（电力电子与电力传动专业论文）金属齿条胚片三联成型轧机的智能控制.pdf

金属齿条胚片三联成j 钽轧机的智能控制 a b s t r a c t t h r e e r o l l e rr o l i i n gm i l lf o rm e t a lr a c ke m b r y oi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n te q u i p m e n t ，w h i c hi s u s e df o rm a n u f a c t u r et h em o s to fn o r m s o fr a c kf o rc o m b i n gi nt e x t i l ei n d u s t r y t h ec h a r a c t e ro f i ti n n u e n c e st h e q u a l i t y o ft h el a t t e r s d i r e c t l y n o wh i g h q u a l i t yr o l l i n g m i l l sn e e d i m p o r t i n gi no u rc o u n t r y i nt h i sp a p e r ，b a s e do no l d f a s h i o n e dr o l l i n g m i l l ，ad r i v ec o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e d i nt h es y s t e m ，t h ei n v e r t e r sa r e u s e df b rc o n t r o l l i n go f a l t e r n a t i n g c u r r e n tm o t o r sr o t a r ys p e e da n d t h e t e n s i o nc o n t r o li su s e df i o rj l n p r o v i n gt h eq u a l i t y 0 u r a n a l y s i sd e a l sw i t ht h et h e o r yo fr o l l i n g ，a n dw ek n o wt h a tt h e t e n s i o nc h a n g i n gi nr o n i n gi sn o n l i n e a r i ti se v e na sd i f 艳r e n ta sr a w m a t e r i a la n dn o r m so f p r o d u c t i o n s o ，w el i k et ou s ef u z z yc o n t r 0 1 i n t h ep a p e r ，a ng e p e t i ca l g o r i t h mo p t i m a la p p r o a c hf o rf u z z yl o g i c s y s t e mi sp r o p o s e d ，a n d i tb eu s e df o rt e n s i o nc o n t r o 】i n go f r o l 】j n gm j 】 s i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a t i o np e r f b r m e ds h o wt h a tp r o p o s e d a p p r o a c hc o u l dc o n t r o lt e n s i o ne f f 色c t i v e l ya tt h ew o r k s t a t i o np r e d i c t e d k e yw o r d s ：3 一r o l l e rr o l l i n gm i l l ；t e n s i o nc o n t r o l ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l ； f u z z yl o g i cs y s t e m ；g e n e t i ca l g o r i t h m 2 南京航空航天人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 、课题的背景 余属齿条胚片三联成型轧机是纺织器材行业生产各种规格梳理用金属齿条 胚片的关键设备，其产品余属齿条胚片的质量直接关系到后续1 序生产的进行 并严重影响纺织行业的棉纺和毛纺产品质量。目前国产的金属齿条胚片成型轧 机大多是八十年代初期的产品，性能较差，大量已生产的齿条胚片因为达不到 公差要求而无法使用，造成了很大的浪费。而国内企业纺织产品质量落后于国 外发达国家的先进企业，金属齿条胚片三联成型轧机性能的落后也是一个重要 原因。为了提高产品质量，国内的许多厂家纷纷从国外进口高性能的齿条胚片 成型轧机。但是进口的轧机不仅价格昂贵、维护、维修困难，而且由于前道工 艺产品参数不尽相同，不能够完全发挥原有的性能。因此，开发高品质的金属 齿条胚片三联成型轧机，提高金属齿条胚片的质量，对于纺织行业提高生产效 率、改善产品质量、增强产品竞争力具有实际的现实意义。 1 2 、课题的现状 目前，国内常用的轧机主要有直流调速系统驱动和交流调速系统驱动两大 类。其中，采用直流调速系统驱动的设备大多数是国内企业在6 0 至7 0 年代丌 发的产品，此类产品一般采用开关量控制的控制方法，在系统检测到张力值增 大时，起动后续轧机，进行排料以减小张力；当系统检测到张力值减小时，关闭 后续轧机，以增大张力。用这种方法，系统的自动化程度低，控制误差较大， 胚片总高误差和胚片总宽误差在一个较大的范围内上下波动，造成产品质量下 降，现已不适应生产的需要。采用交流调速系统驱动的设备是由国内纺织器材 行业消化和吸收国外进口产品的机械装置并对其技术进行升级换代后投入生产 的。这种设备的机械加工速度指标较之原有国产设备有了大幅度提高，但是由 于一直没有设计出与之相配套适应的电气控制系统，设备的自动化程度仍较 低，抗外界扰动的能力差，产品质量不稳定。 一九九七年，江南学院电子工程系惠晶老师等在原国产老式轧机的基础上 利，目可编程控制器( p l c ) 和交流变频器实现了交流调速系统的转差频率控制 和张力控制，研制成功了s l z h 高速三联成型轧机，取得了较好的经济效益和 社会效益。其主要特点有： 金属齿条胚片三联成1 1 轧机的智能控制 1 2 1 、利用可编程控制器和交流变频器实现电气传动控制 电气传动系统的组成如图l l 。由四台交流变频器驱动主传动电机，通过 调节变频器输出频率改变电机转速。取三号轧机的转速为基准，一号、二号轧 机以一定的比例速与三号轧机同步，比例同步转速由电位器选择，稳态时满足 各道轧辊之间出口秒流量相等的原则。取轧机间的张力与给定张力的偏差作为 比例同步速的补偿调节信号，即三台轧机的控制是以比例同步速控制为基础， 张力控制为补偿的控制原则。为了适应轧制不同规格产品的工艺要求，在工作 台上设置了张力设定和比例速设定档位，使实际运行操作非常便利。 卷取机的转速由三号轧机线速度和当前卷径求出，并以直接检测张力 的偏差作为补偿输入，换向由机械离合器信号决定。 图1 1s l z h 高速三联成型轧机电气传动控制系统 1 2 2 、主回路采用带张力调节的转差频率控制 鉴于交流变频器开环式调速性能较差，因此构成转差频率控制的转速闭环 系统。 异步r u 动机在转差频率小于临界转差频率时，只要保持气隙磁通恒定，i b 磁转矩与转差就近似成正比，因此控制转差频率就可以间接控制转知! 。为了狱 得较为满意的动态静态特性，转速训节器采用带限幅输出的比例积分调节器， 南京航空航天人学硕十学何论文 张力调节器采用比例调节器，转差调节器的输入偏差在稳态时为零。当各电机 的比例同步速设定精确的满足工艺要求时，在系统进入稳定运行后，张力调节 器的输出为零。这时实际张力等于设定张力，实际转速等于设定转速。 张力调节的作用主要有两点：一是根据生产工艺设定不同等级的张力，保 证钢丝加工的压延精度；二是对扰动的快速恢复，保证动态过程中轧机转速的 比例同步。 通过技术改造，轧机出口速度提高到每分钟2 2 0 米，胚片总高误差小于o 0 1 毫米，胚片总宽误差小于o 1 毫米。设备自动化程度高，运行稳定可靠，经较 长时问的运行，取得了较好经济效益。但是该系统卷取排片为机械离合器换向 方式，各级张力和转速由人工给定，不具备自动适应不同原料和不同加工要求 的能力。同时设备在操作时也略显繁琐：该设备在实际操作时，操作人员根据 原料的直径大小和对产品的规格要求，分别设定三个张力检测器的设定值；同 时，在操作过程中，还需要不断调节可调电位器，以改变三台轧机之间的转速 比例关系。由于转速比例关系由人为给定，因此造成不同操作人员在操作时的 人为差异，影响到产品质量和生产效率。为此我们希望引入智能控制，使系统 可根据检测到的几个实时参数的变化确定轧机三个轧辊之问转速比例关系，以 实现设备对不同原料和不同的加工要求的自适应能力，提高系统的抗干扰能 力，最大限度的减少人为因素的干预和影响，简化设备的操作，实现设备运行 过程中的无人干预，进一步提高设备的生产自动化程度，提高产品质量。 1 3 、控制对象和控制任务 三联冷轧成型主要有如下过程：将整卷的钢丝开卷校直，初轧成扁片，二 轧为毛坯，三轧为坯片，再整齐排片收卷。图1 2 是钢丝经各道轧辊成型的截 面流程。三台轧机和收卷机分别由四台异步电动机驱动。 一旦j l o o 图l 一2 三联冷轧成型工艺流程 也一= = = b a f 金属齿条胚片三暇成耻轧机的智能控制 山图1 2 可知：金属齿条胚片的质量主要由胚片总商误差和胚片总宽误差 两部分决定。由于胚片品种很多，不同规格的钢丝压延量变化也较大，因此要 获得较高的加工精度，就要求电气传动系统在高速运行时具有良好的张力控制和 比例同步转速协调控制性能。除保证相邻轧辊之问的张力值恒定外，还要求三个 轧机在静态和动态过程中其转速必须保持精确的比例同步，以实现各道轧辊之 间出口秒流量相等的控制原则，即以下方程成立： s 1v 1 = s 2v 2 = s 3v 3 ( 1 一1 ) 但是，在过渡过程中，整个轧机系统中体积速度恒定关系已不成立。因此 在由于种种的轧制外干扰和操作量的改变使稳定的轧制状态受到破坏后，必须 尽快的过渡到下一个稳定的轧制状态，并且在过渡过程中尽可能的减小张力的 波动。 1 4 、本论文的主要工作 利用可编程控制器通过多点接口( m p i ) 将计算机和变频器连接成一个工 业控制网络。由计算机实现系统的控制算法和实时监测，由p l c 实现系统的起 动、停止和保护等逻辑控制任务。 在金属轧制理论的基础上，根据系统的控制要求，利用在设计工业现场采 集到得数据，设计一个模糊逻辑辩识器。同时讨论了数据模糊逻辑系统的生成 方法，并且尝试利用遗传算法构造数掘模糊逻辑系统，以期能够最大限度地拟 和实际系统的动态特性。从这个模糊逻辑辩识器出发利用模糊模型求逆的方法 得到用于前向通道控制的模糊逻辑控制器。 最后，分别通过数字仿真和实验验证分析了所设计系统的有效性和对原系 统指标的改善。 南京航空航犬人学硕十学何论文 第二章控制系统的组成及控制方案的确定 2 1 控制系统的组成 整个控制系统由现场控制级和决策指导级两个层次构成。在现场控制级， 我们利用变频器( v e c t o r ) 直接拖动交流电机进行变频调速控制。在决策指导级， 由一台个人计算机作为总的监控操作站，生产现场的控制信息一一交流电机的 转速和张力传感器的检测值通过一台具有通信功能的可编程控制器( p l c ) 发送到个人计算机，根据得到的数值进行控制运算并将运算结果( 控制量) 再 通过可编程控制器发送到变频器上。其具体结构如下图所示： 轧辊1 轧辊2轧辊3 决策指导级 图2 1 控制系统的组成结构示意图 其中，可编程控制器作为连接现场控制级和决策指导级两个层次的桥梁， 它根据系统的控制要求的需要组成主一从( m a s t e r - - s j a v e ) 控制方式。由p c 机 和p l c 作为整个系统的控制主站，变频器作为控制从站。控制从站没有总线访 问权，仪应主站的询问应答，将数据发往主站或从主站得到数据，如图2 2 。 虽然目前已经有许多变频器支持远程控制并可作为主机同时控制多台其他设 备，但是，使用可编程控制器不仅可以简化系统通讯的建立和访问而且可以同 时完成系统中大多数的逻辑控制任务，使计算机的：r 作分流，达到任务分散、 章 金属齿条胚片三联成耻轧机的智能控制 控制集中的效果。因此，可编程控制器的存在由其必然性a 图2 2 控制系统的功能结构图 考虑到系统的可靠性实用性和价格方面因素，对于变频器和可编程控制器 我们分别采用德国s i e m e n s 公司的m m v m d v 变频器和s 7 3 0 0 系列可编程 控制器。在目前市场上众多品牌的产品中，s i e m e n s 公司的产品因其卓越的 性能、可靠的质量、完善的通讯能力和网络组成的能力特别是对p r o f i b u s 现 场总线的支持而具有特别的优势。下面对组成控制系统的这两个主要部件作简 单介绍。 2 1 1s i e m e n ss i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c s i e m e n ss i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 是s i e m e n s 公司生产的适合于中等 规模性能要求的模块化p l c 系统，它具有模块化、分布式、易安装、无风扇结 构等特点，使其成为实现各种中、小规模性能要求的廉价而方便的解决方案。 全系列共有8 个基本型号的c p u ，分别为c p u 3 1 2 i f m 、c p u 3 1 3 、c p u 3 1 4 、 c p u 3 1 4 i f m 、c p u 3 1 5 、c p u 3 l5 2 d p 、c p u 3 1 6 、c p u 3 l8 2 ，此外还可根据不 同规模的性能要求，扩展通讯控制器和其它的功能模块。 s i m a t i cs 7 3 0 0p l c 具有高速的指令处理能力，可有效实现复杂算术运算 的浮点数运算能力，带有可方便地进行参数赋值的标准用户接口软件，在操作 系统中集成了方便的人机界面服务，并集成了一个智能化的可连续_ ；【控系统功 能是否正常的诊断系统。此外，s 7 3 0 0p l c 可以方便地通过通讯口与变频器等 设备相连，构成工业控制系统。利用p l c 控制变频器，可以在p l c 内部进行 实数运算，实现完全的数字量控制，不存在数据精度的丢失，与j e 他控制方式 南京航空航大人学颂十学何论文 相比有较大的优势。 s i m a t i cs 7 3 0 0p l c 的通讯口可以多种方式与现场设备相连，组成不同f c ：j 通信网，完成工厂的现场控制。s i m a t i cs 7 3 0 0p l c 的通讯方式主要彳丁：集 成在c p u 中的多点接口( m p i ) ，可以用于同时连接编程器、计算机、人机界 面系统和其他s i m a t i cs 7 m 7 c 7 等自动化控制系统。可以通过扩展通讯处理 器实现连接点到点的通讯系统、a s 1 接口、p r o f i b u s 和工业以太网总线系统。 多点接口( m p i ) 通讯口集成在c p u 模块上，可以用于简单联网，是公司专为 s 7 系列p l c 开发的通讯协议。物理上采用r s 一4 8 5 信号电平，p l c 默认工作于 该方式。通过屏蔽双绞线可最多同时连接3 2 个站，每个c p u 最多有8 个动态 通讯连接用于与s i m a t i cs 7 m 73 0 0 4 0 0 、c 7 进行标准通讯；每个c p u 最多 有四个静念通讯连接用于编程器、p c 机、h m l 人机界面系统和s i m a t l cs 7 m 7 3 0 0 4 0 0 、c 7 进行扩展通信。数据传输速度达1 8 7 5k b p s 。在任意两个给定的 m p i 节点之间可串连最多1 0 个中继器来跨越长距离进行通讯。其硬件连接只 需通过编程电缆即可实现。软件编程采用中文环境、内部系统协议，设计人员 只需通过软件配置参数而无需考虑数据交换方式，可使用专用语句进行数据信 号传递。网络上总线口控制权由m a s t e r 采用p p i 协议自动处理，使用网络 读和网络写指令通过网络在p l c 之问传递数据，实现数据共享、群控、分机式 控制、远程监控等功能。 2 1 2m m v 变频器 m m v 变频器是s i e m e n s 公司开发的无速度传感器矢量控制的通用型交流 变频器。可以广泛地用于各种三相交流电动机的转速控制。m m v 变频器起动 转矩大、控制精度高、抗过载能力强、保护措施安全可靠，安装、设定、调试 都很简便。其具备的无速度传感器矢量控制能力可以计算出所需的输出电流及 频率的变化量以维持所期望的电机转速不受负载条件变化的影响。m m v 变频 器可通过r s 4 8 5 串行口实现远程控制，使用u s s 通讯方式控制多达3 l 台变频 器，输出频率( 也即电机转速) 可由面板、外部电位器给定，也可以l l i 高分辨 率的模拟量绘定或通过串行口给定，控制方式灵活多样。 m m v 变频器可以方便的通过m p i 和s 7 2 0 0 3 0 0p l c 十h 连接，这也是选择 时所考虑的一个重要因素。在这种连接情况下，我们只需要通过二妒门软件对计 算机、p l c 、变频器的m p i 网络通信地址进行简单的分配，甚至无须编写通信 m 议，( ! | i 可组成一个专则的i ：业控制网。 金属齿条胚片二联成删轧机的智能控制 2 2 控制方案的确定 在本节内容中，我们试图通过对轧制机理的分析确定出被控对象的数学模 型，并进了而确定系统的控制方案。需要指出的是，以下的推理过程是基于对 多个因素的忽略，对系统模型大幅简化的条件，其遵循的基本原理是：对于轧 机的某些工作段从入口轧机进入的物料除了在工作段堆积的之外应全部通过出 口轧机进入下一工作段。 从最简单情况出发，我们考虑如图2 3 的系统。 设一辊线速度为v ；，二辊线速度为v ：，且v ：稍大于v ，l 是进入传动点i 和i i 之问未被拉伸的金属齿条长度。p 、p ：是进入该段和由该段输出的金属 齿条的单位长度重量。l 是相对于原长度的伸长量。是q 、q ：输入到该段的 和该段输出的金属齿条重量。 图2 3两辊间材料的张力计算 在时间d t 内进入区问的金属重量为d q l = v 。p d t ，而输出重量为d q 2 = v 2p2 d t 。区间内重量减少为： d q = d q 2 - d q l = ( v 2 p 2 一v l p l ) d t( 2 1 ) 金属齿条的伸长重量为： d q = p 2 d 出 抛，：生：上旦当丑础：( v ：一v 旦) 础 p 1p tp 1 警却z 叫拿 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 如粜在时问内金属齿条被拉伸l ，则其单位长度重量p 将减少，其数值与年l x 寸俐j _ 氏 l j 成萨比： 南京航! 航犬人学顾f ：学位论文 见= 刖+ 争 ( 2 5 ) 山于l l l ，近似有： 筹_ v 2 训+ 等) ( 2 6 ) 写成算子形式为： ( p + 孚) ，= v t ( 2 7 ) 齿条的弹性变形满足胡克定律，则齿条张力为 ，= 爿， ( 2 8 ) 于是区间内齿条张力方程为： ( p + 孚) 廿刊必v ， ( 2 9 ) f ：丝粤 ( 2 1 0 ) ( p + 粤) 另外，考虑由于齿条在轧制方向上的形变产生的张力。 b 板带轧制理论，通过相邻入口和出口侧的机架f f l j 轧件在轧制方向的前张 力为： 旷罢i ( v 2 啪西 ( 2 1 1 ) 由力平衡关系求出后张力： 吼：尝g r ( 2 1 2 ) 吼2 百9 ， ( 2 。 其中，e 是杨氏模量，l 是机架间距，h 是前一轧辊的出口厚度，h 是后一轧辊 的出口厚度。写成算子形式为： g ，_ 扣1 ) ( 2 1 3 ) 旷茜n 1 )( 2 1 4 ) 至此，我们建立了两个轧辊之问的这一段会属齿条的数学模型。只要知道 了两个扎辊的速度差，便可求出齿条的伸长和张力。 在考虑采用滑辊的时候，张力榆测环节如图24 。 金属齿条胚片三联成型轧机的智能控制 图2 4 带滑辊的机架间张力 为便于讨论，且不失一般性，我们忽然两个导辊处的摩擦力，并简化为图2 5 。 图2 5简化的带滑辊的机架间张力 由于滑辊两侧金属齿条张力不同，其力差使得滑辊转动。因此，滑辊也相 当于一个传动点这样图中有三个传动点，假设每两个点之间的金属齿条均只 产生弹性变形，利用前面所述方法可列出有关方程。 ( p + ；l ) f 3 = ( v 一v 3 二v ) ( 2 15 ) “，2 等寄 亿1 6 ， ( p + 孚生) ，2 3 = 一( v ：一v 3 一v ) ( 2 1 7 ) f 2 3 ：一丝掣 ( 2 1 8 ) ( 尸+ ) 滑辊的旋转方程如下： 。订 1 睦 h 一 南京航空航犬人学硕十学位论文 因为 l ，警_ 【( 一圪) + ( 嘞m 月 枷= v v 3 c 一吒= 一e ( f 2 3 一，i3 ) 嘞，：兰( v ，1 ) 一圭( v ：- v 3 ) 9 ，2 9 扩面”3 “1 一历”2 叫3 所以： 一笠兰兰壹兰：望 3 卜参詈c 毒+ 毒， 滑辊等的平动方程如下： 因为： 小警= c + 坳：怕一c ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 1 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 4 ) 则有： v 一= 等( f 2 3 + 屯) + 嘉h ( 南+ 毒) 一毒v 一去嘲一e ( 2 z s ) 滑辊在垂直方向上的位移为： n = 肿= 嘉c 触匕伽她，圳+ 嘉h c 寿+ 毒，一寿v t 一南吲 ( 2 2 6 ) 至此，我们已经建立了张力检测环节数学模型，从中我们可以发现滑辊的 位移和前后两个轧辊的转速有关。在系统运行过程中，通常对滑辊的垂直位移 更感兴趣，因为滑辊的位移可以直接被观察且反映了齿条张力的变化。但是我 们应该认识到：我们现在的数学模型是在做了很多近似之后才得到。比如：认 为钢丝只发生弹性形变而不发生塑性形变，前后两段的伸长量对另一段的张力 没有影响等等。它只能粗略地反映f ) 后两个轧辊速度和张力检测器位移之问的 大致关系。 通过以上分析，我们发现即使是对模型进行了大量简化的情况下，数学 ， 5 1 | 型仍然呈现强非线性特点，这埘我们实现控制足非常不利的。而j l ，对：不 金属齿条胚片三联成型轧机的智能控制 同规格的产品，数学模型中的系数也不完全相同，因此模型缺乏广泛的适应性， 不能够满足系统对于不同的规格的产品具有自适应能力的要求。针对我们控制 的要求：在不同舰格产品生产过程中，保持产品的加工精度达到预定的要求， 我们设计了一个基于模糊逆模型的控制系统。系统的结构框图如下。 图2 6 控制系统的结构框图 其中整个控制系统的核心是模糊控制器f c ，其确定方法如下： 首先，我们在轧机实际工作时测得轧机转速和张力之间的数据对。根据这 些数据对，我们构造一个模糊逻辑系统，并通过遗传算法对其进行优化。最后 得到的模糊逻辑系统要求能够很好的反映转速和张力之间的实际关系。根据这 个模糊逻辑系统我们可以得到描述被控对象的规则，出这些规则出发结合对闭 环系统的控制要求，利用模糊模型求逆的方法得到前向通道的模糊控制系统， 由此实现闭环控制。 由于我们采用的变频器具有无速度传感器矢量控制功能，变频器自身即可 实现转速的闭环控制且具有相当高的控制精度，所以我们可近似认为：k = k 。 k c 是对模糊模型输出量的一个放大倍数，对k c 的调整是实现模糊逻辑系 统自适应能力的一种简单而有效的方法。k c 通过张力的导数值进行实时修正， 采用梯鼎隧正规则。即： k c ：j 一“! 丝( 2 2 7 ) 。击 其中，是一个修正的步长。由于在梯度隅修j 下规则中，只是一个一维的变 量，所以很容易得到其适合当前系统的最优值。 南京航空航人人。学顾f 学何论文 一 第三章、遗传算法构造模糊逻辑系统 3 1 、数据模糊逻辑系统的构造方法 模糊逻辑系统是指那些与模糊概念( 如模糊集合、语言变量等) 和模糊逻 辑有直接关系的系统。自1 9 6 1 年扎得( la z a d e h ) 提出模糊集合( f u z z ys e t ) 概 念以来，模糊集合理论在许多领域得到广泛应用和迅速发展。其在自动控制技 术的应用称为模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 。模糊控制的应用丌始以1 9 7 4 年。英 国科学家迈丹尼( e h m a m d a n i ) 首次将模糊理论应用于蒸汽机控制系统，7 r 辟 了模糊控制领域。迈丹尼提出的模糊控制理论的基本出发点是，将人类积累的 对复杂系统的经验和认识提炼出来，采用模糊控制器的形式来控制复杂系统。 随着计算机技术的发展，模糊控制已取得巨大成功，其主要原因是：( 1 ) 由于 模糊集合的引入，使控制逻辑更加接近于人类思维，因而可以直接应用人类的操 作经验。( 2 ) 模糊控制系统可以解决复杂系统的控制问题。特别是当系统为多 输入多输出、强非线性、时变及迟滞系统时，往往其数学模型非常复杂或根本 就不存在，而模糊控制建立在对过程的语言型经验模型上，不需要精确的数学 模型，因而可以获得很好的控制效果。( 3 ) 模糊控制系统直接采用语言型控制 规则，使控制机理和控制策略易于理解接受，简化了系统设计。( 4 ) 模糊集合 理论是介于逻辑计算与数值计算之间的一种数学工具，它形式上是利用规则进 行逻辑推理，但其逻辑取值可在o 、l 之间连续变化：采用数值方法而非符号 方法进行处理。这种方法直截了当的用规则来表示结构性知识，也可以用数值 的方法来表示结构性知识，便于利用硬件电路实现。 自适应模糊系统是具有学习算法的模糊逻辑系统，其学习算法是依靠数据 型输入一输出对来调整模糊逻辑系统参数。出于模糊逻辑系统出若干模糊“如 果一则”( i f - e j s e ) 规则构成，因此( 采用模糊“如果一则”规则形式的) 语言信 息可以直接地在系统中得到利用；而( 采用数据型输入一输出对形式的) 数据 信息则通过调整模糊逻辑系统的参数，使输入输出数据对实现最佳拟合。因而 找到了物理世界和人文世界中两大关键因素统一的模式。 如何确定模糊逻辑系统的规则库是设计一个模糊逻辑系统的关键。i 讨针 对已有输入输出样本数据的情况，已经提j = f j 了多种有效的学习算法，如反向 传播学习算法、诈交最小二乘学习算法、最近邻聚类学习算法和表格夼咖学习 俅法等，都足从数扪信息一：im 模糊逻辑系统的一股性方法。其一h 反f - 传拼 金属齿条胚片二三联威) a 轧桃的锕能控制 学习算法的主要优点有：( 1 ) 模糊逻辑系统的所有参数可以用一套演化过程米 进行调整，学习后的模糊逻辑系统能够表现出良好的性能：( 2 ) 算法利用语言 信息来选择初始参数，山于语言信息在自适应过程中不断得到更新，因此算浊 具有一定的优越性。这种方法的缺点是：( 1 ) 系统的阶数必须事先确定；( 2 ) 算法执行是一个非线性寻优的过程，其收敛速度较慢，并且可能陷入局部极小。 正交最小二乘学习算法出于只选用了最主要的基函数，因此算法产生的系统即 简单又有效。它的主要缺点是：( 1 ) 算法需要离线进行，算法有效的基础是事 先必须获得所有的样本数据；( 2 ) 算法的计算量大。最近邻聚类学习算法的主 要优点有：( 1 ) 算法只需要对样本数据执行一次一步运算，且计算过程简单； ( 2 ) 算法可以在任意精度上拟合样本集合中的每一个数据对。算法的缺点是： 语言信息在运算过程中得不到更新，因而必须采取校正措施。表格查询学习算 法的优点是：它构造模糊逻辑系统过程非常简单，般只需要对样本数据进行 一次一步计算，而且每个数掘对的一步计算本身十分简单。其缺点是必须重新 划分输入空间，且事先要确定输入空问上的模糊集合的隶属函数。 根据以上所述，我们认为：如果能够为表格查询学习算法增加自适应功能 使其不必再重新划分收入区间，则必将成为极具生命力的控制算法。 不失一般性，假设一个双输入、单输出系统，其给定一组期望的输入一输 出数据对： ，x ”y ( 1 l g ”x 黪j ，( 2 k ( 3 1 ) 这早为x ，、x ：输入变量，y 为输出变量。我们的控制任务是：从( 1 ) 式 给出的输入一输出数掘对中产生一组模糊“如果一则”规则，并利用这些规则 确定出的模糊逻辑系统：( x ，x ：) 斗y 。表格查询学习算法的主要步骤如下： 步骤1 ：把输入空问和输出空f 日j 划分成模糊区间 假设变量x 。、x ：和y 的取值范围分别为b i ，x j j k ，x j 儿y 一，y + j 。这罩，变 量的取值范围是指该变量很可能处于该范围以内( 当然，也许允许在其之外) 。 将每一个变量的取值范围划分成2 n + 1 个区问( 不同的变量可以取不同的n ， 且区问的宽度可以相等也可以不相等) ，将这些区问分别表示为s n ，s l ， c e ，b 1 ，b n ，且每个区m 都剥应一个模糊隶属函数。为了计算的简单， 所有隶属函数均取成三角形函数；区问的中点对应二j ：三角形的纵向顶点，且在该 点处隶属函数的取位为单位值l ；三们形的另两个横向顶点分别位于两个棚邻 【戈m 的- r ，_ ，且隶属函数在这两个顶点上f 门值为0 。如图3 1 所示。 南京航审航人人。节影! l 一学位论文 图3 1 输入输出空问的划分及其隶属函数 步骤2 ：山已知的输入一输出数据对产生模糊规则 在不同区阳j 上确定每个输入、输出数据所对应的隶属度。将已知的数据分 别定位于最大隶属度对应的区问上，如图1 中1 定位于s l 、x 2 定位于b 1 。 从每一对较满意的输入一输出数据对中产生一条模糊规则。由于前提条件是某 个输入向量的不同分量同时满足，所以上述规则产生的应是“逻辑与”规则， 即在规则中只有当“如果”部分的条件都同时满足时，“则”部分的结果j 会发 生。 步骤3 ：为每条规则赋予一个置信度 由于我们有许多对数据信息，而每一对产生一条模糊规则，这样就很可能 出现自棚矛盾的规则，即出现“如果”部分相同而“则”部分不相同的规则。解决 这个矛盾的一种方法就是为每一个数据对产生的规则赋予一个置信度，在自柏 矛盾的规则中只选用具有最高置信度的那条规则。 我们用如下的乘积策略为每一条规则赋予一个置信度：对于“如果x l 为a 且x 2 为b ，则y 为c ”这样一条规则，置信度d ( 规则) 可定义为 d ( 规则) = ( x 1 ) 。( x 2 ) 。( y ) ( 3 2 ) 实际应用中，我们常常会得到这些数据对某些先验信息。因此，我们还可 以为每一个数据对再附加一个信任度以表示专家对该数据可靠性的相信程度。 设数据( 一，x ：，y ) 的附加信任度为”，则我们将规则的置信度重新定义为 d ( 规则) = ( x 1 ) ( x 2 ) “( y ) ( 3 3 ) 即每一条规则的置信度定义为规则各分量的隶属度与产生该规则的数据信任度 的乘积。 步骤4 ：组合模糊规则库的产生 根壬【；输入变量的各个词集确定一张查询表格，我们将得到的模糊j ；! i ! 则填入 表r h 构成模糊规则库。 绷合卡毖糊规则库q 的规则既可以水源于数捌产_ ! 的肌则，也可以来源于语 金属齿条胚片二戕成删轧机的智能控制 言规则( 这罩假设语言规则须附加一条专家的信任度一反映增加对规则可靠。p i ： 的信任程度) ，如果模糊规则库中的某一空格列应的规则不j 卜一个，则选川， 有最火置信度的每条规则。如果语言规则为“逻辑与”舰则，则占模糊规则图 中的一个空格；若语言规则为“逻辑或”规则，在它填满“如果”部分所对应 的某一行或某一列的所有空格。 步骤5 ：根据组合模糊规则确定出映射关系 我们用下面的模糊消除策略从已知的输入( x ，工：) 中求出输出控制量y ：首 先，对于已知的输入( 置，岛) ，我们用乘积运算来综合第i 条规则的所有前提条 件，以求出( 一，b ) 相对应的输入控制的置信度即 ( 3 4 ) 这早o 。表示规则i 的输出区问，：表示规则i 中第j 个分量对应的输入区 间。 所以用下列的中心平均模糊消除公式就可以求出输出y ： ，歹 j ，= 号广 ( 3 5 ) 心， i _ i 这罩歹为区问上中心点的取值( 模糊区阳j 中心点的定义是：在该区间上隶属函 数取得单位值1 的所有的点中，横轴绝对值最小的点为中心点) ，m 为组合模糊 规则库中模糊规则的数目。 已经证明( 见参考文献1 ) ：如果样本数据相同( 即同样的输入一输出数据 对) ，且其中包含有对象的完整信息的情况下，该方法与神经网络控制器的性 能几乎没有差别；但在数据信息和语言规则都没有包含完整信息的情况下，该 方法仍然可以进行准确的控制，而此时只利用数据信息的纯神经网络控制器和 只利用语言规则的纯模糊逻辑控制器往往无能为力。 南京航! j 三航火人。学硕f “学何沦文 3 2 遗传算法的工作原理及实现步骤 遗传算法( o e n e t i ca j g o r i t h m ) 是一种借鉴生物界自然选择和自然遗产机制 的随机化搜索算法，由美国教授j h 0 1 l a n d 提 j 。其主要特点是群体搜索策略和 群体t 1 个体之间的信息交换，搜索不依赖于梯度信息。它尤其适片j 于处理传统 搜索方法难以解决的复杂的和非线性的问题，是下一世纪有关智能计算中的关 键技术之一。遗传算法作为一种新的全局优化搜索方法，具有简单通用、普适 性强，适于并行处理和应用范围广等优点。从机理上说，遗传算法是一种概率 搜索算法，它是利用某种编码技术作用于被称为染色体的二进制数串，其基本 思想是模拟由这些串组成的群体的进化过程。遗传算法通过有组织的然而是随 机的信息交换来重新结合那些适应性好的串，在每一代中，利用上一代串结构 中适应性好的位和段来生成一个新的串的群体：此外，偶尔也在串结构中尝试 采用新的串和新的段来代替原来的某些部分。遗传算法是一类随机算法，但它 不仅仅是随机的运动，它可以有效地利用已有的信息来搜索那些有希望改善解 的质量的串。类似于自然进化过程，遗传算法通过作用于染色体上的基因，寻 找好的染色体来求解问题。与自然界进化相似，遗传算法对求解问题的本身可 以一无所知，它所需要的仅仅是对算法所产生的每个染色体进行评价，并基于 评价的适应值来选择染色体，使适应性好的染色体比适应性差的染色体有更多 的繁殖生存机会。遗传算法利用简单的编码技术和繁殖机制来表现复杂现象， 从而解决非常困难的问题。特别是由于它不受约束空间等限制性假设的约束， 不必要求诸如连续性、导数存在、单峰等假设，以及其固有的并行性，遗传算 法已经在最优化、机器学习和并行处理等领域得到越来越广泛应用。 遗传算法的中心问题是鲁棒性( r o b u s t n e s s ) ，所谓鲁棒性是指能在许多不同 的环境中通过效率及功能之问的协调平衡以求得生存的能力。人工系统很难达 到生物系统那样的鲁棒性。遗传算法j 下是吸取了自然生物系统“适者生存”的 进化原理，从而使它能够提供一个在复杂空间中进行鲁棒搜索的方法。 3 2 1 基本遗传算法的组成 遗传算法是具有“生成+ 榆测”( g e n e r a t e & t e s t ) 的迭代过程。他的基本处理 流利如罔所示。 金属齿条胚片二联成j 轧机的 v 能控制 图3 2 遗传算法的基本处理流程 山上图可见，遗传算法是一种群体型操作，该操作以与群体中的所有个体 为对象，复制( r e p r o d u c t i o n ) 、交叉( c r o s s o v e r ) 、变异( m u t a t i o n ) 是遗传算法的三 个主要操作算子，它们构成了所谓的遗传操作( g e n e t i co p e r a t i o n ) ，使遗传算法 具有了其他传统方法所没有的特性。遗传算法的设计包含如下五个要素：参数 编码、初始种群确定、适应度( n t n e s s ) 函数确定、遗传操作设计、控制参数设计， 这五个要素构成了遗传算法的核心内容。 ( 1 ) 、复制 复制过程是个体按照他们的适应值进行复制，其含义为：适应值越大的串 在f 一代中将有更多的机会提供一个或多个个体。这个操作步骤主要是模仿自 然选择现象，此时适应值相当于自然界中的一个生物为了生存所具备的各项能 力大小，它决定了这个个体是被复制还是被淘汰。 复制操作可以通过随机方法来实现。首先产生o l 均匀分布的随机数，若 某个串的复制概率是4 0 ，则当产生的随机数在0 0 4 之i 口j 时该串被复制，否 则该串被淘汰。另外一种直观的方法是使用轮盘赌的转擞。群体中的每个当前 书按j ! 其适应值的比例占据盘而上成比例的一块区域。复制过程即多次转动这 个经划分的轮盘，从而产生下一代的种群的过程。 ( 2 ) 、交义 交义操作可以分为两步，笫一步是将新复制产生的匹眦池r ，的成员两两川 删，鳓：步足进行交叉繁巯。具体过程如下。 南京航空航大人。学硕1 ：学何论文 设父串的长度为1 ，则串的l 个数字位之间的空隙标记为1 ，2 ，3 ，l 1 。随机的从中选取一个整数位置k 【ll 一1 ，将两个父串中从位胃k 到未尾的 子串相互交换，生成两个新串。 ( 3 ) 、变异 变异是以很小的概率随机的改变一个串位的值。如对于二进制串，刚是将 随机的选取的串位由l 变为o 和由o 变为1 。变异的概率是很小的，一般只有 千分之几。这个操作相对于复制和交叉而言，处理相对次要的地位，其目的是 为了防止丢失一些有用的遗传因子，特别是当种群的个体经多次遗传操作后失 去了多样性从而有可能失去检验有用遗传因子的机会时，变异操作可以起到恢 复串位多样性的作用，避免遗传算法过早收敛或者收敛到局部最小。变异的概 率可根掘应用对象适当选取。 以上介绍的遗传操作主要是针对二进制串进行的，为了克服二进制编码在 求解连续演化问题时的缺点，对于问题的变量是实向量的情形，可以直接采用 实数进行编码。从理论上讲，对于大部分数值优化问题，通过一些专门设计的 遗传算子的引入，采用实数编码比采用二进制编码时算法的平均效率要高。这 些专门设计的遗传算予介绍如下。 ( 1 ) 、杂交算子 实数编码的杂交算子分为离散杂交算子和算术杂交算子两大类。 为了叙述方便，我们假设所有解向量均为n 维，并且每一个分量都定义在 有限区问上：s 。= ( v v ：f ) ，v ”v ：_ ， v 船) 和s ：= ( v f “，v ：”，v ：”，以碧，v 等) 是两 个父解向量，s ：= ( z ，z ：，乙) 利j 。= ( q ，吐，q ) 是通过杂交获得的两个后代。 离散杂交( d i s c r e t ec r o s s o v e r ) 又分为部分离散杂交和整体离散杂交。部分离 散杂交h 是在父解向量中选择一部分分量( 如一个分量或从某个分量以后的所 有分量) ，然后交换这些分量以形成后代。如果选择交换第k 个分量以后的所 有分量，则是两个后代为 ：熬 s ， 整体离散杂交是以二分之一的概率交换所有分量，这也可以通过生成模板 的形式来实现，若模板的某位赴1 ，! i ! i j 交换棚应分量，夼则保i 7 f 。 。 然，通过离f 玫杂交，生f j 历代，l e 分i 扛仍然在定义k 1 1 f 之内。 砷“以皑以 r ， ” ” 畦以0 一一 i l e 金属齿条胚片二联成n 轧机的列能托哪 算术杂交( a r i t h m e t i c a lc r o s s o v e r ) 也分为部分算术杂交和整体算术杂交。部 分算术杂交也是从父解向量中选择一部分分量，如第k 个分量以后的所有分量， 然历t i 二成n _ k 个( o ，1 ) 区问的随机数，则两个后代定义为 这罩我们也可以取q + = 吼+ ：= = d 。，从而只须生成一个随机数。 整体算术杂交为：先生成n 个( 0 ，1 ) 区间的随机数口。，d ：，则此两个后代 分别定义为： = q v ，+ ( 卜q ) l ，j 2 ) _ v j2 + q ( v ，一v j 2 ) q = a ，v1 2 + ( 1 q p = v + a ，( v ：”一v ，) ( 3 8 ) 这疆i = l ，2 ，n 。同样，我们也可以取口= 订2 = = 口。 易见，通过算术杂交产生的后代，其分量仍在其定义区问之内。从几何角 度看，我们可以通过两个父解产生月”中的一个超立方体，则离散杂交生产的后 代都是这个超立方体的顶点，而算术杂交生产的后代则是超立方体的内部的 点。 ( 2 ) 、变异算子 对于实数编码，变异是一个非常关键的搜索算子。其主要类型有：均匀性 变异、正念性变异、非一致性变异等。 为叙述方便，下面是假设s = ( v ，v ，v ) 是父解，z = ( z ，z 。，z 。) 是经变异 产生的后代。均匀性变异则是先在向量中随机的选择一个分量，假设是第k 个， 然后，在其定义的区间 一吼，也】中均匀随意地取一个数v ：代替v 。，以得到z ，即 雯 ， 也可以先确定一些较小的区问卜爿，爿，】