特点，将b p 神经网络和p i d 控制结合起来，构成基于b p 网络自整定的p i d 控制器，并将其引入到推床同步控制系统 中来。仿真结果证明p i d 的三个参数k p 、k ，、k d 能根据系统工作状态的变化在线地自行 调整其取值，且同步控制精度可以达到1 5 m m ，说明将神经网络与p i d 控制结合使用是 行之有效的。 6 2 展望 第5 4 页武汉科技大学硕士学位论文 同步控制一直是液压驱动领域内的一个不断研究的课题，研制出高效率、高精度的液 压同步控制系统一直是液压驱动领域的一个普遍关心和亟待攻克的问题。本文采用等同式 同步控制策略，引入不完全微分p i d 和基于b p 神经网络的p i d 控制，取得了一定的效果 但在以下一些地方还需要做进一步的深入研究： l 、本文在系统数学建模时，为了简化系统，忽略了液压系统实际存在的一些细节因 素，如液压缸和控制阀的泄露、液压缸的摩擦力。另外，由于系统采用并联结构，将双缸 之间的耦合环节给省略掉了，因此所建立的推床同步控制系统难免存在一些瑕疵。下一步 可将这些因素综合考虑，建立一个更全面且能真实反映实际的系统模型。 2 、由于时间和精力有限，本文只采用了不完全微分p d 和基于b p 神经网络的p i d 两 种控制算法，对于其他一些控制算法诸如模糊自适应p i d 控制、遗传算法自整定p i d 控制 等没有进行仿真和比较，因此得出来的结果未必是最合理的。下一步可采用其他控制算法 进行仿真研究，得出更适应系统的控制算法。 3 、本文只对并联结构的同步控制系统进行了仿真，对于串联结构或者串并联的复合 结构未做深入分析，下一步可对此做一些分析，得出更适应系统的控制方式。 4 、由于项目还处于未完工阶段，本文所得到的仿真结果还没有进行实验验证。下一 步可在生产现场采用实验的方式，验证仿真结果的正确性和系统模型的合理性。 武汉科技大学硕士学位论文第5 5 页 参考文献 1 】郭英军，李宝奎，梁启宏中厚板轧钢生产线中推床的同步控制 j 冶金自动化，2 0 0 4 ， ( 1 2 ) ： 1 2 】黄华清轧钢机械 m 1 北京：冶金工业出版社，1 9 8 0 3 】黄庆学车l 钢机械设计 m 北京：冶金工业出版社，2 0 0 7 4 】韩国惠液压机双缸同步控制系统的研究 d 沈阳：沈阳工业大学，2 0 0 4 5 】刘伟，秦伟，王蜀霞液压同步运动系统自适应学习控制策略和方法 j 】中国 机械工程，1 9 9 6 ，( 7 ) ：3 8 4 0 6 】王占林近代液压控制【m 北京：机械工业出版社，19 9 7 7 】吴忠强现代控制理论 m 北京：中国标准出版社，2 0 0 2 8 】顾树生，王建辉自动控制原理 m 】北京：冶金工业出版社，2 0 0 2 9 】任和生现代控制理论及其应用【m 】北京：电子工业出版社，1 9 9 2 【1 0 】王积伟现代控制理论与工程【m 】北京：高等教育出版社，2 0 0 3 1 1 w l b r o g a n m o d e mc o n t r o lt h e r o y m e n g l e w o o dc l i f f s ：p r e n t i c e h a l l ，1 9 8 5 12 】s i e g f r i e dh e l d u s e r ，h u il i o p t i m i z a t i o no fh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m si np r e s s e sb a s e d o ns i m u l a t i o n j p r o c e e d i n g so ft h ef o u r t hi n t e m a t i o n a ls y m p o s i u mo nf l u i dp o w e r t r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l ，2 0 0 3 ，2 ：14 6 15 0 1 3 】熊光楞控制系统仿真与模型处理 m 北京：科学出版社，1 9 9 3 1 4 】宋玉琴，刘明山液压式推床的功能及其自动化控s j je j 甘肃冶金，1 9 9 9 ，7 6 ( 2 ) ：1 3 【1 5 】k o n gx i a n g d o n g ，g a oy i n g j i e ，s h a nd o n g s h e n g s t u d yo np a r a m e t e r i z e ds i m u l a t i o no f h y d r a u l i ca g c i nr o l l i n gm i l l s j p r o c e e d i n g so ft h ef o u r t hi n t e m a t i o n a ls y m p o s i u m o i lf l u i dp o w e rt r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l ，2 0 0 3 ，2 ： l71 17 4 1 6 】曲春艳，杨大忠曲柄强力推床的结构特点【j 】一重技术，2 0 0 8 ，( 2 ) ：1 - 2 1 7 董庆荣，黄利彬邯钢中板厂推床电气系统技术改造 j 山东冶金，2 0 0 4 ，2 6 ( 1 2 ) ：1 18 】w a n gy i q u n ，z h a n gw e i ，g a oy i n g i i e r e s e a r c ho nd i g i t a ls i m u l a t i o no fv i r t u a lr o l l i n g m i l l sf o rc o n t i n u o u sc o l d s t r i pr o l l i n gp r o c e s s j p r o c e e d i n g s o ft h ef o u r t h i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nf l u i dp o w e rt r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l ，2 0 0 3 ，1 ：1 - 8 1 9 孙萌电液伺服系统同步控制的仿真研究与实现【d 】北京：北京交通大学，2 0 0 8 2 0 】周欣电液伺服系统同步控制研究【d 北京：北京交通大学，2 0 0 6 21 】j i nx i a o h o n g ，r o n gz h i j u n r e s e a r c ho nt h ea d a p t i v em o d e lf o ra ne l e c t r o - h y d r a u l i c p o s i t i o ns e r v o j p r o c e e d i n g so ft h ef o u r t hi n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nf l u i dp o w e r t r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l ，2 0 0 3 ，2 ：19 8 2 01 2 2 兰伟电磁感应加热炉钢坯输送同步控制系统研究 d 武汉：武汉科技大学，2 0 0 9 2 3 】厉超基于新型数字同步阀的同步控制系统设计与研究d 1 镇江：江苏大学，2 0 0 6 2 4 】龚跃明电液数字伺服同步系统研究 d 杭州：浙江工业大学，2 0 0 7 2 5 】许益民电液比例控制系统分析与设计 m 】北京：机械工业出版社，2 0 0 5 2 6 a d r e n a l i nm a r i t z a m ， y a e l k h ，s m i t h t h e o d o r e d e v e l o p m e n t o f p r o p o r t i o n a l - s u m d e r i v a t i v e c o n t r o lm e t h o d o l o g y j s o l a re n e r g y ， 1 9 9 6 ，5 7 ( 1 0 ) ： 2 5 1 - 2 6 0 2 7 张重雄虚拟仪器技术分析与设计 m 北京：电子工业出版社，2 0 0 7 【2 8 詹惠琴，古军，袁亮虚拟仪器设计 m 】北京：高等教育出版社，2 0 0 8 2 9 】z h e n y ug u o d e v e l o p m e n to fav i r t u a li n s t r u m e n tf o rd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i so ft h e 第5 6 页武汉科技大学硕士学位论文 p h o n o c a r d i o g r a m m e n g i n e e r i n gi nm e d i c i n ea n db i o l o g ys o c i e t y ，1 9 9 8 3 0 】雷振山l a b v i e w7e x p r e s s 实用技术教程 m 一匕京：中国铁道出版社，2 0 0 5 【3l 】w i l f r i dm a r q u i s f a v r e ，e r i cb i d e a u x ，s e r g es c a v a r d a ap l a n a rm e c h a n i c a ll i b r a r yi nt h e a m e s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e j s i m u l a t i o nm o d e l l i n gp r a c t i c ea n dt h e o r y , 2 0 0 6 ，l 2 ( 5 ) ： 2 5 4 6 【3 2 】刘江晖，熊清平折弯机电液同步控制策略研究 j 】机电一体化，2 0 0 0 ，( 6 ) ：1 - 2 【3 3 】x i o n gy f , l e q o u cs ，c h e n gr m h a d a p t i v ec o n t r o lo fas y n c h r o n i z i n gs e r v o s y s t e m g s a et e c h n i c a lp a p e rs e r i e s ，1 9 9 2 ：1 - 5 【3 4 】张志伟，张福波，王国栋一种双液压缸同步控制方法及其仿真研究 j 】机床与液压， 2 0 0 3 ，( 5 ) ：2 3 2 - 2 3 9 3 5 】p h o g o n a n dc r b u r r o w a s y n c h r o n i z i n gu n e v e n l y - l o a d e dh y d r a u l i cc y l i n d e r sa s m e f l u i da n ds y s t e mt e c h n o l g y j d i v v 0 1 1 ，19 9 4 【3 6 】丁意，赵克定，于金盈双缸同步控制系统的研究 j 流体传动与控制，2 0 0 7 ，( 2 1 ) ： 2 4 - 2 6 3 7 】m u g u ol i ，z h e n d o n gl i u , j i n gw a n g t h ea p p l i c a t i o no fs i n g l en e u r a la d a p t i v ep i d c o n t r o l l e ri nc o n t r o l s y s t e m o ft r i a x i a la n dt o r s i o n a ls h e a l a p p a r a t u a s j s p n n g e r - v e r l a gb e r l i nh e i d e l b e r g ，2 0 0 4 【3 8 祁帅，郭晓松，于传强双缸同步液压系统单神经元p i d 控制仿真研究 j 】流体传动与 控制，2 0 0 8 ，3 0 ( 5 ) ：1 3 39 】k el i ，j i a nc h e n ，z i y u a nx i a o m i n g q i a nx u a ne l c t r o - h y d r a u l i cs y s t e mf o rs y n c h r o n i z e d r o o f e r e c t i o n j a u t o m a t i o ni ns t r u c t i o n ，2 0 0 3 ，( 1 2 ) ：2 9 4 2 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 【4 5 】 刘金琨先进p i d 控制及其m a t l a b 仿真 m 北京：电子工业出版社，2 0 0 3 李永堂，雷步芳，高雨茁液压系统建模与仿真f m 】北京：冶金工业出版社，2 0 0 3 马兴义，杨立群，林敏m a t l a b6 应用开发指南【m 】_ 匕京：机械工业出版社，2 0 0 2 薛定宇，陈阳泉基于m a t l a b s i m u l i n 的系统仿真技术与应用 m 】北京：清华大学 出版社，2 0 0 2 刘金琨智能控制 m 北京：电子工业出版社，2 0 0 5 周开利，康耀红卒申经网络模型及其m a t l a b 仿真程序设计 m 】北京：清华大学出版 社，2 0 0 4 4 6 1n a r e n d r ak s ，p a r t h a s a r a t h yk i d e n t i f i c a t i o na n dc o n t r o lo fd y n a m i c a ls y s t e m su s i n g n e u r a ln e t w o r k s f g l i e e et r a n s n e u r a ln e t w o r k s ，1 9 9 0 ，l ( 1 ) ：2 5 2 8 【4 7 k u c c ，l e ek y d i a g o n a lr e c u r r e n tn e t w o r k sf o rd y n a m i cs y s t e m sc o n t r o l g i e e e t r a n s ，1 9 9 5 ，( 1 ) - 1 4 4 - 1 5 6 4 8 】j a n gt s r ，s u nc t n e u r a l - f u z z ym o d e l i n ga n dc o n t r