（控制理论与控制工程专业论文）基于视觉反馈的分钢机控制系统.pdf

摘要 目前，基于视觉的棒材在线计数系统已经成功应用于实际生产。 但是，经计数准确定位后的人工分钢方式还不能确保实现准确分钢， 影响生产效率和装备水平的提高，致使国内棒材生产厂家在经济上 蒙受很大损失。因此，需要应用机器视觉方法动态的获取分钢过程 中棒材状态与分钢机构的实际位置，控制驱动分钢装置运动，才能 有效地实现捆间棒材的自动分离操作。根据实际生产中对自动分钢 的需求，本课题提出一套完整的视觉反馈运动控制方法。 分钢控制系统包括视频采集、识别处理、实时决策、运动控制 几大部分。通过识别视频图像、进行目标动态跟踪，并作出分钢控 制决策，驱动液压装置自动完成分钢操作。分钢运动控制的执行机 构采用了一种液压控制的方案。 针对分钢控制系统设计需求，在三个方面进行重点研究。首先， 应用机器视觉的知识，建立起视觉模型。其次，对液压系统的比例 阀和非对称液压缸进行建模。然后，应用模糊p i d 算法设计模糊p i d 控制器，与已建好的模型构成基于视觉反馈闭环系统。并且，运用 m a t l a b s i m u l l n k 工具对系统进行仿真分析，分别讨论了p i d 控制器和模糊p i d 控制器对液压系统性能的影响。最后，介绍了分 钢系统相关软、硬件设计。 本文确定了整个分钢控制系统，通过实验及现场实践，不断改 进运动控制方案，逐步提高分钢准确率，实现了系统的分钢自动化 操作。 关键词机器视觉，视觉反馈，液压系统，模糊p i d 控制器，分钢 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h eo n l i n es t e e lb a rc o u n t i n gs y s t e mh a sb e e na p p l i e di n p r a c t i c a lp r o d u c tl i n es u c c e s s f u l l y h o w e v e r , t h e r e i sap r o b l e m ，t h e s t e e lb a rs p l i t t i n gm e t h o dw i t h o u tc l o s e dl o o pc a n n o ts p l i tt h es t e e lb a r s a n dp a c kt h e m v e r a c i o u s l y t h es t a t u so fs t e e lb a ra n dt h ep o s i t i o no ft h e s p l i t t i n gd e v i c ec a nb et r a c k e db yt h em a c h i n ev i s i o nf e e d b a c km e t h o d d y n a m i c a l l y t h e nt h ep r o c e s so fs p l i t t i n gs t e e lb a r sc a nb ec o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to ft h es t e e lb a ra u t o m a t i c s p l i t t i n g ，am e t h o do fs p l i t t i n gs t e e lb a rm o v e m e n tc o n t r o lb a s e do n v i s u a lf e e d b a c ki sp r o p o s e d t h es t e e lb a rs p l i t t i n g s y s t e mi n c l u d e sf o u rm a i np a r t s ：v i d e o c a p t u r e ，r e c o g n i t i o np r o c e s s i n g ，r e a l - t i m ed e c i s i o na n ds p l i t t i n gc o n t r 0 1 w i t hr e c o g n i z i n gt h ev i d e oi m a g e ，t h ec o m p u t e rc a nm a k et h ec o n t r o l d e c i s i o na n dd r i v et h e h y d r a u l i c d e v i c et o s p l i t t h es t e e lb a r s a u t o m a t i c a l l y a sf a r a si m p l e m e n td e v i c e o ft h es t e e lb a rs p l i t t i n g s y s t e m ，ah y d r a n l i cp r e s s u r ec o n t r o lm e t h o di sa d p o t e d a i m e da tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to ft h es t e e lb a rs p l i t t i n gs y s t e m ， t h e t h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so nt h r e er e s p e c t s f i r s t l y , t h ev i s i o nm o d e l i se s t a b l i s h e dw i t hu s i n gm a c h i n ev i s i o nt h e o r y s e c o n d l y ，a na c c u r a t e m o d e lo f u n s y m m e t r i c a lh y d r a u l i cp r e s s u r ej a r c o n t r o l l e d b y p r o p o r t i o n a lv a l v ei sd e s i g n e d a n d ，af u z z yp i dc o n t r o l l e ru s i n gf u z z y p i da l g o r i t h mi sd e s i g n e dt om a k eu pac l o s e dl o o ps y s t e m t h es y s t e m i ss i m u l a t e d w i t h u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt o o l s h o wt h ep i d c o n t r o l l e ra n dt h ef u z z yp i dc o n t r o l l e ri m p a c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mi sd i s c u s s e ds e p a r a t e l y f i n a l l y , t h ee n t i r es t e e ld i v i d i n gm a c h i n e u s i n gh y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o lm e t h o di sd e s i g n e d e x p e r i m e n ta n dp r a c t i c ei m p r o v et h ea c c u r a c yr a t eo fs t e e l b a r s p l i t t i n gb ya m e n d i n gm o v e m e n tc o n t r o lm e t h o dc o n s t a n t l y , a n dt h e a u t o m a t i cs p l i t t i n go p e r a t i o no ns t e e lb a ro ft h ep r a c t i c a ls y s t e mc a nb e r e a l i z e d k e yw o r d sm a c h i n ev i s i o n ，v i s u a l f e e d b a c k ，h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m ，f u z z yp i dc o n t r o l l e r , s t e e lb a rs p l i t t i n g 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单 位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 作者签名逝 日期：己9 矿年伊月z 7 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省 有关部门规定送交学位论文。 作者签名：缉导师签名：二三丛日期：年月日 硕士学位论文第章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着我国：亡业现代化和城市化步伐的加快，我国的钢材需求量日益增长， 钢铁行业普遍发展良好。钢材产品广泛应用于建筑、容器包装业、交通运输业、 电气电子业、机械制造业、航空航天和石油化工等各个部门。其中，棒材的需 求最为旺盛，它在我国国民经济中的应用最为广泛。目前，棒材加工业进入了 个与国际市场接轨、融通的新阶段，从世界范围来看，发达国家的棒材生产 的重点已从量的增加转移到提高产品的质量上来，从现场大规模的人工生产转 移为机器化大生产。上世纪9 0 年代以来，我国钢铁企业由于不断改善生产管理 方式和提高技术水平，陆续进行了技术改造，棒材生产方面相关的科学技术进 步很快，但依然与世界先进水平有较大差距。例如，在轧钢、棒材点支和分钢 方面，仍然采用人工点支与分钢。因此，实现棒材生产和成品点支分钢过程全 面采取自动操作，提高生产效率，紧跟国际工业化生产的步伐，是一个被受关 注的课题。 中南大学与涟源钢铁集团联合研制的“涟钢在线棒材自动点支系统”解决 了棒材生产线上的自动点支问题，但仍然采用人工的方式进行分钢。为了最 终解决点支与分钢自动化问题，2 0 0 4 年j 1 月，基于视觉反馈的分钢系统在涟 源钢铁集团通过立项。 如何建立一个自动分钢系统，采用何种方式实现自动分钢、何种计算机控 制算法实现自动分钢控制，以及如何确定整个自动分钢系统的最优参数，是本 课题研究的主要内容。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 棒材分钢研究现状 就棒材分钢系统研究而言，基于视觉的在线棒材自动汁数分钢系统的研究在 国内外几乎是一片空白。国外棒材生产厂家多采用单支剪切工艺，经过流水线的 棒材呈单行排列，没有堆叠现象，因此研制出的棒材计数分钢系统均为机械式系 统，棒材计数、分钢、打捆按照流水线同步完成。并且，在当前国际上，轧钢厂 棒材生产要求其成品按规定的支数进行标准化打捆包装。但是，国内的棒材生产 厂家多采用成批剪切工艺，经过流水线的棒材堆叠严重，小直径棒材有时可堆至 5 - 6 层，机械式系统对此无能为力。因此，导致我国众多轧钢厂的棒材生产均采 硕士学位论文 第一章绪论 用人工计数，手动来分钢1 2 j 。 国内棒材打包生产线流程如图l l 所示，轧钢厂生产出来的棒材经过冷床冷 却后，转运到辊道上，经定尺裁订，间歇转运至一号链。在此不合格的棒材成品 被挑出来，合格的产品则计数，进而转至二、三号链。通过对这三段链条的启停 的控制，采取不同的配合可将前后两捆棒材分开，然后将定支的棒材转移到打包 机打包。 棒材分离和打包生产的计数过程是在二、三号链之间进行。当棒材生产自 动计数系统在生产流水线中将棒材的数量计满到设定值时，控制传送链床自动 停止，并显示出棒材需要分开的具体位置。此时，现场是靠人工用铁钩将已计 数的最后多根棒材钩开，形成一个人工缺口，打包人员再依据此缺口对棒材分 捆打包。 打 = 二 包号号号辊 机链链链 道 t 剪 点支 分离 切 辊 道 冷床 辊 控制室 4 1 -_ _ 道 图卜1 棒材生产过程示意图 人工分钢的方式不但容易出错、效率低，包装数量不能确保要求，而且与自 动化轧钢不相配套，影响生产效率和装备水平的提高：另一方面，由于包装不能 保证准确支数，在市场销售中只能按照重量计量，不能从国际上流行的负公差轧 制方式获得应有经济效益，导致轧钢厂在经济上蒙受损失。因此，棒材的自动计 数、前后捆棒材分离、打包是国内尚未完全解决的一项重要课题。 当前国内外针对计数和分钢已有相当多的研究，但都未能有效地解决自动分 钢的问题。然而实现自动计数分钢又确实是轧钢厂迫切需要解决的一个问题，为 了实现自动化分钢，提高经济效益，轧钢厂急需解决这一难题。目前，国内大多 数钢铁企业对自动分钢机器人的研究正处于起步阶段。综上所述，自动分钢技术 大有发展前景。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 视觉反馈控制研究 随着机器人技术的不断向感知和智能发展，视觉作为一种重要感知能力和 决策控制结合在了一起口j 。视觉数据是最复杂和最有用的感觉输入信息，计算 机的视觉传感器感受到图像明暗信号，并把这些信号变换为可供处理的形式。 把视觉传感器和机械手配合，只要物与其背景的对比明显不同，而且不相互接 触或重叠，那么就能够让机器人通过图像轮廓来识别物体1 4j 。 2 0 世纪9 0 年代，基于视觉反馈控制的研究随着计算机能力的增强和价格下 降，以及图像处理硬件和c c d 摄像机的快速发展，机器视觉系统吸9 1 了众多研究 人员的注意。在过去的几年里，机器人视觉控制无论是在理论上还是在应用方面 都有很大进步。最早基于视觉的机器人系统，采用的是静态l o o ka n d m o v e 形式。 即先由视觉系统采集图像并进行相应处理，然后通过计算估计目标的位置来控 制机器人运动。这种操作精度直接与视觉传感器、机械手及控制器的性能有关， 这使得机器人很难跟踪运动物体。计算机及图像处理硬件得到发展，使得视觉信 息可用于连续反馈，于是人们提出了基于视觉的反馈控制形式1 4 ，5 l ，这种方式可 以克服模型( 包括机器人、视觉系统、环境) 中存在的不确定性，提高视觉定位 或跟踪的精度。这种视觉系统，在涟钢棒材计数项目中已经获得了应用并取 得很好的效果。 基于视觉反馈控制的研究主要集中在智能机器人，这种机器人视觉是机器 人的重要组成部分，也是当前学科研究的热点【6 ，”。其包括对外界信号的采集、 处理、分析和决策控制以及机器人的行走机构、手臂手抓等执行机构等多方面 的研究。文献 8 】介绍了基于图像的机器人视觉伺服控制系统的结构，其工作原 理利用期望图像与机器人当前图像的视觉反馈误差，经过图像特征提取和视觉 控制器来规划和控制机器人运动，实现视觉闭环控制，从而完成视觉伺服、跟 踪任务。文献 9 介绍了基于位置的视觉控制，通过视觉反馈偏差在3 dc a r t e s i a n 空间进行计算，达到获取控制信息，控制机器人运动。但是目前，在工业控制 方面的应用却相当少，工业视觉系统主要用在检测方面，包括用于提高生产效 率、控制生产过程中的产品质量、采集产品数据等。产品的分类和选择也集成 于检测功能中。用于工业控制与生产的机器人大多是进行重复性机械操作，没 有很好的利用视觉反馈信息进行决策控制。而在棒材厂生产线上，此类应用更 是一片空白，因此基于视觉反馈的分钢系统的研究不仅可作为在线计数系统功 能的加强和延伸，其基础方面的研究，诸如运动控制、连续处理、机器控制等 还可以给其他类似的工业控制与生产提供一定的指导。 在本文中，分钢系统采用了视觉反馈的处理的方式，通过视觉传感器( 摄像 机的c c d ) 从无遮挡的棒材端部获取数字图像，采用一系列的图像处理技术， 硕士学位论文 第一章绪论 获取棒材端部的特征，从而对棒材进行检测、识别、计数、跟踪分钢位置点， 具有速度快、精度高、适应性强的许多优点，能灵活处理各种复杂的变化情况。 因此，基于棒材位置视觉反馈控制的自动分钢系统的研发具有重要的经济价值。 1 2 3 液压传动技术 液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能 量的过程。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控 制的技术。液压传动应用各种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回 路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。 因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，以及现代集成电路技术的发明近一 步促进液压控制在工业上受到广泛的重视【l “。液压传动能量传递过程见图1 2 ： 竺一 图1 2 液压传动能量传递过程 分钢机构设计采用了液压传动来构建控制系统，使系统具有一系列优于机 械传动控制系统的特点j ： 液压传动控制系统输出功率大： 液压传动容易实现自动化- 1 昔助于各种控制阀，特别是采用液压控制 和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，这正符合自动 分钢系统需要的控制方式要求： 由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传 动机构，与机械传动相比，这大大提高了分钢机构的灵活性和便利性； 液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小，优化了分钢机构的性能； 可在大范围内实现无级调速。借助阀或液压动力机构，可以实现无级调 速，调速范围可达1 ：2 0 0 0 ，并可在液压装置运行的过程中进行调速； 传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定，大大提高了系统的稳定性； 液压装置易于实现过载保护，使用寿命长； 液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使 用。 并且，随着现代计算机技术、液压流体力学、控制理论的发展，通过理论 硕士学位论文第一章绪论 或试验的方法建立液压系统的分析数学模型，可利用计算机进行仿真j 。对其 有关参数进行优化和预测系统的性能，从而给液压系统的设计带来便捷。 由上述液压传动系统的众多优点看来，采用液压传动来构建自动分钢系统， 是符合工程要求并具有很大经济意义的。 1 24 控制技术 随着计算机及其相关技术出现，控制理论在近几十年已经发展的相当成熟。 经典控制理论设计的控制器主要形式为超f i j 滞后网络和p i d 控制等。随着现 代控制理论的研究发展，又提出了自适应控制、模糊控制等概念，并且在实际 中也得到了一些应用。 p i d 控制是目前应用最多，并且比较成熟的控制技术。在p i d 控制中积分、 比例和微分实际上是基于控制误差的过去、现在和将来的信息，由于传统p i d 控制设计具有简单且耗费小等优点，在工业过程控制中，p i d 类型的控制技术 仍然占有主导地位，特别是在化工、冶金过程控制中。尽管p i d 对于简单的线 性系统是非常的有效，但对于具有较为复杂的过程如明显振荡特征、参数变化、 非线性系统的控制效果并不好。控制界著名学者瑞典教授a s t r o m 对于p i d 控制 的性能、设计、应用、稳定性分析等方面作出了非常大的贡献。许多学者提出 了各种不同的改进p i d 控制器 1 2 1 ，并研制出许多采用模糊逻辑的非常规p i d 控 制器i ”】。研究表明，自调节、自适应以及模糊p i d 不仅可以解决简单线性系统 的控制问题，而且对于许多复杂非线性、高阶等系统具有很好的效果。 模糊控制是利用模糊集合的概念，模仿人的模糊思维逻辑和模糊推理规则 的控制方法。其最大的特点是不依赖于系统的精确模型。其实现方式也由最初 在微型机( 单片机) 上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机 进行直接控制”】。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法， 已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制 方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越 多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。 在基于视觉反馈分钢机的设计中，应用了模糊p i d 技术，首先找出p i d 控 制器的三个参数与液压缸运动位移偏差e 和偏差变化率e c 之间的关系，在运 行中不断检测e 和e c ，再根据模糊控制规则对p 、i 、d 三个参数进行在线修正， 提高分钢系统的动、静态特性。 1 3 课题研究内容和意义 在线视觉棒材点支计数系统的成功研制，解决了棒材在线计数这一难题 硕士学位论文第一章绪论 大大减小了工人劳动强度，提高了生产效率，为厂方赢得了显著的经济效益。 基于视觉的自动计数系统在生产流水线中将棒材的数量计满到设定值时，控制 传送链床自动停止，并显示出棒材需要分开的具体位置。此时，现场是还是靠 人工用铁钩将已计数的最后多根棒材钩开，形成一个人工缺口，打包人员再依 据此缺口对棒材分捆打包。人工分钢的方式难免出现误操作，不但容易出错、 效率低，包装数量不能确保要求，而且与现场的自动化设备不相配套，影响生 产效率和转各7 k 平的楗寓加图1 一r 所录 图卜3 现场工人手动分钢图 自动分钢系统的任务就是代替人工完成棒材分离，排除这种人工操作的误 差，使打捆包装的准确率达到计数准确率，实现棒材计数、分离的完全自动化。 本文进一步提出研究基于视觉反馈控制的自动分钢系统，以视觉反馈的方式控 制机械装置自动完成棒材的分离。 根据项目要求，自动分钢装置需准确地将棒材分开，并将前捆数量的棒材 推入前捆，才可实现自动分离棒材的目的。自动分钢系统要达到上述目的，一 是要准确地识别需要分开的棒材；二是要控制分离执行机构准确地行走到相应 的位置将棒材分开；三是采用一系列合适的动作迅速完成分钢过程。但是，工 业现场的生产状况极端复杂、干扰因素多，并且在分离过程中堆叠的多根棒材 状态变化复杂，为棒材的准确识别以及自动分钢带来极大挑战。因此，分钢装 置不仅要求“自动化”，还必须“智能化”，既要具备强健灵活的执行机构，还 要有对复杂状念进行实时反馈和准确判断的头脑。因此，研究采用视觉反馈的 分钢系统，才能应对多变复杂的棒材分布状态，动态地调整运动轨迹，准确分离 钢材。 系统设计的难点核心问题是：首先，如何设计出分钢控制模型；其次，需 要根据现场实际情况，规划分钢运动；再，设计出相应的计算机控制算法，能 根据视觉反馈得到图片，克服现场多方面的干扰，准确计数、跟踪，找准分钢 6 硕士学位论文 第一章绪论 位置点，并控制分钢楔平稳快速的移动到该位置进行分钢。 综上所述，课题的研究内容包括：1 ) 根据现场实际状况，设计出分钢系统 架构；2 ) 为了更有效率的进行分钢操作，对分钢运动进行规划；3 ) 以棒材生产、 分钢系统特点和液压传动原理为基础，设计采用液压装置的自动分钢系统，并 通过对液压系统精确建模，建立起比例控制阀控单杆活塞液压缸的数学模型： 4 ) 根据所研究情况的实际情况对模型进行必要的分析，应用模糊p i d 控制算法 设计液压闭环控制系统，建立仿真平台，对分钢机控制环节的执行结果进行比 较，探讨系统控制器结构对分钢机动作的影响，并且对项目中所涉及到的软硬 件设计进行详细介绍。5 ) 研究视觉反馈中所涉及到的棒材计数、查找分钢位置 点等与图像处理紧密联系的知识。 基于视觉反馈分钢机的简要系统原理图如图1 - 4 所示，分钢系统工作过程 为：通过摄像头从分钢机构获取棒材端面图像，并将图像信息传至计算机，计 算机采用相应的图像处理算法对棒材检测、计数，并设计出分钢控制器来控制 液压系统，实现自动分钢。 1 4 论文内容安排 图l 一4 自动分钢系统简图 全文是以自动分钢机系统的总体设计为主线，通过建立起分钢机系统的模 型来指导自动分钢机系统的设计，然后就分钢机的各个组成部分、功能特点设 计与实现进行详细描述，并就分钢机的设计和开发全过程进行阐述，相应的全 文内容安排如下： 第一章简要说明了该课题的研究背景、国内外研究现状、内容及其目的， 并简要的介绍了分钢机分钢过程。 第二章总体介绍了分钢控制系统的视觉、液压、机构设计部分，并对分钢 机总体设计和设计上的难点进行了分析。 硕士学位论文 第一章绪论 第三章详细地阐述了自动分钢机的视觉反馈部分，涉及到图像预处理、视 频采集、视频的图像处理和棒材计数的处理。 第四章介绍了分钢机的液压部分，并且建立了控制阀、液压缸的数学模型 并对模型进行讨论分析。 第五章详细说明了分钢控制器的建立，研究模糊p i d 控制原理，明确参数 自整定模糊p i d 液压控制器的设计思路，并分别进行了基于p i d 和模糊p i d 控 制器的分钢机系统模型进行仿真。 第六章分别介绍了在分钢机的设计中所涉及到的软、硬件部分。 第七章对全文进行总结，并展望进一步的深入研究的方向。 硕士学位论文 第二章分钢系统总体设计 第二章分钢系统总体设计 21 在线视觉分钢系统的结构及工作机理 由于棒材堆叠和相互交织，分钢工作很复杂。分钢过程应该是一个闭环控 制过程，反馈信号是棒材的当前图像，因此需要采用视觉反馈控制。由此，本 文提出了采用了基于视觉反馈的在线视觉自动分钢系统方案。在线视觉自动分 钢系统整体情况如图2 1 所示： 图2 1 在线视觉自动分钢系统图 从图2 - 1 可以看出，该分钢系统由工业控制机、摄像头、液压油缸和分钢 楔子执行机构四大部分组成。整个硬件系统构成一个反馈控制环，当在线计数 系统报告计数满时，分钢系统通过视觉反馈获得图像信息，将前后捆棒材分开， 完成运动控制的所有动作细节。 分钢系统在工作时，首先由摄像头从二号链床和三号链床交汇处不断获取 棒材图像，并截取有效部分，在计算机中采用灵活的图像处理技术，得到各棒 材中心位置，并进行计数。从控制台设置的初始值为每捆棒材支数，计数过程 中即时显示当前计数数值，当计数值到达设定值时，发出“计数满”信号，控 制链床停止，并给出视窗中属于前捆的棒材数目。工控机通过图像处理得到分 钢位置，并根据棒材堆砌的状态，选择合适的分钢策略以及分钢运动控制算法， 计算出分钢楔的运动轨迹，向液压装置发出指令。液压装置根据工控机发来的 运动指令，控制液压执行机构进行分钢。棒材在分钢楔的作用下做不确定性运 硕士学位论文第二章分钢系统总体设计 动，工控机通过摄像头监视棒材和分钢楔的运动状态。根据新的状态制定新的 分钢策略，算出分钢楔新的运动轨迹。分钢完毕后，计数器置零，继续进行下 一批棒材计数。 2 2 分钢系统运动规划 现场工人在进行分钢操作时，依据棒材当前位置分稚以及分钢楔与棒材的 相对位置来决定分钢动作。为了让计算机能够对分钢运动具有良好的智能性、 可操作性，通过视频反馈获得分钢楔位置以及分钢楔与棒材的相对位置关系， 分钢控制器做出决策，决定分钢楔子作何种运动，实现分钢操作。 首先，根据分钢控制系统设计需要，分钢运动动作实时性好，能够快速的 将棒材分开。其次，需要运动动作柔和，对设备损坏小，防止速度急速上升和 急停现象。最重要的是分钢楔子运动到分钢点的位置要精确，防止振荡、减少 超调。根据上述需求，必须对分钢系统进行运动规划。 棒材在线系统计数满后设定分钢点位置，设已计数的集合为s ，s 中最 后一根棒材为p ，其圆心横坐标为x p ，设最靠近p 的棒材q ，且q g s ，其横坐 标为x q ，则分钢点的横坐标为x s 按公式2 1 计算可以得到。在确定了分钢位 置点以及分钢楔位置后，计算出相对位置，控制器将确定分钢动作。 x s = ( x p + x q l 2 ( 2 1 ) 分钢开始时，分钢楔子从初始位置开始运动，这时分钢楔子距离分钢点距 离在2 0 0 m m e ，m 0 比例阀采用f 重叠( 负开口) 四边滑阀主要用于此位置控制系统。根据伯 努利方程得到流量方程【2 9 】( 假设供油压力恒定即见为常数，回油压力p o = 0 ) ： r 一 q l = 2 c a c t f ( e 一只) ( 4 - 9 ) vp r 0 2 = q d 。，e ( 4 - 1 0 ) vp 厅一 0 3 = c d c t o ，e ( 只一曼) ( 4 - 1 1 ) vp r q 4 c a c t o j 孟弓( 4 - 1 2 ) 口o = c o a( 4 1 3 ) 式中， 国一窗口面积梯度； 一开口宽度； 只一液压缸无杆腔液体压力； 只一液压缸有杆腔液体压力； q l 一由油源流入液压缸无杆腔的流量； q 2 一由液压缸有杆腔流回油箱的流量； q 3 一由油源流入液压缸有杆腔的流量； q 4 一由液压缸无杆腔流回油箱的流量； p 一油液密度； q 一流量系数，无因次。 当阀芯产生x 位移时( 向下) ( x ) ，显然此时窗口已堵死， q 3 = q 4 = 0 所以此时f 重叠四通比例阀负载流量方程为： 蚪q 历i 啦郴_ ) 痧降 硕士学位论文 第四章分钢控制液压系统模型 q 却。压却c ，唇 定义负载流量为： g o - 半 联立( 4 - 1 4 ) 式、( 4 - 1 5 ) 式、( 4 - 1 6 ) 式得： g o = a 叫卜) 吾( c 吲 其中只为负载压力，a 为面积比例系数。 ( 2 ) 当液压缸向收缩方向运动时，y 0 参照阀控缸示意图可得此时比例阀的流量方程为： q 却。历抛t o ( x - a ) 2 - 屉o p , = c j 序五刊，序五 定义负载流量为 q 。：妻( q 3 + q 4 ) ”q 烈x - a j 亏e + 只 f ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) f 4 1 9 1 r 4 2 0 ) 将上式与式( 4 - 1 7 ) 写成统一形式，得： 驴a q o j ( x - a ) 丽 降z ， 上式便是比例控制阀控非对称液压缸的负载一流量方程。 令： k 矿“警k 叱一。再 k 一鲁k 矿峨州“训孝专 、只。均为工作点值，所以有 硕士学位论文 第四章分钢控制液压系统模型 o 。= k 。x k 。p = a k x a k 。只( 4 - 2 2 ) 上式即为比例阀控非对称液压缸的线形化负载一流量方程。 式中： k q o 一比例阀流量增益； 以。- - l l 例阀流量一压力系数； k 一比例阀控对称液压缸时比例阀的流量增益，可用在负载压力 置= 时q ，流量曲线处的斜率近似代替，以只为参考变量 的流量曲线族反应了滑阀对流量控制的灵敏程度； 疋一比例阀控对称液压缸时比例阀的流量一压力系数，可用在 x = 时q 只啦线处的斜率近似代替，它表示在滑阀窗口 开度一定的条件下，负载流量对负载压力的灵敏程度； k 、k 对系统的动、静态品质影响很大，前者影响到系统开环增益的大小， 因而影响到系统动态品质和静差；后者相对于一种阻尼，因此直接影响到系统 的稳定性和动态品质【3 1 ，3 2 】。此外，k c 也相对于泄漏系数，故对系统的刚度影响 也较大。公式的整理与综合： ( 1 ) 液压缸的比例阀负载一流量方程1 3 2 , 3 3 1 将式( 4 2 0 ) 、式( 4 2 1 ) 带入式( 4 2 2 ) 得： 眈= g 丘+ 去c k 等一争+ 圭c 等一等， 式中： c ，一总泄漏系数5 n - i s ，c f = c 。+ c 。2 ； 非对称液压缸的负载一流量方程为： 既= c ，艺+ 荔，鲁+ a m 。面a y ( 4 2 3 ) 式中： 以。一液压缸活塞平均面积脚2 ； t 一液压缸等效容积m 3 ； 一2vr3+05(1417v 3 ) k = ，j l 8 1 + 4 ”2 显然，由于等效容积屹包含变量v l ，所以它是一个变化值， 硕士学位论文第四章分钢控制液压系统模型 当k = 0 时 当k = v 时 取平均值 矿：盟 。1 + 4 r 2 v o 5 v 。一而 k = 等铲 取： 4 = 訾 则： 屹= 4 三 ( 2 ) 非对称液压缸的力平衡方程 由阀控缸示意图可得到动力机构的力平衡方程 m 譬+ b p 笔代y “j = f f = a 。只一a 2 式中： m 一负载质量( 包括活塞杆质量) 磁： b 一负载粘性阻尼系数； k ，一弹簧系数m ； f 一负载力n ； f 一液压缸冲击板材时的冲压力( 在回程时为o ) ， 则y 0 时的负载压力方程：、 只= 窘+ b p 瓦a y + k j ，圳 r 4 2 4 ) r 4 2 5 ) ( 4 2 6 ) r 4 2 7 ) 硕士学位论文 第四章分钢控制液压系统模型 式中： 正一等效干扰力n ；正= 一厶 厶一附加干扰力n ； 厶= 警= 等 当附加干扰力变为： a p 3 “2 青孑 负载压力方程与式( 4 2 7 ) 相同。 ( 3 ) 比例阀控单杆活塞液压缸的数学模型 将式( 4 2 4 ) 、式( 4 2 5 ) 、式( 4 2 7 ) 分别进行拉氏变换得 q i ，= k q ，x s k ，p 声 q f 02 c | p + 赢p p + a m v必 只= 去沏h 2 + b p y s + y + 五) 联立以上三式，可得阀控缸的数学模犁为： r 4 2 8 ) r 4 2 9 ) r 4 3 0 ) 卜再豸孝一件蛐 1 k 素s 籍+ 警妒+ c 筹+ 竽+ 竽“ 式中： x , o 一总流量一压力系数 m 5 ni s 。 k i 。= kc d + c t 由于在此系统中弹性负载可近似看作为0 ，即k = o 而且液压阻尼b p 也相对很小，故有： 盟“a。ae 删 硕士学位论文 第四章分钢控制液压系统模型 所以上式可简化为 m 、麓x 一丧c 去川m 卜筹s-5- z ，si l 魄。”j 式中： 。一液压缸液压固有频率 。= 2 点。一相对阻尼系数： 缸鲁跞+ k 压 由公式4 3 2 ，得到相应的阀控缸系统传递函数框图，如图4 5 所示 r 4 3 2 ) 图4 - 5 阀控缸系统传递函数框图 4 3 3 液压系统最终模型 由以上的分析，若要构成一个闭环控制系统，可得到具体的系统方框图 图4 - 6 系统方框图 降 硕士学位论文第四章分钢控制液压系统模型 所以可得系统的最终数学模型 g = 高 ，。， 1 + 彤( s ) h 0 ) 。 其中，由式( 4 9 ) 、式( 4 - 3 2 ) 分钢系统液压部分的传递函数： ( j ) =a m 。( 三s + 见) ( ，竹s 2 + 凰+ k )一丧c 去川m ( 乓+ 墅+ 1 p i 。h e r 4 3 4 ) 这样，液压系统的比例控制阀控非对称液压缸的数学模型建立起来，在后 面的系统仿真部分，只要将工程中给定的具体参数值带入各个环节的传递函数 式，便可得到具体传递函数。这是设计系统控制器并确定控制器参数的前提。 4 3 4 系统参数的确定 系统的主要参数由设计指标和液压件厂家提供口4 】( 见表4 - 1 ) ，将表4 1 中 的仿真参数值分别代入已建好的比例阀环节与液压缸环节的传递函数式，得到 它们的具体仿真传递函数。 表4 - 1 系统仿真参数给定表 参数符号数值单位 液压缸活塞折算质量m 4 8 5 1 0 3 k 。 油液体积弹性系数8 1 1 4 1 0 9 只 比例放大器回路增益 k 。 0 0 4 8a | v 阀的流量一压力系数 k | ， 1 0 2 7 1 0 一2m 5 n 一1 s - i 液压缸活塞面积 4 4 7 2 l o _ jm 活塞杆截面积 口1 5 1 l o 叫m 液压缸最大行程 o 8m 液压缸的作用比 珂 0 6 8 液压缸活塞等效面积 4 4 2 3 1 0 。 2 m 液压缸活塞平均面积 a m e 3 9 6 5 x 1 0 。 m 液压缸等效容积 圪 2 11 5 1 0 。m 液压缸固有频率 h 9 5 7r a d s 液压缸总泄漏系数 c f 4 7 1 0 1 3m 5 n 一1 s - i 液压缸总阻尼系数 彘。 1 4 2 1 0 吖s 一1 3 0 硕士学位论文 第四章分钢控制液压系统模型 将上表中的仿真参数值分别代入已建好的比例阀环节与液压缸环节模型的 传递函数式中。在后面进行系统分析时，比例阀和液压缸环节可直接使用这些 参数进行仿真。 4 4 本章小结 本章对分钢机液压系统部分进行了分析，对系统中的控制阀、液压缸的特 性进行了分析，并建立了液压系统各部分的数学模型。这些将为后面设计控制 器、验证控制算法的可行性，优化参数打下基础。 硕士学位论文 第五章分钢控制器殴计及仿真 第五章分钢控制器设计及仿真 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、 可靠性高，被广泛应用于工业过程控制 3 5 1 。但是对大多数具有非线形和时变不 确定性的实际工业生产过程，往往不能达到理想的控制效果。在分钢机运动控 制中，p i d 控制器的控制效果与其参数整定的精确性密不可分，在实际生产现 场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，p i d 控制器参数往往整定不良，控 制性能欠佳，并且对运行工况的适应性比较差。 模糊控制器是按一定语言控制规则进行工作的，而这些控制规则是建立在 总结操作者对被控过程所进行的手动控制策略基础上，或归纳设计者对被控过 程所认识的模糊信息的基础上1 3 6 1 。它明显的一个优点是控制规则不受任何约 束，可以完全是不可解析的，以便定性的采纳各种好的控制思想。另一个优点 是对系统内部参数的变化具有较强的适应性。因此，模糊控制器特别适用于那 些不易获得精确数学模型和模型不确定或多变的一类被控对象。 基于以上分析，本章通过对于p i d 控制器和模糊控制原理的研究，建立了 分钢机的模糊p i d 参数自整定系统。 5 1 分钢机的控制思想 分钢机工作在棒材生产现场，作业工况复杂，并且液压系统的动力特性受 到油温、油压以及液压元件的公差的影响。因为这些参数随着分钢机工作状态 的变化具有时变性，从而进一步导致分钢控制系统的非线性。因此，对于分钢 机控制器的研究成为本课题中的一个重要环节。 在工业生产中，p i d 控制具有很强的生命力，同样在分钢机系统的设计中 也占有重要地位。其主要原因在于，p i d 控制对大多数过程都具有良好的控制 效果和鲁棒性，同时，p i d 控制算法原理简明，参数物理意义明确，理论分析 体系完整且应用经验丰富【3 ”。但是，传统的p i d 控制也存在许多不足。最突出 的一点就是有关p i d 控制器参数的问题，p i d 控制器的参数必须相对于某一特 定系统( 模型已知、系统参数已知) 进行整定，一旦整定完毕，便只能固定地 适用一种工况1 3 ”。大多数的生产过程都具有非线形，且其特性随时间的变换而 变换，当过程特性或环境发生变化需要控制器作相应的调整以保证控制质量时， 它没有这种“自适应”能力，而需要重新整定参数。 对于分钢控制系统，由于在棒材计数及分钢过程中受到各种复杂因素的影 硕士学位论文 第五章分钢控制器设计及仿真 响，很难建立精确的数学模型。同时，生产过程是连续的，p i d 参数的人工整 定需要一定的时间，如果进行重新整定在实际的棒材生产过程中几乎是不可能 的。但是p i d 控制器参数的优劣，是与分钢机的控制质量直接相关的，而控制 质量的好坏意味着经济效益的高低。 在分钢控制器设计中，首先设计出了p i d 控制器，并在此基础上，根据设 计需求，人工调试经验，改进为模糊p i d 控制器。这样既保持了常规p i d 控制 简单可靠，结构灵活，适用范围广的特点，又结合模糊控制的特点，不依赖于 过程的数学模型进行控制器参数的自调整，兼顾系统对“设定值跟踪”和“干 扰抑制”两方面特性的需求，以满足过程的控制品质要求。 因此，根据以上的设计需求和分钢机的运动规划，分钢控制器的控制分为 两种状况。控制器通过视觉反馈，判断分钢楔子距离分钢点的位置较远( 距离 在2 0 0 r a m 范围外) 时，输出最大控制量，使分钢楔子以饱和速度向分钢点动作， 这样可以节省大量的控制、调节时问：当距离在2 0 0 r a m 范围内时，为了提高控 制精度、参数自整定、减少超调量，采用了模糊p i d 控制算法。控制模型见图 5 1 ，由控制器、电液比例阀、液压缸、分钢楔、摄像头采集和图像处理几部分 组成。 图5 一l 自动分钢控制模型系统框图 5 2 分钢机参数的自整定规则 在分钢机设计初期，采用了p i d 控制方式，它是一种线性控制方式，它根 据给定位移值与实际得到的输出位移值的控制偏差来调整分钢楔子的运动轨 迹。为了更好的设计出模糊p i d 控制器，必须通过已设计出的p i d 控制器调试 经验，获得分钢机参数的自整定规则。 p i d 控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简 单控制算法。它基于系统误差的现实因素( p ) 、过去因素( i ) 、未来因素( d ) 硕士学位论文第五章分钢控制器设计及仿真 进行线性组合来确定控制量，具有结构简单易于实现等特点p 8 1 。根据不同情况， p i d 算法有多种形式，如p i 控制、p d 控制及各种改进形式，根据比例、积分、 微分环节的不同作用采取恰当的p i d 控制算式。 p i d 控制表示比例( p r o p o r t i o n a l ) 一积分( i n t e g r a l ) 一微分( d i f f e r e n t i a l ) 控制，用传递函数的形式表示为： 土 u ( k ) = k p p ( t ) + k ，e ( f ) + k d e c ( k ) ，= o 其增量形式为： a u ( k ) = k p e c ( k ) + k ，e (