液压AGC系统控制算法研究.ppt

1,答辩,液压AGC系统的控制算法研究,研究生姓名：导师姓名：所在院系：学科、专业：,2,答辩提纲,课题研究背景与意义,国内外发展综述,液压AGC系统数学方程的建立及性能分析,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,结论,3,课题研究的背景和意义,钢铁工业在工业化进程中始终处于基础产业的地位，板带刚是各类轧钢企业为了适应不同工业部门生产各类金属或机械产品需要而生产的一种窄而长的钢板，它的生产是钢铁工业发展一个非常重要方面。,伴随现代工业技术的快速发展，对带钢厚度精度的要求越来越高，厚度自动控制（AGC）系统可以控制金属带材厚度精度，提高金属带材的成品率。,目前，我国比较先进的轧机自动厚度控制系统一般都采用进口装置，这在很大程度上阻碍了我国在轧机技术领域的进一步发展。因此，需要将智能控制方法理论在轧机厚度控制系统方面的应用重视起来。,4,国内外发展综述,板带轧机厚度控制的发展大致可以分为以下四个阶段：,人工操作阶段,常规自动调整阶段,计算机控制阶段,智能控制阶段,5,国内外发展综述,板带轧机厚度控制的发展过程是伴随对板带尺寸精度要求越来越高而不断地发展改进的，它经历了由最初的人工操作到现在的智能控制等阶段。AGC系统可以减小轧制过程中产生的纵向上的厚度偏差，使带钢后部厚度与前端厚度基本保持一致，即保证带钢纵向长度上的厚度在公差范围内。,近些年来国内外在轧机技术方面取得了新的进展，无论是在板带材的厚度精度还是在其它方面都有很大成就。为了满足日常生活、军事、工业等各个方面的需求，各国都先后投入了大量的人力物力用于提高板带材的质量和效率，并研发了多种现代化大型轧机设备。,6,液压AGC系统数学方程的建立,液压AGC系统主要由伺服阀、回油管道、液压缸、传感器、控制放大器组成，故可根据机理建模的方法分别建立伺服阀的基本方程、液压缸连续性方程、被压回油管道方程、力平衡基本方程和位移传感器方程，并在此基础上推导出了液压位置压下系统的闭环传递函数。,将各个参数值代入后的传递函数为：,7,液压AGC系统的性能分析,液压AGC系统的稳定性分析,8,液压AGC系统的性能分析,2.液压AGC系统的动态响应分析,对液压AGC系统外加一个阶跃响应信号，并在MATLAB环境中进行仿真，得到的阶跃响应曲线如右图所示。,该系统的响应速度虽然很慢，但是处于稳定工作的状态。实际应用中，要求系统具有快速响应的特性，故需要对该系统设计相应的控制器，以便提高在实际应用中的控制精度。,9,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,1.PID控制器的设计,根据自动控制原理中PID控制器的设计方案设计出常规PID控制器。PID控制器的组成图如下图所示。,给定的信号与反馈回来的信号相减后来作为PID控制系统的输入信号，通过PID三种控制器的作用对被控系统施加一个控制信号。被控对象此时的输出信号又反馈给输入部分，这样是整个系统形成一个闭环状态，提高控制的精度。,10,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,PID控制器的作用规律为：,1.PID控制器的设计,可以提高系统的响应速度，同时降低静态误差,可以降低被控系统的静态误差，但同时会使超调量变大，响应速度降低，严重时还会使系统出现震荡,可以提高系统的稳定性，提高响应速度,比例、积分、微分三个环节的系数调整按下列公式计算。,11,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,利用模糊函数数据库对PID的参数进行在线调节，可简化它的调节过程，且具有良好的控制效果。PID参数调整原理如下图所示。,2.模糊PID控制器的设计,将偏差和偏差率作为控制器的输入，经过模糊化处理将实际量转化成模糊语言后，再利用模糊规则分别对比例、积分和微分系数进行在线调节，最后对调整结果进行反模糊化处理后输出控制力对被控系统进行有效的控制。,12,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,基于模糊PID控制器的液压AGC系统参数调节图如下所示。,2.模糊PID控制器的设计,13,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,模糊PID控制器的设计步骤。,2.模糊PID控制器的设计,a)输入输出变量范围的选取,14,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,b)模糊语言变量、模糊子集和隶属函数的选取,本文中，输入和输出变量选取相同的隶属函数，隶属函数选取三角函数的形式，并设置两边的函数为S型隶属函数，以增强中间部分的分辨率，所选取的隶属函数图如下图所示。,15,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,c)模糊规则的建立,在制定液压AGC系统的模糊规则时，遵循以下原则：（1）当偏差增大时，应增加相应的控制量；（2）当偏差较小时，应注意调节系统的稳定性；所建立的模糊规则界面图如下所示。,16,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,在模糊推理系统的界面上选取相应的论域、隶属函数等，此后根据实际经验制定模糊规则。模糊规则建成后，输出变量的比例系数、积分系数和微分系数的多维立体图如下所示。,c)模糊规则的建立,17,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,比例系数、积分系数和微分系数经过解模糊化后，输出精确控制量的计算公式为：,d)PID参数的在线校正,18,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,3.仿真及分析,19,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,3.仿真及分析,模糊自适应PID控制器可以根据输出数据的变化，自动调整PID的三个参数，实现对系统的稳定控制，其阶跃响应曲线如下图所示。,20,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,3.仿真及分析,将PID控制器的阶跃响应图与模糊自适应PID的曲线图相比较可以看出，模糊PID控制器在0.5s之前就已经使系统达到稳定，而PID控制器在0.5s后才使系统稳定，且模糊PID仿真曲线的超调量比PID控制器的超调量要小。,21,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,3.仿真及分析,液压AGC系统具有很强的不确定性，故所使用的控制算法应该具有很强的鲁棒性。改变控制对象的模型，比较PID控制器和模糊PID控制器的性能，将AGC系统的闭环传函改为：,观察两种控制器下的液压AGC系统的阶跃响应曲线，比较它们的性能。,22,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,控制对象的模型变化时，两种控制器的响应曲线,PID控制器的阶跃响应曲线,模糊PID控制器的阶跃响应曲线,23,液压AGC系统的控制算法研究及仿真分析,3.仿真及分析,由以上两个仿真曲线可以看出，当被控对象的模型发生变化时，模糊PID控制器所对应的响应曲线基本没有发生太大的变化，超调量和过渡时间依然很小，而PID控制器控制下的曲线波动很大，超调量急速增加，这说明，模糊PID控制器比PID控制器的适应能力强、鲁棒性能也较好，它能使液压AGC系统达到满意的控制效果。,24,本文用机理分析建模法建立液压AGC系统的数学模型，设计了常规PID控制器和模糊自适应PID控制器。并在MATLAB中对轧机自动控制系统进行了仿真，证明这两种控制算法都是有效的，且模糊PID控制器具有强鲁棒性，其性能优于常规PID控制器，能使液压AGC系统达到满意的控制效果。,总结,本文主要做了以下工作：,此外，还存在以下缺