钢卷自动上料小车研究（设计资料含CAD图纸）
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鞍击再技太掌礤士论文摘要摘要A P C 控制系统是工业控制中广泛应用的一种控制系统，茏萁在带材和板材生产过程中，为了提高生产效率，希望位鬣控制能在最短的时间内到达给定的目标值，即走完审4 定的行程。希耀在时闻和效率上都达到最优。本文摄据冷轧清洗线镪卷小车豹定经过程对A P C 控制系统避行分析，瘟壤霹缩程控巷9 器( P L C ) 对该控制系统进行设计、编程及现场调试，经试车各项指标均达到设计要求。本文从小车的控制任务出发，对于小车的升降和横移分别给以介绍，划予高度对孛帮宽瘦对串的设计方法给班充分豹论涯程计算。并对冷 L 瀵洗线钢卷小率A P C的控制过程进行了进步理论分析和设计。在控制任务的分析过程中，本文提出并采用了一种面向智能控制对象的方法，使用用例横型( U S EC A S E ) 方法进行任务分解，搜大型的、复杂豹控剖系统荔于编程实瑰。接着对于控剩方法静设诗秘实瑶进行详细的介绍。最盾，本文对钢卷小车自动定位A P C 提出了一种新的控制方法。采用模糊控制方法对钢卷出于重量不围丽引起的。袋性滑差进行凇确修正，g 够薅决轧钢工娥中关于类似的上料和卸辩存在的定位不准的阔题：控锖4 方案和设计方法经现场运行表明是正确可靠的。关键谲：A P C 控制系统，P I _ C ，精铡模型，横猢控嗣茎垒茎茎塞篓薹主兰兰一鳃塑iA b s t r a c tA u t o m a t i cp o s i f i o c o n t r o l ( a b b r A rC ) s y s t e m 扭at y p eo fc o n t r o ls y s t e mw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 e s p e c i a l l yi nt h ec o u r s eo fs e i pp r o d u c t i o n F o rt h ep u r p o s eo fe n h a n c i n g p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y , i t i s c x p e e t e d t h a t A P Cc a n m a k e t h e p o s i t i o no f c o n t r o lo b j e c tl ；o m e 船p r e s 髓错鲻v a l u e 删描y 星sp o s s i b l e , a a m e l y , f i n i s ht r a v e r s i n g 妇p r e s e td i s t a n c e A sw e l la si ti se x p e c t e dt h a to p t i m i z a t i o nC a l lb cr e a l i z e di nt h ea s p e c to ft i m ea n de f f i c i e n c y , T h i sp a p 嚣。o m e s 舭mn e w l yb u i l tp r o j e c t e l e c t r o l y t i cc l e a n i n gl i n e( a b b r E C 秘o f r t e ws e e lC o ，L t 覆O f 勰融鹣s t e e lg r o u p 嬲量m n N y z e sA P Cc o n t r o ls y s t e ma o e o r d i n gt op o s i t i o n i n gp r o c e s so f c o i lc a ru s e di nE C La n dd e s i g n si t sc o n f f o ls 瑚t e mw i t hP L Ca n da c o m p l i s h e st h ed e s i g nd e m a n da f t e rd e b u g g i n go i lt h es p o t T h i sp a p e r , b a s e do nc o n t r o lt a s ko fc o i lc a Li n , e d u c e st h el i f t i n ga n dt r a v e r s i n gc o n t r o lo fc o i lc a ri nd e t a i la n dd e s i 则t h em e t h o do f a u t o m a t i ch e i 曲tc e n t e r i n ga n dw i d t hc e n t e r i n go fc o l tt a m e do nc o i lc a r T a i sp a p e r ：p r e s e m sa n da p p l i e sau p - t o l a t em 武t m do fi n t e l l i g e n tc o n t r o lO b j e c to r i m l t e di nc 0 1 a t r o lt a s ka n a l y s i s ，L a r g es c a l ea n dc o m p l i c a t e de x m t r o It a s ki se a s i l y ，p m g r a m m a b l yi m p l e m e n t e dw i t h u s ec a s e ”m o d e l A tt h eN a n l et i m ei td e t a i l e d l yi n t r o d u c e st h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fA P Cc o n t r o la l g o r i f f a n ,F i n a l l y , t i f f sp a p e rp r e s e n t san e wc o n t r o lm e t h o dw i t hr e g a r dt ot h eA P Cs y s t e mo fc o i lc a r T h e 慨c o r r t r o l l e re m p l o y e dC a l lp c i s e l yc o r r e c tt h ei n e r t i ad e v i a t i o no f c o l |8 a | s p o s i t i o n w M c h r e s u t t s f r o m w 基g h t d e f e r e n e e o f v a r i o u s 积舞辩t h a t i t ；s o l v e t h ei n a c c u r a t ep o s i t i o n i n gp r o b l e mi nt h ee o B r s eo fs i m i l a rl o a d i n ga n du n l o a d i n gi nt h er o l l i n gi n d u s t r y I ti ss h o w e dt h a tt h ec o n t r o ls c h e d u l ed e s i g n e dw a ge x a c ta n dr e l i a b l ea f t e r o n - t h e m s t r o t d e b u g g i n g 蠲d o p e r a t i o n 。K e yw o r d s ：A P CC o n t r o lS y s t e m ，P L C ， u s e 糯s r M o d e l ，F u z z yC o n t r o l珏知识水坝为您整理鞍矗藉接走擎疆圭语文第一章馨遴繁一章综述冷轧带弼衰丽箭宥辄制穗、梳油、辫束和获尘赣污翰。誊清流不干净释，道火后这些污物成为碳化物，既有损外观，也是后步工序产生搿故的原因，特别是滁镀震镪援，产生袭蕊嫠苇垮，捷聪蕊性爱蜒。瑗在鞣饕工监蔽謇魏发囊，瓣冷转攀舔簿援零蒲轹臻采越絮楚蕊。基于魏释瑷援，赣镄凌窝新建冷魏懑洗绫。罐蓊我攀寰钢成功的叠线引进条冷札清洗线，耐鞍钢正在筹备的是豳内首条自己的冷轧清洗残。本文麟爱在般鸷最下突残缝，矮箱蕊投资7 0 万，鞠籀媳生产线虿嗣的是：窿墓缝嚣蔼讫蔫死囊生产线萋魏上，采爨添褒设诗、嚣霭裁逡、翟蠹慈受凌、疆薮麓类似项目犬都是由外国人束设计调试，本项目是国内酋条由中国人自己设计调试的大中型生产线，遮对予邋囝产化的道鼹，膏深远的懑义。l ，l 爱羲鹜豪冷轧板带有极广泛的用途：汽擎传0 进、电气产晶、造船、民用建筑、工业厂房、塞蘑咆黪簿昝，辫需要夫壤麴冷 k 声菇，瞻子冷蟪薄攫巽有较高的帮滤德，近褒越慕越多韵镪铁囊漫避入羚筑好受，蓠壤，嚣镇、麝壤，马镶、嚣臻等镪鞭簌鹫绥纷新建冷轧项目，并且塞钢、鞍钢、斌钢、攀钢辞橼统的冷轧产晶啦产厂也通过扩建、技术改嫩的老式不蛳扩大生产能力。隧藩中国加入wT O ，围辨蛉冷轧产赫趣饕丈董熬避A 率鬻蔫臻：衷灏凳争器蕊鼗爨。髓饕王渣敬囊漫，黠簿援矮璧要求越来越离，产餐要求越来悲夫，对冷筑横生产也提出了蹙商的要袋，精干产品的脯鬣和生产效率都提出了挑战。如何面对这种挑髋，就辩从牲制的全岗潜手，要使姆个控粼筇葶镳爨嚣窘遵照搀囊。1 2 工艺概述全线一热分为三个掷努，入口段，演洗段帮出霸段。设备眷台开器械，一螽整遍冁，蠢署赘懿菠多兮嚣舞糖，褒蘩橇；卷蕊橇，皇卷鄹鹭卷枣毒譬。天警羧囊费上卷，矫煎，去头滗，舜接和挖边等Z 作。清流馥敷费清洗，滴穗液的控制可戳有四种调节方式，包括温艘，浓度，流嚣和液位调节。出口段根捌鼹求的卷长完艘甥麟、卷浆、稼震、鳍攒辨及逶鐾萼王裕。熬个王芑滤褪燕莲i + ! 。A 口葭 出一缀( 蕊坜设备缀) 躐静二缫( 过程控制鼗) 率谤一个锅卷萼褐，钢枯倍息从= 级数帮庠中舣出，包括钢淞熏：嶷、钢擞愫魔、厚度以及钢卷的外校和蠢铤磐。：摄设囊邀遴镪越觞箍理蘩撬，毫撼壤妨遴入生产线爱鳇最大速度、九弱强力、窭繇强力、镯裁瘫瓣静妖菠、袋数筹。辆卷携疆溥琵设定窆焉，豢壤嚣柬料的情况进行验收，如柴照不满足生产舔件的钢卷，可以拒绝此铺港，如果合格则知识水坝为您整理鞍山科技大学硕士论文第一章综述钢卷出入口运卷车运送钢卷到丌卷机。同时钢卷的信息也显示在监控画面的丌卷机处。接着磁力皮带吸附钢卷带头把卷打丌，向前送入央送辊。矫直机用于平整质量差的钢材的带头和带尾，使钢卷按直线向 U 爬行。切头切尾部分是为了提高带钢的质量，把头尾部不规整的部分切除掉，可以由H M I ( 人机接1 3 画面) 或者二级来控制切割块数和切割长度。之后由焊接机将前一钢卷的带尾与后一钢卷的带头焊接上，并由挖边机将焊点处由于带钢宽度不同而突出的部分挖掉一圆角。u U ”口l 阻口幽1 11 艺流科幽工艺段：带钢继续r 甸f i i J 爬行依次进入碱洗槽、电解槽和热水槽。在热碱溶液中使表面油渍皂化；然后进入配有刷辊的电解清洗槽，带钢在两侧电极和刷辊的作用下，使表面油渍进一步去除；热水清洗槽将钢带表面上的碱液用热水喷洗掉并经过挤干辊挤干表面。这个过程可以通过P I D 调节器来调节清洗液的液位、浓度以及温度，使清洗达到最佳效果。出口段：带钢经工艺段清洗后，经导向辊进入张力辊，张力辊主要起张力调节作用。带钢由出口剪切割掉焊点，并按照要求是否进行取样切割。切割完成后，带钢被分为两卷。前一卷由在卷曲机上进行带尾定位成卷后，经出口卸卷车运送出生产线并进行打捆等处理。而留在线上的带钢接到前一卷带钢处理完成、卸卷车回到卷曲机下面的等待位的信号后，带钢丌始向前爬行，进入新一卷的卷曲动作。1 3 本篇论文的内容由上一节的知识我们可以把整个工艺分成以下的控制任务，如图1 2 所示。在这项工程中，我负责入口上料和出口卸料。主要的控制任务如图1 2 中虚线框中所示。鞍钢冷轧清洗线是条无头清洗线。所谓的无头清洗，就是要保证了全线生产的连续性。所以上料和卸料的顺利进行就变得非常关键了。本次工程上料和卸料过程都是由钢卷小车来完成的，钢卷小车不但要完成运卷、上卷等过程，还负责钢卷直径和宽度的测量以及准确对中定位等任务。鞍山科技大学硕士论文第一章综述图1 2I 艺流样幽在现代工业生产过程中，有许多生产机械要求能够对其位置进行精确的控制L l , Z J ，即A P C 自动定位控制系统( A u t o m a t i o n P o s i t i o n C o n t r 0 1 ) 所要解决的问题。在带材和板材工业加工过程中，生产的速度越来越快，要求的效率越来越高，因而要求位置控制的机械能在最短的时间内到达给定目标值，即走完预定的行程。问题是我们应按什么样的控制规律来调节驱动设备的速度，使生产机械在最短时问内以要求的精度到达指定的位置。为了达到要求的控制精度，问题在于应该什么时候发出制动信号，从而保证机械行程无超调地、准确的停止在制定的位置。鞍钢冷轧清洗线自动控制系统是采用了A P C ( A U T O M A T I cP O S I T I O NC O N T R O L L E R ) 自动位置控制方式，这种A P C 控制系统是对以行程或转角作为控制对象的机械进行自动定位的控制系统。在指定时刻将被控对象的位置自动地控制到预先给定的目标位置，使控制后的位置与目标位置之差保持在偏差范围之内。这种控制过程称为自动位置控制( A P C ) 。本文以鞍钢冷轧清洗线为背景，对它的控制任务进行详细的分析、分解。然后以入口小车为重点，详细的分析了它的自动定位控制A P C 功能，本文是从小车的横移和升降两方面分别加以论述的。并且使用了一种面向智能对象的方法，对控制任务加以分析，使复杂的控制任务具有层次清晰的结构化，便于编程实现。对于小车自动定位系统A P C 本文采用可靠的理论依据，总结现场调试经验，采用目前应用最为广泛，理论最为成熟的二维控制器，对定位过程中由于钢卷惯性所引起的滑差给以准确地修F 。从现场运行的状况来看，设计思路和控制方法是成功的。本工程控制系统选用德国西门子公司的$ 7 - 4 0 0P L C 进行编程设计的。钢卷小车的控制程序经现场调试、运行后，控制参数已达到设计要求。冷轧清洗线的上料和卸料过程都能够达到自动控制的目的。本文一共分六章来介绍钢卷小车A P C 的自动控制过程的：第一章主要介绍工艺背景和本课题的实际意义；第二章主要对控制系统和任务进行详细分析，归纳出本鞍山科技大学硕士论文第一章综述论文的控制任务和难点；第三章主要论述了钢卷小车升降自动定位A P C 的过程，包括方案分析和设备选择，以及控制算法的实现；第四章主要从小车的横移A P C 定位着手，同样论述了小车横移定位过程，包括方案分析和设备选择，以及控制算法的实现：第五章主要论证了小车A P C 定位的具体控制过程，详细的介绍了如何用模糊控制器来解决实际工程中的控制精度问题，整个控制方法经现场运行结果表明是成功的。第六章主要从控制任务如何合理划分出发，介绍了一种面向智能控制对象的分析方法，以及在本次工程中的具体应用。4鞍山科技大学硕士论文第二章清洗线控制系统结构和设计方案分析第二章清洗线控制系统结构和设计方案分析2 1 清洗线控制系统任务分析根据上一章介绍的工艺控制情况，我们可以统计出本条生产线主要的控制信号：数字量输入信号1 0 0 0 个左右：主要是控制盘上的按纽、接近丌关、限位丌关等：数字量输出信号大约6 0 0 个：主要是信号灯亮灭、液压阀开启关闭、电机接触器的通断等；模拟量输入信号4 0 个左右：主要是碱洗槽液位显示、清洗电机整流输出电流反馈、开卷机和卷曲机电机绕组的温度等：模拟量输出信号1 0 个左右：主要是热水槽沈涤循环箱温度控制、碱液循环箱温度控制以及小车前行后退的距离设定值等。而且全线还有5 7 台变频器，它们有自己的P R O F I B U S D P 接口，此外还有焊机、C P C 、E P C 、吊车、打捆机等第三方厂家提供的设备，每一个第三方设备都有自己的控制系统，需要主系统提供接口。2 2 清洗线控制系统结构考虑到本次工程中控制系统的复杂情况，模拟量和开关量的I 点数多，分布地点比较分散，处理的数据量大，所以我们必须选用适于现场环境的集散控制系统来完成。根据工艺的情况，我们把控制任务分成三个P L C 来完成，同时为了保证系统能可靠的运行，实现数据采集监控和联网功能，我们采用的方法是将以太网通讯与现场总线相结合，利用这两种通信技术在其各自领域中的优点，来完成这项复杂的控制任务。具体的控制结构如图2 1 所示：幽2 】系统结构幽对于控制层，采用高速以太网技术，而在现场设备层则采用现场总线技术。因为以太网能最大限度地利用它的通信功能。每个网关即是以太网的节点，又是下面子系统的主站。网关可以实现对子系统实时的控制，并把子系统内部的信息进行预鞍山科技大学硕士论文第二章清洗线控制系统结构和设计方案分析处理，只把一些重要的信息按照T C P I P 的帧的格式发送到以太网上。在网关上还可以实现复杂的以太网控制算法。这种方案的好处是避免以太网直接对传感器和执行器等底层设备的访问，减少了以太网上实时数据的传送量，减少了冲突的机会，在一定程度上避免了在恶劣的工业条件下传输实时数据出现迟延的问题。而P R O F I B U S 现场总线技术与其它的现场总线技术相比，具有它自身独特的优势，具体来说表现以下几个方面p j( 1 ) P R O F I B U S 现场总线技术是欧洲标准，同时也是国际标准；( 2 ) P R O F I B U S 现场总线特别是它的D P 部分已经具有非常广泛的应用基础，支持厂商多，用户量大：( 3 ) P R O F | B U S 具有D P 、P A 及F M S 三个兼容的部分，可以满足多个领域的自动化需求，并提供从工厂级到现场级的全方位解决方案：( 4 ) P R O F I B U S 的协议体系相对简单，同时经过多年的发展，现在己经具有成熟的开发及验证工具可以利用，系统的开发实现比较容易，易于推广。所以，根据上诉原因，鞍钢新轧冷轧清洗线机组的自动控制系统j 便采用了先进的“基础自动化+ 二级过程控制计算机+ 三级生产管理计算机”的E I C 一体化结构，构成了一套功能完备的综合控制系统。基础自动化系统采用电气一仪表一体化设计，采用P R O F l B u s D P 网的通讯方式，主要由监控操作站、过程控制P L C 以及通信总线等组成。操作站采用工业控制计算机，各个P L C 之削，以及P L C 和操作站之间采用以太网通讯方式，用于实现生产过程的监视、操作、控制、报警、趋势记录、报表打印等。2 2 1 控制系统的选择由上一节的任务分析我们知道，控制系统应该由P L C 完成的，可编程控制器( P L C ) 是一种以计算机技术为基础的，专为工业环境设计的数字运算控制装置，具有使用方便灵活，可靠性高，抗干扰能力强及易于维护等优点。它不仅可替代传统的继电器控制系统，还为各种各样的控制设备提供了非常可靠的控制解决方案，满足企业对自动控制的需求。长期以来，使它在工业自动化领域得到了充分的应用。本项目中共使用了2 0 0 0 多个数字量和模拟量输入输出点，不仅涉及到顺序逻辑控制，还有对模拟量的控制、数据处理和故障处理，整个系统的编程量较大。而德国西门子公司$ 7 - 4 0 0 的P L C 系列一J ，是为大中型自动化任务而设计的可编程序控制器系统，为各种复杂应用控制系统提供理想的解决方案。它采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便，$ 7 - 4 0 0 中央控制器最多能连接2 1个扩展单元。它有强大的I 0 容量，高速的程序处理速度，内置M P I 、D P 等多种通讯网络接口，多C P U 可安放于同一基板，可完成实时多任务控制，具有完善的通用鞍山科技大学硕士论文第二章清洗线控制系统结构和设计方案分析型I O 及特殊功能Y O 设计，完整强大的指令集，可实现复杂的浮点、三角函数和其他函数运算，灵活多样的编程软件、应用组态软件可为工业生产提供极大的方便，深受工业控制领域的青睐。所以本次工程中过程控制P L C 采用S I E M E N S$ 7 4 0 0 P L C ，用于生产过程的数据采集、回路控制、顺序控制以及连锁等。通过编程器，采用S T E P7 语言程序，对P L C 进行系统逻辑控制编程。采用S I E M E N S 公司的W I N C C 监控组态软件，进彳亍操作站监控操作画面的组态编程。采用工业以太网，通过网络交换机，进行控制系统之间的数据通信。本套控制系统采用一、二级共同控制完成，复杂计算和控制算法都可以在二级完成。2 2 2 系统网络结构控制系统可分为两层，网络结构图如图2 2 所示。上层为工业以太网，将各工程师站、三个控制主站( 1 群3 扪P L C 连接。工程师站装有S I M A T I C S 7 组态及编程软件和S I M A T I C S 7W I N C C 监控组态软件。底层为P r o f i b u s D P 现场总线网，以s 74 0 0为主站构成现场总线控制系统，实现对不同对象的过程控制。II 二二l P L c 2_ I 二二1 r L c 3 51 = = ：。 咱l - P ：1 ： 曾譬管I_ P ： = _ P ： = 一P = = ”p 管p 管管p |_ P ： ：譬+ 曾管If幽2 2 系统配置网络幽3 个P L C 机架的电源模块都采用P S 4 0 72 0 A ：中央处理单元采用C P U 4 1 叩D P ，它虽然自带D P 接口，但为了节省C P U 资源，提高C P U 运行速度，机架上分别接了几块D P 扩展模板C P 4 4 3 5 作为D P 主站。各P L C 都是通过以太网接口C P 4 4 3 1将s 74 0 0 联入工业以太网。D P 从站分别接有E T 2 0 0 M 、E T 2 0 0 B 、E P C ( 对中设备) 、绝对值编码器、计数器模板F M 4 5 0 、变频器以及门型吊车等子站。2 2 3 软件介绍本次工程采用S I M A T I Cs 7 软件，它是用于S I M A T I CS 7 3 0 0 、4 0 0 可编程逻辑一鞍山科技大学硕士论文第二章清洗线控制系统结构和设计方寨分析控制程序的标准软件，编程语言主要有：梯形图、语句表和功能块图M 1 。S I M A T I Cs 7 编程语言符合D I NE N 6 1l1 3 1 3 标准，使用者更容易掌握使用多个子程序分段实现的设计方法。通常用户程序由组织块( O B ) 、功能块( F B ) 、功能( F C ) 和数据块( D B ) 构成。O B l 是主程序循环块，是必需的。根据过程控制的复杂程度，可将所有的程序放入O B I 中进行线性编程，或将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过O B I 调用这些逻辑块。以I # P L C 程序为例，程序出4 0 几个F B 块、7 0 几个F C 块、若干个背景D B 和公用D B 块以及1 0 个系统块S F C 组成，主程序包括从入口小车运卷、上卷、丌卷直到挖边剪挖边完成等一系列控制任务。因任务需要，对于小车的自动控制采用了S 7 3 0 0 4 0 0 用于顺序控制程序的功能图语言S 7G r a p h 进行编写。在S 7G r a p h 中，控制过程被划分为许多明确定义了的功能范围的步( S T E P ) ，用I 虱形清楚地表明整个过程的执行情况。可以为每一步指定该步要完成的动作，然后检查出此动作带来的结果，可以用此结果作为启动下一步的条件。如果条件成立，则继续执行；条件不成立，则等待做相关的连锁处理。其它的控制程序用梯形图、功能块或语句表来完成【“。2 2 4 人机画面系统的人机画面显示各种现场设备状态和工艺参数，及显示入口和出口钢卷的参数，同时打印出口钢卷取样报表。画面主要由以下组成：主画面、上卷车和卸卷车画面、上卷车和卸卷车画面如图2 3 所示：图2 3 上卷乖雨唧卷乖画面，上卷车和卸卷车画面显示入口钢卷和出1 2 1 钢卷的运送情况；此外，还有带钢前进过程的各种实时数据和现场设备状态，包括丌卷机和卷曲机钢卷上料和卷曲的趋鞍山科技大学硕士论文第二章清洗线控制系统结构和设计方案分析势画面以及全线速度和张力值显示画面；报警画面显示各种报警信息。如：急停、快停故障、上料和卸卷故障、极限丌关故障、焊接以及剪切故障等：辅助设备状态显示画面主要显示各辅助设备阀门开关、上下、前进后退的状态等；液压画面用来监视各辅助设备以及上卷车和卸卷车的液压阀油路供应情况。2 3 本篇论文的控制任务及方案选择在上一章中我们已经介绍过，本篇论文的控制内容就是冷轧清沈线入口段清洗前准备和出口的卸料过程。入1 3 段主要完成钢卷的上料过程，为工艺段能顺利的清洗作准备。现在的轧钢生产线上，入口的上料和出口的卸料大多是采用步进梁来完成的。步进梁有它的优点，也有它的缺点。它的优点是控制方式比较简单，适合于高速的轧线生产，频繁的运送钢卷；缺点是机械设备庞大，费用高、占用工地面积大，而且控制方式不灵活，功能有限。而对于本条生产线的特点，使用钢卷小车，恰恰能弥补步进粱的不足。而且钢卷小车的灵活方便F 适合本条生产线的特点。但小车也有它的控制缺点，因为它的灵活性，必然使控制方法变得复杂了。下面详细地分析一下入口段的控制任务。桃渔图后撒限j 似2 0 化，凸凸白，撒I 双J i 冀图2 4 钢卷小车控制上艺1 1 |P H I P H 3 为测直径光耦，P H 4 测宽光耦，P H 5 为防止出现塔型光耦，P H 6 为检测心轴有卷光耦，P H 7 为检测抛尾光耦2 3 1 钢卷小车运卷如图2 4 所示，钢卷有两个初始位置l 拌鞍座位和2 # 鞍座位，由吊车负责放卷小车根据检测情况，自动到1 # 鞍座位或2 # 鞍座位取卷，取卷顺序是小车首先判断鞍山科技大学硕士论文第二章清洗线控制系统结构和设计方案分析如果2 撑鞍座位有卷，小车就从3 撑位( 小车的初始位是3 # 鞍座位) 后退到2 撑鞍座位取卷，如果2 捍位没卷，而l 群位有卷，贝J l d , 车就到l 群鞍座位取卷，钢卷运到3 拌位，小车停止动作，表明运卷成功。如果1 # 3 1 12 捍都没有钢卷，则报警提示操作工操作失败。小车回到初始3 号鞍座位。2 3 2 钢卷小车上卷在生产过程中，钢卷必须准确定位到丌卷机上，为此必须先使钢卷上升到与丌卷机心轴中心等高的高度。为减轻工人目测这一较大的劳动强度和缩短上卷时问，上卷工序是自动的当自动上卷时，关键的技术是把已置于上卷小车托盘上的带钢自动的上升到与丌卷机卷筒同心的高度。本套装置中用了三套光电耦合器，一个P L G 数字计数器分别完成不同大小钢卷的测量，根据不同大小的钢卷，小车自动作出判断，完成对中控制。对中后开始上卷，上卷过程要求测量带钢的宽度，为防止上卷过程中钢卷出现塔形和防止上卷过程中掉卷，在开卷机的心轴上有三对光电耦合器，通过计算完成上卷过程的对中，在此过程中L E V E R I 的控制站实时检测L E V E R 2 通讯过来的数据，与采集的数据比较，如果出现异常，L E V E R l 能够相应的做出判断，进行及时的处理。2 3 3 开卷机开卷开卷机的开卷过程如图2 5 所示：开卷支撺磁力皮带灾送矫直辊入口翦切图2 5 开卷机开卷工艺圈上卷后自动丌卷，丌卷过程首先检测所有设备的安全状念，首先磁力皮带下落，穿带导板上升，其头部前伸，以便支住带钢，支撑轴顶住开卷机的心轴，防止掉卷，压滚也上升顶住带钢，使带钢在丌卷过程中不松卷，然后磁力皮带和心轴按先后顺序丌始反转，进行甩带头，使带头吸附到磁力皮带上，然后磁力皮带和心轴向前滚动，开卷机正向爬行，靠磁力皮带的磁力和开卷机正向送出力，带钢向前爬行，当带钢运行到夹送辊处后，夹送辊下落，带钢继续前爬，当到达矫直辊处时，矫直辊下落，进行带钢矫直，矫直辊是由一组辊组成，根据不同材质的带钢和不同厚度的带钢，矫直辊下落的距离不同，经过粗调和精调两次调解，保证生产的要求。0鞍山科技大学硕士论文第S - 章清洗线控制系统结构和设计方案分析2 3 4 钢卷焊接前准备因为冷轧清洗线是条无头清洗线，在入口段，需要把前一根钢的带尾与当前钢的带头焊接上。为了保证焊接成功，开卷后的带钢需要进行切头，切尾。根据当前带钢的实际情况，L E V E R 2 传过来的技术参数，和生产的技术指标，来完成这组操作，切完带尾后，要把带尾进行精确定位，目的是保证焊接的顺利进行，焊接的同时要对带钢进行打孔，目的是作为带钢的全线跟踪点的。焊接后要进行挖边，保证不同宽度的带钢焊接后，全线清沈时对设备没有伤害。2 4 本篇论文的控制难点冷轧清洗线上卷小车是冷轧工艺中及其他的轧钢工艺中的主要设备之一。该设备在整个系统中起着至关重要的作用，它能否正常运行直接影响冷轧清洗线的状况、产品产量和质量。小车的自动控制过程贯穿整个上料过程，如果上料中断，整条生产线将处于停滞状态，而且，上料过程如果失败，可能造成设备损坏，甚至危害到人身安全。为了保证下一个生产工序的顺利进行小车的自动控制必须做到准确、及时、安全可靠。在冷轧清洗线中，入口小车首先从鞍座位取卷，然后进行钢卷直径测量和高度对中，对中准确后，进行上卷。使钢卷的宽度中心位与开卷机心轴的中心位一致。这样，开卷机才能正确的甩带头，开卷。对于小车的控制，主要集中在它的定置控制，可以说，小车的每一个动作都是一个定位控制，定位是否准确受两个主要因素的影响。( 1 ) 目标位置的确定是否准确；( 2 ) 小车是否能准确的定位到目标位。为了把握住上述两个主要环节，对于( 1 ) ，采用精确的计算推导公式。对于( 2 )采用小车双速控制和偏卷修正方案( 即小车的定位动作分高速和低速两个阶段) ，保证上卷准确。本文以鞍钢冷轧厂新建的冷轧无头清洗线为背景，介绍了上卷小车的自动定位控制A P C 过程和如何用P L C 实现。我们系统中遇到了定位控制的问题，在工业控制系统中，类似的各种定位控制、速度控制的问题也经常遇到，一方面要求我们控制系统的精度要高，另一方面又要求机构的运行速度要快，运行的效率要高，显然，这两方面的要求是相互矛盾的。要提高运行速度，定位精度就必然受到影响，相应的要降低，同样，要达到高的定位精度，就必须适当的降低运行速度，系统的工作效率就会大大的降低。要解决这一矛盾，就必须从控制系统的模型着手，寻求新的高效的控制方法。但是类似的问题广泛的存在工业控制领域，而我们又无法期望每个用户都具有良好的控制系统分析和设计的能力。为了在工程应用中解决效率与精度之间的矛盾，工控领域广泛的鞍山科技大学硕士论文第二章清洗线控制系统结构和设计方案分析采用了定位控制技术。目前，各大P L C 厂商都推出了用于定位控制的特殊功能模块，由于系统设计的要求，这个系统不是用的P L C 厂商的模块，而是根据系统定位和系统响应的要求而自行设计的定位控制模块。在自行设计的定位控制模块中采用了模糊控制，即在系统控制中，对因为钢卷不同重量引起的惯性滑差进行定位偏差预报，把系统的理论模型和人们在实际工作中的经验应用到控制中。也就是以最快的速度定位到最佳的位置。鞍山科技大学硕士论文一第三章钢卷小车升降方向A P C 自动定位控制第三章钢卷小车升降方向A P C 自动定位控制3 1 升降方向任务分析上卷小车的升降装置用于以下用途：1 将受卷台架上的钢卷托起：2 在钢卷外径测量装置处调整钢卷中心线的水平高度，以便向丌卷机卷筒上卷。台车在高度上分为下降位、运卷位、接卷位、上升位、等待位。小车上升过程中，需要将钢卷抬起，卷重最大为3 0 吨，由于连续作业，以及钢卷质量大( 1 0 吨3 0吨) ，因此速度、安全性有严格的要求。目前在实际使用中的系统，采用普通的电磁换向阀控制小车的启动、运行和停止，给出控制信号后，不管输出变化，为一开环系统。由于钢卷质量大，且质量不确定，使小车不能达到要求的位置精度，并且速度变化曲线不圆滑，加速度大，无法达到最优。严重时可能出现钢卷从小车上跌落，存在极大的安全隐患。鉴于此种情况，要使小车准确、快速、安全的达到定位值，应使小车的定位速度是连续可调的。3 2 升降方向控制方案选择和设备选择由上节的任务分析我们知道，要想使小车升降控制快速、安全，控制钢卷小车升降速度应该是个模拟量输出信号。根据小车控制的特点，车的自重和钢卷的重量都很大，所以升降控制应该由液压系统来完成。下面介绍一下液压控制系统。目前在实际运用中，液压控制系统主要有以下三类t o , q ：( 1 ) 电液丌关控制：( 2 ) 电液比例控制；( 3 ) 电液伺服控制。各类系统的核心在于所选择的控制元件即开关阀、比例阀、伺服阀，根据系统要求来选择控制元件，对于开环系统通常选择丌关阀，而闭环系统选择伺服阀，比例阀既可用于丌环系统，也可用于闭环系统。一般来说，丌关阀只有两种状念：丌启和关闭，因此要实现高质量的复杂控制时，必须有足够大量元件，把各元件调整成某一特殊状态。必要时选通这一元件，从而实现使被控对象按预定的顺序和要求动作。在工程实际应用中由于大多数被控对象仅需要有限的几种状态，可以应用开关控制。开关元件通常简单可靠，不存在系统不稳定的情况。可以利用计算机输出的数字信号经放大后驱动丌关元件，省去昂贵的数模转换元件，从而使电气控制变得简单，而比例阀、伺服阀都可以依据输入电信号来控制液流方向，并使流量和压力比例地，连续地受到控制，可以认为其有无限种状态，可以分别对应于被控对象鞍山科技大学硕士论文第三章铜卷小车升降方向A P C 自动定位控制的无限种运动状态。传统的电液伺服阀由于对流体介质的清洁度要求十分苛刻H 芦J ，其制造成本高，维护费用高，系统能耗也比较大，一般控制系统不宣采用。而传统的电液开关控制又不能满足高质量控制系统的要求。比例阀则是以传统的工业上用的液压控制阀为基础，采用可靠，廉价的模拟式电一机械转换器和与之相应的阀内结构设计。从而获得对油质要求与一般工业阀相同，价廉，阀内压力损失低，性能又能满足大部分工业控制要求的比例元件。比例阀是介于丌关阀与伺服阀之间的一种元件。与电液伺服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强。除了在控制精度及响应快速性方面还不如伺服阀外，其他方面的性能和控制水平与伺服阀的相当，其静、动态性能足以满足大多数工业的要求。与传统的液压开关控制阀比较，虽然价格较贵，但由于其良好的控制水平而得到补偿。因此在控制较复杂，特别是要求有高质量的控制水平的地方，比例阀逐渐代替了传统开关阀。此外，比例控制阀还可以具有流量、压力与方向三者之问的多种复合控制功能。这使得比例控制系统较之丌关阀控制系统，不但控制性能得以提高，而且使系统更为简化。因此，比例阀更为广泛地获得应用。3 3 升降方向控制方式选择比较3 3 1 电磁阀组合控制方式冷轧清洗线入口只有一台上卷小车，因此为了保证连续生产，上卷小车需要频繁的起动、运行、停止，考虑到钢卷质量大( 最大为3 0 t ) ，因此在速度、安全性上要有严格的要求，原设计是用了两个普通的电磁换向阀，组合使用来完成高速与低速的切换。具体组合情况见下表3 1 。表3 1 电磁阀控制组合表E C C D S ，0 3E C C D S 0 3B C C D S 0 3E C C D S 0 3ANBANBABAB艘H V通通 通通U PL 丑H V通通通通H P , L V通 通通 通阻L v通 通通通Z I P , I - I V 通 通通通D O W N腿v L通通通通S T O P通 通通 通其中：E C C D S 一0 1 普通的三向电磁换向阀，组合完成小车高低速转换的。E C C D S 一0 2 普通的三向电磁换向阀，组合完成小车高低速转换的。鞍山科技大学硕士论文第三章钢卷小车升降方向A P C 自动定位控制E C C D S 一0 3 普通的三向电磁换向阀，负责小车高低压转换的。E C C S S 一0 1 普通的单向电磁阀，负责油路检查的。H P ，H V ( H i g hP r e s s ，H i g hV e l o c i t y ) 高压高速状态。L P ，L V ( L o wP r e s s ，L o wV e l o c i t y ) 低压低速状态。l 曲地2 0 m mi n f k 撼6 m mi r_厂。f 氐速6 m m。f一图3 1 钢卷小车殴定速度曲线原设计中的小车运动状态如图3 1 所示，小车启动定位命令后，开始低速前行，前行1 0 0 m m 后，切换为高速，当离目标1 0 0 r a m 时，小车又切换为低速，反向行使的控制过程与F 向是相同。采用两个电磁阀组合控制小车的高、低速相当不灵活，且存在很大的危险性。首先，高低速的值一旦确定后，就不容易更改，更主要的是，小车高低速切换的过程是电磁信号之间的切换，也就是我们通常况的数字量信号进行切换。切换动作瞬间完成。这样，速度变化就应该是阶跃信号而不是沿斜坡上升的，使加速度非常大。因为小车托架上有卷时，质量大，从而惯性就大，这种速度的突变，严重时可能出现钢卷从小车上跌落，存在极大的安全隐患。3 3 2 比例换向液压阀控制方式鉴于上一节分析的结果：电磁阀组合控制在此工程中存在的弊端，我们必须对上诉控制方案进行修改，通过对液压控制系统中存在的三类控制方式进行全面分析，选择电液比例阀更适合本工程的特点。1 、比例阀的特点该系统选用比例换向阀，而不需要使用伺服阀，就能达到改造要求。是与比例换向阀控制的特点有关的。比例换向阀是一种具有液流方向控制功能和流量控制功能的复合阀。在压差恒定的条件下，通过它的流量与输入的电信号成比例，而流动鞍山科技大学硕士论文第三章钢卷小车升降方向A P C 自动定位控制的方向取决于比例电磁铁是否受到激励。与伺服阀相比，比例方向阀具有以下特点：( 1 ) 滑阀配合间隙仅和一般换向阀相当，因此对液压介质的滤清要求比伺服阀的要求低得多。( 2 ) 电一机械转换器的输入功率较大，通常要比伺服阀大一个数量级。这是提高其运行可靠性的技术措施之一。( 3 ) 设计比例方向阀时，选用得额定工作压差比伺服阀低一个数量级，比普通换向阀略高或相当，单阀口压降约在0 2 5 0 8 M p a 之间。采用比例换向阀的系统能耗和温升远比采用伺服阀的系统低。当然，阀的几何尺寸较伺服阀大，但接近于普通换向阀。( 4 ) 中位死区较大( 1 0 1 5 额定控制电流) ，这是为了降低阀的制造成本而作出的一种选择。但也因此具有一个附带优点，即如果采用F 遮盖阀芯，在无信号工况时即使在开环回路中，也能保证受控负载可靠地锁定。( 5 ) 可以根据系统的控制要求，采用不同的中位机能。( 6 ) 比例方向阀的滞环、重复精度、分辨能力以及线性度等同伺服阀几乎相当，但动态响应要比高性能伺服阀稍低。2 、钢卷小车输出位移曲线设定冷轧清洗线上卷小车的升降定位控制系统，要求将系统由开环转为闭环，使系统在保证位置精度的前提下，速度变化平滑，不允许位置超调和二次调节，运行时间尽量短，不出现钢卷跌落，使位移输出曲线如图3 2 所示：图3 2 钢卷小车位移输出由于是改进设计，所以在保证系统的静态特性的基础上，主要是改善系统的动态切换特性。如何爿能使钢卷小车的定位控制曲线按图3 2 所示的方式变化。由本文前一章节的介绍和电液比例控制技术的发展历史，我们可以得出结论，本系统非常适合采用电液比例控制。合理的选用一个双向比例液压阀，让比例阀按图3 3 所示的速度曲线进行控制，就可以实现上述的控制效果。6鞍山科技大学硕士论文第三章钢卷小车升降方向A P C 自动定位控制幽3 3 小下升降定伉速度殴定曲线上卷小车升降基本定位过程：O t I 为加速起动段，其加速率为a m h ，t r ，t 2 为最高速度运转段，其速度为V m h ；t 2 t 3 为减速制动段，其减速率为- a m h ：t 3 t 4 为低速运行段，t 4 t 5 为自由滑行段；t 4 时刻为调整机械进入允许误差带边缘，在此时刻撤掉速度给定，由于升降是由比例阀控制的，且t 4 时刻的速度很小，所以升降的动念特性规律比较好控制，且受重量的影响小，按上述的定位曲线设定就可以完成工艺要求。3 、钢卷小车的液压系统幽3 4 钢卷小市升降液压控制原理幽鞍山科技大学硕士论文第三章钢卷小车升降方向A P C 自动定位控制其中：1 一球阀、2 一单向阀、3 一液控单向阀、4 一单向阀、5 一安全阀、6 一安全阀、7 平衡阀、8 一单向截流阀、9 一减压阀、1 0 一电磁换向阀、1 1 一比例换向阀、1 2 一截止阀上卷小车所用的比例阀是由比例电磁铁控制带电反馈的直动型比例换向阀，用来控制液流的流量和流动方向。该阀采用板式连接，阀体采用铸造内通道，主阀芯采用弹簧对中。因此，通流能力强，通用性好，压力高，重复精度好，使用方便，控制液压回路的全部调节过程可以按程序进行，由于比例阀的控制信号是个模拟量，从而能够完成一个连续的速度调节过程。小车托载钢卷，有三种升降方式：( 1 ) 高压上升：( 2 ) 低压上升：( 3 ) 高压下降。下面以上卷小车高压上升为例，介绍一下小车上升时，各个阀的工作状态：当小车为高压时，P L C 控制程序使电磁换向阀1 0 的A 线圈得电，如图3 4 所示状态，则高压进油通过液控单向阀3 ，由于其压力高，则安全阀6 溢流，使其与回油管路接通。而比例换向阀l l 的A 端接通，使A 端与高压进油管路接通，进油量是可控的，由于电磁阀1 0 的B 接回油管路，因此高压油在减压阀9 处，未经减压直接通过平衡阀7 ，再通过球阀进入升降缸的无杆腔，使液压缸推动活塞上升，有杆腔的液压油通过球阀1 ，再通过比例阀的B ，连到回油管路了。此过程完成了小车的高压上升动作。小车的低压上升、高压下降过程，与此相似。这里就不再重复了。3 4 升降方向A P C 的典型应用上卷小车升降定位的一个最典型的例子就是上卷小车进行高度调整，也就是钢卷在3 撑位经过开头后，横移到高度调整位，首先进行直径测量，然后进行高度对中。本套系统采用固定式光电对中，用三组光电管( 即第二章中图2 4 中的光电偶合器)分别固定在同一固定架上，完成钢卷的直径测量和高度对中如图3 5 所示。其对中过程是，小车从丌头辊处进行丌头后，横移定位到高度调整位，定位完成后，小车丌始下降到最低位，此时，负责升降的编码器记下初始值，而后小车丌始上升，当遇到第一个光电管由亮变黑时，记下此时的编码器值x ，根据此参数值，便可计算出钢卷的直径，根据钢卷的直径就能计算出钢卷内径的中心位，从而完成高度对中。具体计算过程为：当距离x 被记录下来以后，由于k 1 ，k 2 ，0 是固定值，所以钢卷的直径计算如下：鞍山科技大学硕士论文第三章钢卷小车升降方向A P C 自动定位控制oo图3 5 钢卷高度对中( 争+ ) c o s 口= 手 ：里鱼二! ! ! 皇12C O S 口K 1 = X + K + hK 1 一x ：D + 2 鱼二! ! ! 皇2 ：D ! ! ! ! 旦2C O S 口2C O S 口。= 丢豢C O S 一x )l +_ K 2 = 三+ L D + 2= K 2 一上D 1 1 + 旦二业I ：K 2 一D 生二- ! 竺旦2LC O S6 J2 C O S6 其中：K 1 ( P H I 或P H 2 或P H 3 ) ：光电耦合器到小车低位线的距离K 2 ：心轴中心线N d , 车低位线的距离0 ：鞍座位与小车低位线所成的角度h ：钢卷底端离小车地位线的距离D ：钢卷直径L ：对中高度当小车定位从初始位到L 距离时，钢卷的中心位便与心轴的中一t l , 位一致了9鞍山科技大学硕士论文第三章铜卷小车升降方向A P C 自动定位控制完成了高度对中。目标值的准确计算为精确定位提供了前提，具体程序就可以由P L C来完成了。鞍山科技大学硕士论文第四章钢卷小车横移A P C 自动定位控制第四章钢卷小车横移A P C 自动定位控制4 1 横移方向任务分析上卷小车的横移装置用于以下用途：1 、将钢卷从受卷台运送到开卷机的卷筒上进行开卷2 、在横移进程中测量带钢宽度，并能够根据带宽准确定位。小车的横移也是通过一个编码器实时检测小车的位置，此编码器用于上卷小车整个行程的位移测量。上卷小车的横移定位精度为2m m 。它的前进方向是指小车从鞍座位向开卷机方向移动，后退方向是指从丌卷机向鞍座位方向移动。横移方向小车也有几个定位点，如图4 1 所示：一号鞍座位二号鞍座位三号鞍座位高度调整位在线位心轴中心位2 8 0 0 m m2 8 0 0 r c r a3 9 0 0 m7 0 0 r a n2 3 0 0 m m图4 1 钢卷小币横移实际位置标定幽由于小车横移的距离相对升降大的多，为了满足现场的生产节奏，要求小车横移，既要有速度，又要有精度。4 2 横移方向控制方案选择和设备选择由上节的任务分析我们知道，为了满足生产的需要，小车在横移方向要频繁的起、停。而且横移方向的各个定位点跨度非常大。要使小车在横移方向控制快速、准确、安全。我们同样希望小车横移方向的速度应由一个连续可调的输出模拟量控制。4 2 1 控制电机的选择随着电力电子器件的飞速发展和矢量控制法的实现，交流传动系统的性能突飞猛进。交流异步机以其低廉的造价、坚固的结构得到了广泛的应用，在许多方面可以与直流电机相媲美。目前，交流传动系统将主要沿以下几个方向发展和应用【I ：( 1 ) 一般性能的节能调速；( 2 ) 高性能的交流传动：过去许多需要调速的工业应用场合多采用直流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、鞍山科技大学硕士论文第四章铜卷小车横穆A P C 自动定位控制效率高，如改用交流调速传动，显然能带来不少经济效益。但由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以象直流电机那样直接通过电流施以灵活的控制。如今随着矢量控制技术提出，形成了一系列在性能上可与直流传动系统相媲美的高性能交流传动系统，这对交流传动系统的研究和应用展现出美好的前景。简言之，交流传动的应用可以说将在越来越多的应用场合取代直流传动。在许多电力传动的应用场合，不仅要求交流异步电动机有较高的调速性能，而且要求有精确的定位功能，有些应用场合应用机械方法外力制动，能够达到一定的定位精度，但减速设备容易损坏，控制效果不是很好。而且机械减速系统维修不便，停车定位控制精度较低。而采用电气制动，直接控制异步电动机转子定位，成本低，可以满足定位精度要求，效果很好。现在的传动系统多采用步进电机、伺服电机进行直接定位控制。不可否认，这些电机都具有适用于位置控制的结构和控制上的优判1 , 1 2 o 作为控制电机，它们在进行结构设计时就着眼于特性需求，采用特殊的工艺方法制造，要求满足控制的高可靠性、高精度和快速响应。不可能如异步电动机一样应用广泛，异步电动机发挥着不可替代的作用。另外一个不可忽视的因素是价格问题。这些电机的造价一般都要比异步电动机高。进一步对异步电动机和伺服电机进行比较，如J o h o R g y o r k i 所述”“：对于处理变速负载的位置控制，伺服电机和矢量控制异步电动机均是首选，而矢量控制异步电动机在运动控制中常常能够作到与伺服电机有相同的工作目的而花费更少，二者可应用于相同的领域。相比较而言，矢量控制异步电动机适用于不需要高加速度类型的应用场合，而伺服电机在相同大小的包装尺寸下，可以以较低惯量驱动更大转矩，达到较高的加速度。这是由于二者具有不同的转子直径，不同的“惯量转矩”比，造成了不同的动念响应性能。在实际选择电机时，需考虑是否需要伺服电机以提供加速度，如果在这方面没有特别要求，或者选择矢量控制电机就足够了。这个区别更多地关系到经济因素而不是技术因素。矢量控制电机在这种场合提供了更多的经济利益。因此，对异步电动机进行直接定位控制，如果能够在控制方法上做进一步的研究，满足一定的控制精度要求，将具有十分可观的经济价值。所以在本工程中，上卷小车走行移动我们选用变频器控制的交流异步电动机来完成。加减速控制由软件自动完成，电机为齿轮制动的异步电动机。4 2 2 异步电动机定位控制方案选择l 、异步电动机的控制特点异步电动机的定位控制是一个较新的研究领域。德国J o a c h i mH o l t z 等人在此领域的发展较为深入，涉及到无传感器的异步电动机位置控制，提出了两种控制方法：一是利用特殊设计的具有磁突变的异步电动机，通过注入高频磁通波检测空间鞍山科技大学硕士论文第四章钢卷小车横移A P C 自动定位控制各向异性来进行位置控制；二是针对般的异步电动机，利用鼠笼电机分离绕组结构产生的寄生效应来进行位景检测和控制。文献中认为，除去传感器既可以降低成本，又可以由于传感器的消除而提高可靠性，是一种充满希望的新技术。遗憾的是国内目前还没有类似的研究。国内针对一些异步电动机定位控制系统的应用研究，大多数使用可编程序控制器( P L C ) ，变频器进行简单控制、粗略定位，限于定位精度要求不是很高的场合，或者通过多次定位来满足一定的定位精度，控制比较粗糙：定位精度不是很高。鉴于三相异步电动机模型是一个高阶非线性强耦合的多变量模型。因而进行控制时，需要考虑以下各方面的因烈”J ：( 1 ) 转子的电压、频率、磁通，以及转子转速和位置等，这些参量之间互相影响，存在耦合；( 2 ) 绕组的电磁惯性，转子的机电惯性以及变频装置的滞后因素；( 3 ) 转子电阻值会随温度而变化，负载转矩、转动惯量等有可能出现各种随机扰动。这些因素的影响均给控制带来了困难，仅采用经典的控制方法很难达到较高的精度要求。因此对于异步电动机定位控制技术的发展方向，可以简单归结为以下两个方面：( 1 ) 无速度传感器的定位控制系统：如前所述，这是一种充满希望的新理论，很可能会丌辟一个新时代，但现在仍处于发展的早期阶段。( 2 ) 有速度传感器的定位控制系统：在这方面，提高控制性能的途径主要在于新方法新技术的丌拓与应用：如建立基于矢量控制或直接转矩控制以及智能控制等新兴控制策略的定位控制系统。异步电动机这一复杂控制对象，很难建立精确数学模型。而智能控制技术并不局限于精确数学模型的建立【1 0 I “。如模糊控制法引入了模糊的概念，以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，利用计算机实现智能控制【I 屯”j ，对不确定性系统的控制问题，对异步电动机定位的研究都具有很高的应用价值。2 、异步电动机的调速方法改变异步电动机转速可以通过三种方法来实现：( 1 ) 改变极对数来调速，由于受电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现两三种极对数的变换，不能做到连续地调节速度，调速范围和极数都非常有限。( 2 ) 依靠改变定子电压( 改变电源电压或定子串阻抗) ，或绕线型电动机转子串电阻，或带转差离合器的异步电机调节励磁电流都可实现变转差率调速。但是电机的损耗与转差率S 成比例地增大，效率随转速的降低而降低，由于电机在高转差低转速下运行特性恶化，使实际可行的调速范围受到限制。鞍山科技大学硕士论文第四章铜卷小车横移A P C 自动定位控制( 3 ) 连续地改变电源频率，可以十分理想地实现交流电动机的无级调速。变频调速技术在目前正在应用的交流调速技术中是应用最广，也是最有希望取代直流调速的交流调速方式。就变频调速而言，其形式也有很多。传统的变频调速方式是采用v f 控制。这旱我们采用的就是变频调速。目前，变频调速是异步电动机调速的重要发展方向之一，是一种较合理和理想的调速方法，它能实现1 0 0 的无级调速。随着电力电子技术和现代控制理论的发展，交流电动机的变频调速得到了迅速发展和广泛的应用。随着计算机科学、控制理论及其交叉学科的发展，新一代控制理论模糊控制理论得到了迅速发展，并推广应用到各种自动控制系统中，取得了不少成果，有着巨大的应用潜力。将模糊控制应用于变频调速系统，会极大地改善变频调速控制系统的控制质量，把变频调速技术推向一个崭新的阶段。在此类系统中，将变频器和异步电动机结合起来，看成是一个整体进行控制，已经得到了实验的证明，是一个F 确可行的控制策略。本次设计就是把它们结合起来作为被控对象，解决本次工程中的小车横移方向精确定位的问题，使定位精度得到了很大提高。3 、变频器的控制原理调速即速度调节，又称速度控制，是指在电力拖动系统中，人为地或自动地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数、结构或者外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变它与工作机械特性的交点，改变电动机的稳定运转速度。由电机学知，交流异步电动机的转速n 的计算公式如下：n = 6 0 厂( 1 一S ) P 式中：f 异步电动机定子电压供电频率；p 1 异步电动机的磁极对数；S 异步电动机的转差率。由上式看出，当转差率s 一定时，电动机转速n 基本上正比于f ，很明显，只要有输出频率可平滑调节的变频电源，就可平滑地调节异步电动机的转速。变频调速就是通过改变定子供电频率来改变同步转速实现调速的，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。任何一种变频调速系统都可用图4 2 的框图来表示，它由变频器( 或称变频电源)和控制单元组成。完成恒压恒频( C V C F ：c o n s t a n tv o l t a g ec o n s t a n tf r e q u e n c y ) 源转换为变压调频电源( 、，、，、，F ：v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) ，为交流异步电动机提供调速用的变频电源。变频调速系统可以分为交一直一交变频调速与交一交变频调速2 4鞍山科技大学硕士论文第四章钢卷小车横移A P C 自动定位控制两大类：前者又常称带直流环节的间接变频调速，后者又常称直接变频。速度给定信号幽4 2 变频惘速系统框图4 2 3 定位实现方式选择从实现工具的角度来讲，可以将异步电动机定位系统分为两类：f 1 ) P L C 系统P L C 是广泛应用于工业控制的一种控制器，它工作可靠，抗干扰能力强，但无法单独完成复杂控制算法如神经网络、专家系统等控制方法，需要借助于上位机，使得控制器在价格和体积上处于劣势：并且响应时间较长，测速时受到P L C 最大计数频率的限制。但是我们可以把复杂的控制算法尽量的简化，一般的计算量可以由P L C 直接完成，本次工程中，对于小车横移方向的A P C 控制，就设计了一个模糊控制器，对小车横移方向的惯性滑差进行预报。控制程序完全可以在P L C 中实现。( 2 ) 单片机系统单片机控制灵活【2 0 ，2 1 1 ，可以单独实现各种复杂控制算法，而且体积小，安装方便，实时性好，但在恶劣环境的适应性方面远远不及P L C 。以上两种控制器都有着广泛的应用前景，实践中采用何种控制工具要根据实际应用场合来决定。根据本论文所要完成的控制任务，控制工艺和环境复杂、现场干扰信号特别多，所以选择P L C 控制系统。4 3 横移方向定位控制方式选择比较小车横移A P C 系统由位置控制器、变频器、执行机构三大部分组成。如图4 3所示。小车如何能准确的完成A P C 控制任务，其中位置控制器的调节很是关键。位置控制调节原理如图4 3 所示。v t 为速度预设定时间变量，S t 为位置预设定时阳J 变量。s = 【V d t ；I ( S p 为比例放大器：V 为输出速度；K v u 为速度电压变换器，在这里就是指变频器；U 。为输出电压，直接作用到电机上。鞍山科技大学硕士论文第四章钢卷小车横移A P C 自动定位控制图4 3 小车横移定位原理图1 、位置反馈与速度给定渐进式的控制思路对于很多轧钢企业中，关于电动机的自动定位A P C 控制都采用这种控制方式。它的控制速度设定曲线如图4 4 所示：图4 4 速度控制阶梯图它的控制调节过程如下：控制器根据传动的机器参数预设定的位置和速度值，计算出速度时间特性曲线v t 和与之相关的s t 。在每一周期的丌始时的速度值v 。预设定到传动装置上进行速度预控制，同时，反馈回来的实际值s f 与S t 进行比较计算，得出当时偏差值S 此偏差值S 乘以比例系数K 。得到V k 叠加在V t 上，得出传动装置应具有的速度控制信号v ，然后将v 经速度电压变换和D A 转换向传动系统的速度控制发出控制信号u 。，控制执行机构的定位。调节I ：。的值使系统无超调无振荡。位置控制的基本要求：电动机的速度按梯形速度如图4 4 所示进行控制，随着位置偏差的减小，速度设定值逐渐减小。在不同的使用情况下，最优的或最合理的速度图是不同的，保证定位时问最省。电动机转矩不得超过电动机和机械系统的最大允许转矩。能在最短时间内完成定位动作，并且定位符合规定的定位要求。在控制过程中不应产生超调现象，且系统稳定，因此位置调节器常采用纯比例型。此种控制方案非常适合轧钢工艺中关于辊缝压下量的控制。因为电机在控制辊缝的定位鞍山科技大学硕士论文第四章钢卷小车横移A P C 自动定位控制过程中，负载非常小，很好把握速度切换的实时性。2 、对于本文控制的钢卷小车定位，小车自重加上钢卷的重量使电机负荷非常大，每次切换都会产生很大的惯性冲击，所以针对钢卷小车的A P C 定位控制的特点，上述的控制方法显然不能满足控制要求，根据钢卷小车的运动特点，我们采取双速切换控制，如图4 5 所示：图4 5 小车定位速度设定曲线冷轧清洗线上卷小车横移基本定位过程，0 t l 为加速起动段，其加速率为a m ，t l t 2 为最高速度运转段，其速度为V mt 2 t 3 为减速制动段，其减速率为a m ；t 3 t 4 为低速运行段；t h a t 5 为自由滑行段。t 4 时刻为调整机械进入允许误差带边缘，在此时刻撤掉速度给定，调整设备靠惯性继续向前滑，由于机械摩擦力而最终使其停下来。定位过程如下：V = a m t( 4 1 )s 2 S o l v d t = S o j 孙d tf 4 2 )= S o a m t 2式中：s 位置偏差s 0 _ 一初始位置偏差。于是到达V 。的时间t l 为：t l = V m a m( 4 3 )将t - 代入( 4 2 ) 式此时的偏差位置为：S = S o - v m 2 a m( 4 4 )式中的V 。2 a 。是在加速阶段移动的距离，设t 4 t 5 自由滑移的行程为A s ，磨擦力产生的减速率为A ，t 4 时刻的运行速度为v L 根据式( 4 2 ) 和( 4 4 ) 可得A s = V ，2A ，对于定位精度要求不高或机械转动惯量不太大并且电动机带制动器的A P C 系统，上述曲线完全可以满足生产工艺的要求。但对于定位精度要求较高、且机械转动惯量大或电动机无制动器的系统，由于传动系统滞后影响和允许误差带太窄，采用上述定位曲线还不能令人满意。由式( 4 4 ) 可知，要保证定位鞍山科技大学硕士论文第四章钢卷小车横穆A P c 自动定位控制误差小于。，可从降低V 4 或提高机械摩擦力以增大减速率A 两方面考虑。在实际应用中，为了保证小车横移方向的工作效率，我们不期望降低v L ，我们可以设法预算出s 。、在接下来的第五章旱，我们将详细地分析具体的解决方法。4 4 横移方向控制系统电路l 、钢卷小车变频控制电路图鞍钢冷轧清洗线入口小车的变频器系统采用西门子6 S E 7 0 1 2 2 , 2 3 】矢量型变频器，选用整流回馈一逆变的公共直流母线方式，并通过P R O F I B U SD P 通讯网络与主控P L C 进行数据交换，实现速度设定和操作监控功能。具体的控制电路如图4 6 所示：幽4 6 钢卷小叩变频控制电路幽( 1 ) 进线变压器：它的作用是把进线电压转换为整流单元所需要的电压，通过一定的短路阻抗保护整流单元的二级管元件；限制电源侧谐波对变频器的干扰及变频器侧谐波对电网的干扰。( 2 ) 整流单元：整流单元大都采用功率二级管元件组成的不可控三相交流器电路。其输出接到大电容上，从而构成电压型变频器，另外直流回路大电容还起到滤波及提供无功电流的作用，因此，这种交直一交电压型通用变频器对电网的谐波污染较小，并且具有较高的功率因数。( 3 ) 逆变单元：逆变单元将整流后的直流电压转化为电压和频率均可变化的交流电，送给交流电动机以实现变频调速。逆变单元的功率器件一般采用I G B T ，采用两电平P W M 调制方式。鞍山科技大学硕士论文第四章钢卷小车横移A P C 自动定位控制( 4 ) 制动单元：西门子6 S E 7 0 传动核心模块中，留有能耗制动单元接线端子，供用户在直流侧接入制动电阻之用。直流制动在准确定位中的作用：通用变频器向异步电动机的定子通直流电流，异步电动机便处于能耗制动状态，这种情况下，变频器的输出频率为零，异步电动机的定子磁场不再旋转，转动着的转子切割这个静止磁场而产生制动转矩，旋转系统存储的动能换成电能消耗于电动机的转子回路中。这种变频器输出直流的控制方式，称为直流制动或D C ：制动。( 5 ) 硬件组成及性能指标，主控卡上安装了微处理器及其外围电路。在这块卡上有标准配置的I O 口：4 路数字量输入偷出( 可选) ：3 路数字量输入：2 路模拟量输入：2 路模拟量输出；1 路编码器反馈输入；1 路R S 4 8 5 串口用于系统配置，或构成R S 4 8 5 网络；v F 比控制和矢量控制，输出频率为0 2 0 0 H z ；功率因数大于O 9 3 ，效率大于0 9 6 ：系统的静态精度为0 0 1 ( 码盘反馈) ：故障显示和记忆功能。4 5 横移方向A P C 的典型应用上上C N r Si C N r 2；C N r l止卫L k丰一-一j广：w 2 ：i jL ，。一；。?。o虽3i 苦鬟毒字5 i亭：L1：，一：L起始位心轴q ，心线幽4 7 小午宽度对中入口小车横移方向定位一个最典型的例子就是小车往丌卷机的心轴上上卷，实鞍山科技大学硕士论文第四章铜卷小车横移A P C 自动定位控制现钢卷宽度对中。具体过程为，当高度对中完成，经过操作工确认后，小车又一次开始横移，准备定位到丌卷机心轴横移中心位。此过程称入口小车上卷，这其间涉及到很多连锁信号，相关的还要有很多辅机动作，同时要与二级和工艺段进行数据交换。以保证钢卷准确的上到心轴上，其他的辅助设备动作到位，为下一步流程准备好启动条件。小车前行定位时，能够进行钢卷宽度的测量，根据带钢宽度，进行心轴横向中心位的计算，从而完成带钢宽度中心对准机组中心，见图4 7 所示。其横移对中过程为：小车高度对中准确后，操作工按确认按钮，小车开始横移，启动小车横移定位时，记下初始值，在心轴的前方有一组光电管，小车在横移过程中，当此光电管由亮变黑时，负责横移的编码器记下此时的数值C N T l ，小车继续前行，当此光电管由黑变亮时，汜下此时的编码器值C N T 2 ，从而可以计算出带钢的宽度w 。根据带宽就可以计算出小车中心线与机组中心线的偏差。具体计算公式如下：带宽w 的计算公式为：W = C N T 2 一C N T l( 4 5 )偏差1 3 的计算公式为：C N T 2 = ( L - L 1 ) + ( 圭w + )= C N T 2 一w _ ( L L 1 )C N T S = L + 卢= C N T 2 一w 2 + L l( 4 6 )其中：C N T I ：当光电耦合器上升沿时横移编码器的计数值；C N T 2 ：当光电耦合器下降沿时横移编码器的计数值；L：小车起始位置到机组中心位的距离；L 1：光电耦合器到机组中心位的距离；1 3：小车中心位与机组中心位的偏差。当小车横移编码器计数到C N T S 距离时，钢卷的宽度中心位便与心轴的中心位一致了，完成了横移方向宽度自动对中。具体程序就可以由P L C 实现了。鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法5 1 模糊控制理论5 1 1 模糊理论概述在人类的生产和生活中存在许多模糊的现象，如“今天的天气很热”，用经典的数学无法准确地描述出这个概念，为了描述这类现象产生了模糊数学【2 4 J 。在传统集合理论中，一个对象要么完全属于一个集合，要么完全不属于这个集合，不能存在介于两者之间的情况。而在模糊数学中，任何对象对于一个集合来说，可以部分隶属于这个集合，变量部分隶属于某个集合的关系称为该变量的隶属度函数，它可以取闭区问 0 ，1 阳J 的任何实数，从而打破了经典数学中的“非对即错”“非0 即l ”的概念，允许用 O ，1 间的数来表示中间过渡过程。这样像“快”、“慢”、“冷”、“热”这些模糊的概念就可以在模糊数学中得到表达。众所周知人脑具有模糊推理的能力，模糊数学的出现使得计算机能够模拟人脑思维和推理的模糊性特点，使人类的各种自然语言可以作为计算机语言进入计算机程序中，让计算机完成以前只有人脑可以完成的任务。一、模糊集合设给定论域工，其上的一个模糊子集爿是指，对v 工X ，都指定了一个数“。( x ) 0 ，1 与x 对应，它称为了对A 的隶属度。这意昧着作了一个映射：“。：z 寸 O ，1 ，这个映射称为彳的隶属函数，也可以记作A ( x ) 。上述定义说明，论域x 上的模糊子集4 由隶属函数“一( z ) 来表征，通过它可以定量地描述模糊集合。 , 4 ( 工) 取值范围在闭区问【0 ，1 】，它的大小反映了x 对于模糊子集彳的从属程度。模糊子集A 也称模糊集合。1 模糊集合的表示方法常用的模糊集合表示方法为Z a d e h 表示法：粤= “。( x i ) ，t( 5 1 )其中斜线“”仅表示论域中的元素置与其对A 的隶属度之对应关系，求和号“”仅表示论域上A 集合的全部，而不是相加求和的意思。鞍山科技大学硕士论文第五章铜卷小车自动定位A P C 的具体实现方法2 常用模糊集合隶属度函数模糊集合的隶属度函数的建立有很多种方法，如模糊统计法、例证法、专家经验法等，也可以用一些常见的模糊分布函数作为隶属函数的近似。下面是三种常用的隶属度函数。( 1 ) 偏小型( 戒上型)又称为z 函数，当论域上工较小时可以采用这种类型。常见的有降半矩形、降半梯形、单点型等，参见图5 1 。幽5 3 对称型隶属函数鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法隶属度函数的形状对控制特性有很大影响，一般来说，论域上隶属函数密集度越大，即曲线形状越扁陡，则分辨率越高，模糊控制系统的灵敏度也越高，其系统的响应结果也就越平滑，但这样会导致模糊控制规则增加，计算时间延长。反之，隶属度函数曲线较平滑，系统的响应会不太敏感，对小的输入变化无法提供输出控制。所以，在建立隶属度函数时，在误差较大的区域采用低分辨率，在误差较小的区域采用较高分辨率可以达到较好的控制效果。二、模糊关系及合成关系是描述事物之间某种联系的一种数学模型，模糊关系则是描述元素问具有某种关联程度的大小。1 模糊关系定义从x 到y 的模糊关系R 是指在直积X Y 中的一个模糊子集，其模糊关系由隶属函数U 。：工Y - 9 【0 , 1 来刻画，隶属度U R ( x ，Y ) 表示具有关系R 的程度。模糊关系R 作为模糊子集可采用前面介绍的模糊子集的表示方法。但当直积空间为有限集时，常用矩阵表示，以便于分析和计算。例如X = x ，x ：x 。) ，Y = Y ，Y ：，。Y ) ，则从J 到y 的模糊关系尺可用如下矩阵R 表示：R =U R ( ，Y 1 )“R ( x 2 ，Y 1 )U R ( ，Y 2 )“R ( x 2 ，Y 2 )U R ( X l ，Y 。)“R ( x 2 ，Y 。)“R ( x 。，Y 1 ) U R ( x 。，Y 2 ) U 月( x 。，Y 。)( 5 2 )该矩阵内元素0 是序对( ，Y ，) 从属模糊关系尽的隶属度“。( 工，Y ) ，故尺也称为模糊关系矩阵，或简称模糊矩阵。2 模糊关系合成考察关系之间的相互联系形成新的关系，即称为关系的合成。设R 为从z 到y的一个模糊关系，s 为从y 到z 的一个模糊关系，R 对S 的合成g 是从x 到z 的一个模糊关系( 论域变为X Z ) ，其隶属度函数为：“Q ( X ，Z ) 2 烈“如y ) “渺z ) ( 5 3 )记为Q = R 。S 。当J 、y 、z 均为有限集时，可用模糊矩阵的合成运算表示模糊关系的合成。3 3鞍山科技大学硕士论文第五章铜卷小车自动定位A P C 的具体实现方法设模糊矩阵R 。2 h 】一，喜- 【s V k则合成运算：Q = R 。S( 5 4 )结果为：Q = 劬】。，式中9 F = 苫( 5 H ) 。( 5 5 )需要注意的是，合成运算符”。”表示模糊矩阵的乘法运算，它与普通矩阵的乘法运算过程相似，只不过是将两数间的相乘改为“取小”，相加改为“取大”运算而已。三、模糊推理人类之所以对模糊信息具有很好的处理能力，是因为人具有模糊推理的能力。为模拟人脑思维的模糊性，对系统实现模糊控制，关键技术是要建立一个模糊模型一模糊控制规则库实现模糊推理，而模糊控制规则库是人们在控制过程中得到的经验所表达的一些不确定性推理规则的集合。l 、模糊语言人们运用概念作出判断和进行推理的思维活动中- N 也离不开语言。因为概念是通过语词、命题是通过语句、推理是通过一组有联系的语句来表达的。模糊语言就是指具有模糊性的谙言。语言值是直接反映语言数值的词，如长、短、多、少、轻、重等，以及由它们派生出来的词汇，如很重、不太高、偏大等。它们可以作为以实数为论域的模糊子集做集合运算，也可以看作模糊数( 指实数论域上的一类特殊的模糊集) 进行模糊数的运算。2 、模糊逻辑定义一个意义明确的有所断定的，并且可以肯定其真假的句子称为命题，或者说命题是表达判断的句子。由一个简单句子构成的命题称为单命题。如果把两个或两个以上的单命题用逻辑连接词联合起来就构成了一个复命题。常用的逻辑连接词有“或”、“非”、“与”、“如果那么”、“当且仅当则”等。( 1 ) “或”用符号”v ”表示。逻辑公式P v Q 表示复命题”P 或者Q t ，当P 、Q中有一个命题为真该复命题就为真。( 2 ) “与”用符号”n ”表示。逻辑公式P Q 表示复命题”户并且Q t 。其真值取决于P 、Q 真值，P 、Q 命题全为真才为真。( 3 ) “非”用符号“”表示。用来构成否定命题，逻辑公式P 表示将原命题鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法否定。( 4 ) 如果那么用符号”_ ”表示，用来将第一个命题成立作为推得第二个命题成立的充分条件。逻辑公式P 专Q 表示复命题“如果P ，那么Q ”。( 5 ) 当且仅当则用符号”表示，用来表示两个命题等价。逻辑公式P H Q 表示复命题“当且仅当P ，则Q ”，或者说命题P 成立是命题Q 成立的充分必要条件。模糊逻辑是研究模糊命题的逻辑。假设模糊命题P 的真值为X ，Q 的真值为Y ，则模糊逻辑运算如下：逻辑并：P v Q ：X V Y = m a x ( x ，Y )( 5 6 )逻辑交：P Q ：z Y = m i n ( x ，Y )( 5 7 )逻辑补：P ：X = l X逻辑蕴含：P 斗Q ：X _ Y = ( 1 一X ) v Y = 1 一X ( 1 一Y )等价：P H Q ：X Y = ( X _ Y ) ( Y - - 4 X )3 、模糊推理( 5 8 )( 5 9 )( 5 1 0 )在逻辑推理中，命题一般称为判断。所谓推理就是从一个或几个已知的判断( 前提) 出发推出另一个新判断( 结论) 的思维形式。例如：大前提：如果P ，那么Q小前提：现P结论：所以Q只要前提为真，并且推理前提和结论之间的关系合乎逻辑规则，那么推理结论为真。在模糊控制中，一般采用模糊关系及合成的方法来进行模糊推理。如多输入模糊推理方法如下：考虑推理规则“如果X 是爿且Y 是曰，则z 是C 。”两个输入A 、B 和输出C 分别是论域J 、】，和Z 上的模糊子集。这种推理的一般形式为：大前提：A 与口_ C小I j i 提：彳与口。结论：y 是C ：( 爿与B ) 。R模糊关系矩阵R = A 与曰斗C 是多元关系，其隶属函数由M a m d a n i 推理得鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法【“J ( 曲 “口( y ) 】A “c ( z )( 5 1 1 )5 1 2 模糊控制理论基本原理在传统控制系统的设计中，需要了解被控对象的准确数学模型“。但是现在的许多工业控制对象都无法给出一个确切的数学模型，而且许多控制对象由于外界环境的影响导致系统结构不确定、参数不断变化，用传统的控制方法无法得到良好的控制效果。然而一个熟练的操作人员却可以通过观察控制对象的一些参数再根据自己的经验作出判断就可以得到良好的控制效果。这种控制方式不依赖于具体的对象模型，仅靠人的经验积累、感觉和逻辑判断。通过判断控制对象的一些相关参数，将人的经验总结成一条一条的控制规则，进而构造一个控制器去代替人对复杂的生产过程进行控制，这种控制方式就是模糊控制【2 6 , 2 7 】。模糊控制不用建立被控对象的数学模型，只需根据实际系统的输入输出结果，参考现场操作人员或专家的经验就可以完成对系统的控制。模糊控制的基本原理可由图5 4 表示。给定值图5 4 模糊控制原理图模糊控制的核心部分为模糊控制器，如图5 4 中虚线框中部分所示。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，通过采样获取被控量的精确值，然后将此值与给定值相比较得到偏差量E ，将偏差量进行模糊化得到模糊变量8 ，并用相应的模糊语言表示，得到一个偏差的模糊子集e ，再由此模糊子集和模糊控制规则R ( 模糊关系) 推理合成得到模糊控制量“= 印R 。为了对被控对象施加精确的控制，还要通过非模糊化处理将模糊量“转换为精确量，然后经数模转换成模拟控制信号送到执行机构对被控对象进行控制。综上所述，模糊控制算法可概括为以下四个步骤：( 1 ) 根据本次采样得到的系统被控量，计算所选择的系统的输入变量；鞍山科技大学硕士论文第五章铜卷小车自动定位A P C 的具体实现方法( 2 ) 将输入变量的精确值模糊化为模糊量：( 3 ) 根据输入模糊变量和模糊控制规则，按模糊推理合成模糊控制规则计算出模糊控制量；( 4 ) 将计算出的模糊控制量非模糊化后得到精确的控制量。1 模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。我们将具有一个输入一个输出变量的模糊控制器称为“单变量模糊控制系统”，将具有多个输入多个输出变量的模糊控制器称为“多变量模糊控制系统”。现在应用较为广泛的是将一个被控量的偏差、偏差变化及偏差变化的变化作为模糊控制器的输入，从数量上看是三个，但一般也称其为单变量模糊控制系统，称这样的模糊控制器为三维模糊控制器。相应地一维模糊控制器仅以误差作为输入变量，二维模糊控制器则以误差及误差的变化作为输入变量，以控制量的变化为输出量。理论上，模糊控制器维数越高控制精度越高，但控制规则会变得过于复杂，所以现在人们常用的模糊控制器多为二维模糊控制器。2 精确量的模糊化方法在确定了模糊控制器的结构后就需要对控制器输入量进行采样、量化并模糊化。将精确量转化为模糊量的过程就称为模糊化或模糊量化。将精确量通过模糊化处理转变成离散量的目的是为了推理合成方便。一般情况下，如果把闭区间，b 上的精确量X 转换为卜月，+ n 】区间的模糊离散量Y ，其中n 为不小于2 的正整数，容易推出：Y = 2 n x 一( 口+ b ) 2 ( b a )( 5 1 2 )对于离散化区问的不对称情况，如 _ n ，+ 肌 ，上式演变为Y = ( m + n ) z 一( 口+ b ) 2 ( b a )( 5 1 3 )其中，兰生或罢竺称为量化因子。b ab a3 模糊控制规则设计模糊控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分设计内容：选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。( 1 ) 选择描述输入输出变量的词集模糊控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇( 如“正大”、“负小”等) 的集合，称为这些变量的词集( 也称变量的模糊状态) 。一般选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出鞍山科技大学硕士论文第五章铜卷小车自动定位A P C 的具体实现方法变量的状态，由于人的行为在正、负两个方向的判断基本上是对称的，将大、中、小再加上正、负两个方向并考虑变量的零状态，共有七个词汇，即： 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大)一般用英文字头缩写为： N B ，N M ，N S ，0 ，P S ，P M ，P B )选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使制定控制规则方便，但控制规则相应变得复杂：选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性能不良。一般情况下都选择以上七个词汇，也可以根据实际系统需要选择三个或五个语言变量【4 7 ，4 8 1 。( 2 ) 定义模糊变量的模糊子集定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状，将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。隶属函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高，控制灵敏度也较高；曲线形状变化较缓慢控制特性也较平滑，系统稳定性较好。因此，在选取隶属函数时，在误差较大的区域采用低分辨率的模糊集，在误差较小的区域采用较高的分辨率的模糊集，当误差接近于零时，选用高分辨率的模糊集。( 3 ) 建立控制规则模糊控制器的控制规则是基于操作者的手动控制经验。操作者通过对被控对象某些变量的观测，根据自己已有的经验和技术知识，进行综合分析并作出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使系统输出达到预期的目标。利用语言归纳手动控制策略的过程，就是建立模糊控制器控制规则的过程。手动控制策略一般都用条件语句加以描述，将这些条件语句用模糊关系和模糊逻辑来表达就可以生成模糊控制规则。常用的模糊控制语句的形式为“若A 且占则C ”( i fAa n dBt h e nC ) ，与其对应的模糊关系为：R = ( 彳C ) n ( B C )( 5 1 4 )4 模糊控制量的非模糊化方法模糊控制器的输出是一个模糊集，但被控对象只能接受一个精确的控制量，这就要进行非模糊化处理，把模糊量转换成精确量的过程就称为非模糊化，又称清晰化或模糊判决。常见的非模糊化的方法有两种：( 1 ) 重心法重心法又称加权平均值法，是取隶属度的加权平均值作为输出的清晰值。假设输出模糊集可表示为u = ( 而) 7 ，按如下公式计算最后输出清晰量：鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法“= 鼍，_ 一( 5 1 5 )I U u ( 曲d x上式中的”f 仅表示对各个模糊量作“或”运算。对于离散情况则有：_ “。( _ )“f - 岂_ 一( 5 1 6 )“v ( 工，)培l重心法是应用最多的非模糊化方法，它能全面的考虑模糊量的有关信息，同时执行运算较为容易，因此受到人们的广泛应用。( 2 ) 最大隶属度法假设模糊控制器的输出模糊集U 的论域为：U = 以，“：，“。) ，非模糊化处理的最大隶属度原则是选择输出模糊集U 中隶属度最大的那个元素U 作为判决结果，“应满足：“u ( “1 ) “u ( “) ，“U( 5 1 7 )在求得清晰值后，还需要经过尺度变换将清晰值变为实际的控制量。变换的方法可以是线性的，也可以是非线性的。如精确值z 。的变换范围是瞳。，z 。、】，实际控制量的变化范围为m 。，“】，采用线性变换的话有实际输出控制量“= 生学+ 克( z 0 一刍警) ，k = 生坠玉就被称为比例因子。z m z m5 1 3 模糊控制理论的现状及发展方向模糊控制理论从出现到现在已有二十余年【2 8 , 2 9 】，它经历了由简单到复杂、由不完善到逐步完善的阶段。二十多年来，模糊控制理论得到了飞速的发展，和常规的控制器相比，它无须建立被控对象的数学模型，对非线性、时变、大滞后系统控制效果良好，但它仍然存在一些缺陷【3 0 3 ”：1 控制精度不高。现在应用的大多数模糊控制器都是二维模糊控制器，仅以偏差和偏差变化率作为输入模糊量，没有引入积分机制，使得它无法完全消除稳态误差。2 自适应能力有限。因为模糊控制器的控制规则和模糊变量的隶属函数都是确定的，在对象外界条件变化时它不能对自己的控制规则及隶属函数作出相应地调整，使得它的自适应能力存在欠缺。3 稳定性问趔3 2 , 3 3 ，目前还没有一种方法可以准确地判断模糊控制系统的稳鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法定性，在控制规则、隶属函数选择不当时很容易产生系统不稳定现象。由于存在以上问题，模糊控制还未得到普遍地使用。但人们已经尝试将模糊控制理论与经典控制理论相结合，取长补短，发挥它们各自的优点来构建新的控制器。在这方面已经有了许多新的成果，模糊系统理论还有一些重要的理论课题没有解决。其中两个重要的问题是：如何获得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行；以及如何保证模糊系统的稳定性。大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要课题为：( 1 ) 适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；( 2 ) 控制器的鲁棒性分析j ”，系统的可控性和可观测性判定方法等。模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数的设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题：进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。相信在不远的将来，模糊控制技术可以得到更广泛地应用。5 2 钢卷小车模糊控制的应用钢卷小车的负载不确定，惯量的变化范围较大，非线性严重。在这样的工作条件下，要在较大的工作范围内达到较高的位置精度和良好的动态性能是比较困难的。要建立起较为接近实际情况的数学模型，再运用经典的控制系统设计方法是不容易的。并且随着小车的运行，各种参数将发生变化，这些都将影响到控制效果。而现场的操作工通过一段时间的操作小车的运行，依据钢卷的大小却可以较好控制小车的上升和下降，前进和后退。因此可以将操作工头脑中的经验加以总结，把凭经验所采取的相应措施总结成一条条控制规则，由计算机通过模糊控制来运用这些控制规则，并且由于计算机有巨大的存储能力，可以将以往的操作效果加以分析和积累，对将来出现类似情况可以很好的处理。根据钢卷小车的实际控制情况，控制系统采用P L C 完成的，因此对于小车的定位控制算法不能过于复杂，所以对于模糊控制器的设计，我们要根据实际情况而定，理论上，模糊控制器维数越高控制精度越高，但控制规则会变得过于复杂，所以现在人们常用的模糊控制器多为二维模糊控制器。对于二维模糊控制器的控制技术也是最成熟的，所以我们选择了二维模糊控制器。也就是有两个输入变量和一个输出变量。小车定位的过程中，到底哪旱需用模糊控制器来完成，下面我们先分析一下钢卷小车自动定位的原理图。由于小车的横移控制是由变频器控制的异步电动机完成的，横移的距离比较大，所以对速度和精度的权衡控制就很难把握。下面就以横移为例分析一下，横移方向鞍山科技大学硕士论文第五章铜卷小车自动定位A P C 的具体实现方法A P C 的控制过程。5 2 1 钢卷小车模糊控制的原理和必要性幽5 5 钢卷小车控制原理图从图5 5 小车定位控制原理图我们可以看到，钢卷小车每次起动定位时，就可以得到一个位置设定值，由编码器实时检N d , 车的实际位置。这样就可以计算出小车的位置偏差：偏差e = 位置给定值P 位置反馈值尸，。小车的定位偏差和定位速度的曲线如图5 6 所示，根据偏差的大小，我们有两种选择：偏差e 的大小在误差范围内时，程序提示定位达到：如果偏差e 不符合要求，根据偏差e 的大小，“速度设定选择器“会由程序自动判断给出速度设定值，由偏差e 乘以比例系数，使输出速度沿一定斜率增长，经过输出限幅后，作用到变频器上，使电机转动，带动小车横移运动，由编码器记下小车的实际位置。V幽5 6 钢卷小印定位速度和位移曲线幽从图中控制曲线的分析我们知道，小车先以匀加速运行，加速度的选择主要考虑下面二种因素：( 1 ) 在加速过程中，必须保持钢卷车运行平稳，不发生剧烈的晃动：( 2 ) 根据现场调试的情况，选择适当的加速度和减速度，在满足上述条件的情鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法况下，尽可能地选择较大的加速度，以提高生产效率。当行车运行到S 一 * 点时( 即接近目标位胃，此过程是由P L C 软件设计完成的) ，小车便开始进入匀减速过程。选择减速度大小与选择加速度时考虑的因素相似。当小车运行到s * * 点时，控制程序发出小车停止前行命令，即速度输出为零，使小车立即停止运行，但由于钢卷车自重加上钢卷的重量，虽然控制小车运动的模拟量输出为零，但由于惯性的作用，小车必然要继续滑行一段距离，从图中分析出，小车还要经过滑行s 才能停下来。由于钢卷重量是不固定的，所以s 的值也是变化的，影响A s 大小的因素有很多，但最主要的因素是钢卷的重量和小车在s x * 点时速度V L ，为了使小车的定位尽可能的准确，我们就可以从上述的两个影响因素着手。其实从图中我们可以分析出控制的目标值与实际值必然要有误差。我们用e 。表示，控制的目的就是使e 。能达到最小。使它落在误差允许范围带中。所以J 的确定是主要的。s 预算得准确与否直接影响e 。的大小。鉴于此种情况，必须对s 的值进行准确的控制。因为当l i e 的值固定时，s 的大小主要由重量决定。根据本工程的设计要求，并经过多次现场测试，我们选V L = 6 m m i n ，为了消除出于重量的不同而带来的定位误差，在这里我们选择用一个二维模糊控制器来实现。如图5 7 所示：下面分析一下，工程中的设备参数：小车自重1 0 吨：钢卷重量l O 吨3 0 吨；所以输入变量的论域：2 0 屯4 0 屯；定位精度要求：一2 咖2 m m ；当几的大小为6 m r a i n 时，小车停下时，不同的卷重对应的s 不同的值，经现场在线测试，进行数据统计，可以得到：s 的变化范围为：5 2 0 m m 。性滑差- - - - - - - - _ - - - - - - - - - - _ - - _ - - - - _ - - - - 图5 7 钢卷小车模糊控制器图，关于预报小车滑行偏差的模糊控制程序，作为整个P L C 控制程序的一个子程序，鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出。每当有起动定位命令时，系统丌始执行模糊控制子程序。控制规则有多种实现方法。图5 7 给出以数字量形式实现的模糊控制方法，该方法的特点是程序易读，易于修改。5 2 2 钢卷小车模糊控制程序实现当前，F u z z y 控制器的设计多采用基于操作员经验的直接试探法。在本系统中设计路线是结合操作人员的经验，应用极大极小合成运算的原理设计F u z z y 控制器。1 、精确量的F u z z y 化为了使系统有较好的灵敏度和稳定性，在偏移量较大的区域，用低分辨率的模糊子集，在偏移量较小的区域采用高分辨率的模糊子集。又考虑到P L C 编程的特点，以及生产的实际运行工艺状况，所以输入变量钢卷的重量G 和输出变量u 的F u z z y 状态均划分为7 个档次，形成了7 个F u z z y 子集，来反映其值的大小：G 、U = Z 、S S 、M S 、B S 、S 、M 、B )其中有：Z = 零、S S = 小小、M S = 中小、B S = 大小、S = 小、M = 中、B = 大。因为实际控制中，G 和u 的取值一定是正数，原则上我们可以把它映射成正负对称的区间中，但考虑到所设计的控制器应用于实际的工程项目，有些编程为了适应操作人员的思维习惯，所以在这里，我们对输入变量G 和输出U 变量作了如上设定。关于另一个输入变量E ，因为它是最终的定位偏差，作用范围很小，并不是决定AS 的主要因素，它的作用只不过用来修J 下由于重量判断不准而引起的波动，从某种意义上讲，它相当于一个补偿量，根据工艺上的特点，小车每次启动定位时，重量是已知的，而偏差只有到定位完成后爿知道，所以最好的选择就是用上一次此种钢卷的定位偏差来代替当前的输入偏差值。所以结合实际情况和编程的方便性，我们可以把E 的模糊子集定义为：E = N B 、N S 、Z 、P S 、P B 其中：N B = 负大、N S = 负小、z _ 零、p S = 正小、p B = 正大。F u z z y 集E 为偏差e 所对应的语句变量集合，G 为重量g 所对应的语吉变量集合。F u z z y 集U 为输出U 所对应的语句变量的集合。2 、模糊论域的确定由于设计的是的模糊控制器，根据实际情况和经验，我们把输入G 、输出U 的模糊论域都定为：G 、U = O ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ：而输入E 的模糊论域定为：E = 一4 ，一3 ，一2 ，- 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 。3 、隶属函数的确定过程参数的变化范围即模糊控制器输入量的实际变化范围称为基本论域，它是一个连续域。但通过乘以量化因子和比例因子后，进行四舍五入处理，就可以把它4 3鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法们转化成离散域。可以映射到所定义的语言变量论域上。根据操作经验并采用了模糊统计方法，针对本工程我们对输入、输出的隶属函数设定如下：( 1 ) 输入G 的隶属函数图形表示法( 图5 8 )。凇一。图5 8 输入变量G 的隶属函数图( 2 ) 输入G 的隶属函数表格表示法( 表5 1 )表5 1 输入G 的隶属函数等级语言啬01234567891 0l l1 2Z10 50000000000OS S00 510 500000O0O0S i d0000 5lO 50000000S B000O00 510 5O0000S0000O000 5l0 5000M000000O000 510 50B000000000000 51对于此工程，对于输入变量G ，当隶属度为“1 ”时：各个值的范围我们作如下规定：Z ( 零)：G 1S S ( 小小) ：l G 3S M ( 中小) ：3 G 5S B ( 大小) ：5 G 7S ( 大)：7 G 9M ( 中)：9 G 1 1B ( 大)：1 l G( 3 ) 输入E 的隶属函数图形表示法( 图5 9 )对于此工程，对于输入变量E ，当隶属度为“1 ”时，各个值的范围我们作如下规定：N B ( 负大) ：E 3。N S ( 负小) ：3 G 1鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法Z ( 零)：- 1 G 1P S ( 整小) ：1 G 以浙幽5 9 输入E 的隶属函数幽( 4 ) 输入E 的隶属函数表格表示法( 表5 2 )表5 2 输入E 的隶属函数等级语育爪一4321O1234N B1O 50OOO0O0N SOO 51O 5OO0OOZ0O0O 51O 50OOP SOO00OO 51O 50P BOO0O000O 51( 5 ) 输出变量U 图形表示法( 图5 1 0 )幽5 1 0 输出U 的隶属函数在这里，根据P L C 控制程序的特点和编程需要，并且本文对从模糊量到精确量的转换方法采用最大隶属度法，所以输出语言变量u 的模糊子集隶属度函数我们可以选单值隶属度函数。这对于反模糊化过程带来很大的方便。( 6 ) 输出变量u 的隶属函数表格表示法( 表5 3 )4 5鞍山科技大学硕士论文第五章铜卷小车自葫定位A P C 的具体实现方法表5 3 输出u 的隶属函数等级阮f i O1234567891 01 l12Z1000000000000s sO010000000000肼OOO0l00OO0000凹OO0000lO00000S000OOO0Ol00O000O00OOO00100占00000000O0OO14 、模糊规则的确定模糊规则的确定可以说是模糊控制的核心，为简单易行，采用最大隶属度法。因此整个系统的总控制规则所对应的F u z z y 关系R 为：式中Ri 为根据每一条语句推出的相应F u z z y 关系：R ：毋R i模糊规则制定的依据是：根据系统输出的误差变化趋势来消除误差。根据现场的调试情况以及经验总结，对于本系统共可以设3 5 条规则：这些控制规则可以用以下3 5 条模糊条件语句来描述：R I ：i f E = N Ba n dG = Zt h e nU = S M ：R 2 ：i f E = N Ba n dG = S St h e nU = S B R 3 5 ：i f E = P Ba n dE C = Bt h e nU - - S ：为方便起见，把上述控制规则列成表格形式，如表5 4 。表5 4 钢卷小带模糊控制规则表、泳tZS定位福秘莹o S SS MS BSP SS SZZS SS BS5 、模糊规则查询表的确定双输入单输出系统为三元模糊关系矩阵R = E X E C X C因为二维控制器的关系矩阵计算相当复杂，所需占用的存储器的容量多，计算时间长，尤其我们所做的工程编程环境是P L C ，受采样周期以及控制器内存大小的：f 限制，复杂的和大量的运算P L C 完成不了，所以实际运用时采用计算机离线求出查鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法询表，如表5 5 。表5 5 模糊控制卉恂表心；01234567891 01 11 2定位偏藿争o 44466881 01 01 21 21 21 21 2- 34466881 01 01 21 21 21 21 22224466881 01 01 21 21 21224466881 01 0121 21 2000224466881 0i 01 2100224466881 01 01 22002246688l01 0l23OOO0002244668400O0002244668离线计算出模糊控制表，得到该表后，而是查询表，这样所占内存少，使用方便。糊控制查询表。6 、将实际变量模糊化计算机中存放的不再是模糊关系矩阵，再按照取隶属函数最大值的原则得到模首先将输入变量精确值映射至各自的模糊论域内。因为本工程具有一、二级直接通讯的功能，第一章中介绍过，入口进行来料验收时，二级便把该钢卷的有关信息传到一级的控制站中，我们就可以得到输入重量的精确值。根据现场控制的实际情况：我们对输入变量作如下的处理：因为输入范围是2 0 - 4 0 吨，模糊论域为( 0 - - 1 2 ) ，由于程序是在P L C 中完成的，所以我们可以对输入作如下的处理：根据来料情况，作如下判断：设卷重用G 表示。根据前面介绍的公式，如果把闭区间陋，b 上的精确量X 转换为 _ n ，+ n 区间的模糊离散量Y ，其中n 为不小于2 的正整数，容易推出：Y = 2 n x 一( 口+ b ) 2 ( b 一口)对于离散化区间的不对称情况，如 - n ，+ 聊】，上式演变为：Y = ( 聊+ n ) p 一( a + b ) 2 ( b a ) ，根据工艺的特点，对于输入变量G 没有负向取值，所以，对输入做的处理为：Y = ( G 一2 0 ) 0 6把此式的结果进行四舍五入处理，就可以转换成模糊论域中得值。同理，对误差也作相同的模糊论域处理，为了控制方便起见，因为误差e 的实际论域就是( - 2 m m 2 m m ) ，模糊论域我们设的( - 4 m m , - - 4 m m ) 。这给编程带来很大方便。每当启动定位时，刚卷的重量G 便可确定下来了，而误差e 的取值，我们是用上一次定位该重量的钢卷所引起的误差值。每一次定位结束，我们用S T E P 7 中的鞍山科技大学硕士论文第五章铜卷小车自动定位A P C 的具体实现方法D B 数据块，汜下该偏差，以备下次定位时，作为模糊控制器的输入。7 、将输出模糊论域的值映射至实际输出精确值根据输入卷重和偏差的情况，通过查表，我们就可以得到输出变量的模糊论域值，然后把它转化成实际的偏差量就可以了。5 2 3 钢卷小车模糊控制结果如图5 1 l 由模糊控制器判断出来的钢卷小车滑行偏差s 就可以作为位簧给定的补偿量，小车在启动定位时，钢卷的重量G 我们可以确定，误差滑差E 我们可以用上一次此种重量的定位结果替代。按上述介绍的公式分别量化后，查表5 5 后s 便可以确定了，也就是速度位移曲线图5 6 中的s * * 点找到了。就可以由P L C自动定位子程序实现了。幽5 11 钢卷小车修止后的控制原理图运行结果的比较：在本工程的初期设计时，对于小车滑行偏差的设计仅采用取平均值法，当小车上有钢卷定位时，s 取为1 0 m m 。控制效果不好，现场调试时，经常出现定位不准，故障报警的情况。所以考虑到降低停止速度的控制方案，也就是把小车在S * * 点时低速度V L 出原来的6 m m i n 降低为3 m m i n ，控制结果有所改善，但它是靠牺牲定位时削来求定位精度的。但采用模糊控制器作为s 的修正，在保证原来定位时间不变得情况下，定位精度有明显的改进，由于小车每次定位过程都是一个独立的过程，工艺上的特点决定了小车每次的目标值和距离都不是固定的，所以对于控制过程的判别，我们只能用误差结果作比较，下面的表5 6 就是在现场调试以及最近现场生产过程中统计的误差情况。共在现场取2 4 次定位结果作比较，比较结果见表5 6 ，为了直观起见，我们可以把这2 4 次比较结果绘成曲线图，见图5 1 2 。鞍山科技大学硕士论文第五章钢卷小车自动定位A P C 的具体实现方法表5 6 钢卷小车定位误差统计表取A s 平均取A S 平均次数序列模糊控制的定位误差次数序列模糊控制的定位误差的定位误差的定位误差lO 82 71 31 55 82一O 3O 11 40 26 131 44 11 50 51 240 96 51 61 O2 65O 82 31 7一O 2一O 66O 6一O 11 8一O 32 47一O 8一1 91 9一O 62 78一1 15 O2 0一O 13 991 34 52 1O 90 61 0一1 15 12 2- 0 41 I9l lO 81 82 31 53 0 01 21 33 82 41 11 2洪8麓e o64202。46口一jj 尸飞?苫jj 田一周夕、也矿弧A 7 嘲矽、卜jy j ￥nn、曲ij口口、j：r j崩b 一乜d051 01 52 02 5次数序列图5 1 2 钢卷定位误差曲线比较图( 虚线是A S 取平均值方法测量的2 4 次定位结果，实线是A j 采用模糊控制器测的与细线同期运行的结果)从图5 1 2 和表5 6 中的数据可以看出，采用模糊控制器s ，进行控制系统修F 后，控制的性能指标和运行情况远优于取s 平均值进行系统修正的控制，模糊控制方案是成功的。从运行效果来看，控制系统的设计是成功的。冷轧清洗线钢卷小车实现了全部过程的自动化控制，并且控制效果十分理想。小车定位准确，工作效率高，控制方法灵活，完全满足工艺要求。整个系统已经运行近三个月了，系统运行可靠，操作简单。并大幅度降低了工人的劳动程度。鞍山科技大学硕士论文第六章钢卷小车定位控制程序总体设计第六章钢卷小车定位控制程序总体设计6 1 面向对象分析方法对于工业过程的智能控制设计，控制问题的建模一直是困扰系统设计的大障碍。虽然智能控制思想的引出是由于被控对象的精确数学模型建模困难所至制，但使用计算机进行工业生产过程的控制，形式化处理是必不可少的一个重要环节，而建模正是形式化描述的重要手段。目前，生产过程控制的工程设计多数仍然采用传统的数据流图建模方式( 控制流程图) ，由于这种方法是建立在精确数学描述基础之上，因此用于进行智能控制设计时存在着明显的不适应性和局限性，主要表现在以下两个方面：一1 、难以进行控制问题定义：2 、难以实现人机融合【3 7 , 3 8 J 。在解决上述问题的实现策略上，存在两种方式，一种是追求计算机系统的高度智能化，这种研究趋势在控制系统设计中的表现是集中精力于算法开发，使控制系统最大限度地代替人来工作。J 下是这些研究成果使得计算机控制系统的智能模拟水平越来越高。另一种设计策略是强调人的不可代替性，即在设计中强调人的参与的必要性，提出了以人的主观臆断为控制目标的满意控制思想。在满意控制的设计策略中，放弃传统意义上的最优思想，认为控制本身就是寻求一种平衡，控制目标的实现就是达到某种满意程度。这种设计思想以人为中心展开设计，将人的智能行为作为系统活动的一部分。针对工业生产过程控制设计中的综合集成问题，借鉴软件工程中的面向对象分析与设计方法( O O A D ) 和智能控制理论中的“智能体”概念，在对实际工程设计经验进行归纳的基础上，提出了一种工业生产过程综合集成智能控制设计方法，即面向智能对象的过程控制设计模式I O O P C D P ( I n t e l l i g e n tO b j e c t - O r i e n t e dP r o c e s sC o n t r o lD e s i g nP a t t e m ) 。6 2 面向智能对象的过程控制设计模式所谓控制设计模式，就是对控制设计知识的抽取，并形成针对特定目标的控制设计方案，以及实现该方案的一般计划l j 。在软件工程领域，采用面向对象方法进行软件设计已经形成了一系列标准规范和模式一，其中，面向对象的分析、设计方法是无可争辩的主要手段，并为实践证明是行之有效的好方法。在自动控制领域中，也有一个与面向对象方法相似的控制技术是多智能体控制。就其自身特征而言，智能体不但具有智能性、主动性和自主性等智能特征，而且也鞍山科技大学硕士论文第六章钢卷小车定位控制程序总体设计具有普通对象的基本特征，如：源于实体抽象，且具有独立特征J 。I O O P C D M 根据智能体的对象特征，借鉴软件开发过程的完善模式p “，为生产过程定义了一种具有智能体特征的概念实体控制角色C W ( C o n t r o lW o r k e r ) ，利用这种特殊的对象将成熟的面向对象的分析设计方法引入到智能控制设计中。I O O P C D M 的基础是三个控制模型：控制任务模型( C T M ) 、控制对象模型( C O M ) 和控制代理模型( C A M ) 。其中，C T M 建模过程对控制需求以基本控制任务为单位进行了分解处理，C O M 建模是在C T M 的基础上根据面向智能对象( c w )的思维方式定义了生产过程的组织构架，而C A M 则依据综合集成思想p ”分别为每个控制角色定义了一组实现控制智能需求的控制代理。通过分步实施三项建模活动，将工艺专家提出的关于一个生产过程的控制需求转化为可以直接应用各种控制技术和手段的软件系统构架。6 2 1C T M 的模型定义与建模方法任何工业生产过程都是要将某种原始工件( 原材料或中间产品) 加工处理为满足生产目的的目标工件( 生产产品或中间产品) ，因此人们在分析生产流程的控制需求时所考虑的是如何保证对被处理( 加工) 工件的处理结果满足要求。人们解决控制问题时根深蒂固的思维习惯是负反馈方式，这种思维习惯在控制需求分析阶段的表现形式为面向目标处理问题的三阶段法：确定控制方案、执行控制方案和优化控制方案。为了尽量遵循设计人员的这种自然思维习惯来分析控制需求，C T M 建模过程也是围绕着对工件的一个处理过程P R O ( P r o c e s s ) 分别确定针对该过程的四项控制任务C T ( C o n t r o lT a s k ) ：确定过程方案M P S T ( M a k i n gP r o c e s sS c h e m e T a s k ) 、执行过程方案I P S T ( I m p l e m e n t i n g P r o c e s s S c h e m e T a s k ) 、优化过程方案O P S T ( O p t i m i z i n gP r o c e s sS c h e m eT a s k ) 以及联系上述任务的跟踪工件处理过程任务T P M T ( T r a c k i n gP r o d u c t i o nM a t e r i a lT a s k ) 。根据上述分解控制任务原则，可以得到生产过程控制需求的控制任务定义如图6 1 所示。图6 1 控制需求的可视化分类定义尽管图6 1 实现了对控制需求的初步分解，但对于复杂的生产过程，分解后得鞍山科技大学硕士论文第六章钢卷小车定位控制程序总体设计到的生产任务可能仍然很复杂，需要进一步分解为目标单一、规模适中的基本控制任务E C T ( E s s e n t i a lC o n t r o lT a s k ) ，以便明确控制智能需求。所谓E C T 就是一个具有语义完整性( 在自然语义下仍是一个独立的控制任务) ，且在理解上不需要进一步细化事件说明的C T 。根据E C T 在生产过程中表现的表现形式，E C T 又可以进一步分类为：时序决策任务S E Q ( S e q u e n c i n g ) 、过程量调节任务A D J ( A d j u s t i n g )和设定计算M S ( M a k i n g - S e t u p ) 。根据上述分解基本控制任务原则，可以得到基本控制任务分类定义如图6 2 所示。图6 2 控制任务的可视化分类定义建立C T M 的工作目的是将一个复杂生产过程控制的需求分解为一组对工件进行某种处理的E C T ( 基本控制任务) 及E C T 之间的依赖关系T T ( T a s k t o T a s k ) ，以便确定对这个复杂生产过程进行控制时所需要的控制智能。图6 _ 3 为C T M 的定义类图。而由此确定的C T M 建模的工作流程为：定义C T 一定义E C T 一定义T T 关系。图6 3 C r M 可视化定义6 2 2c O M 的模型定义与建模方法对于领域专家而言，定义控制任务的目的就是要按照人的自然思维方式寻找解决问题的方法。为此，I O O P C D P 依据面向智能对象方法提出了控制对象的概念，即遵循领域专家的自然思维逻辑，将一个E C T ( 基本控制任务) 的执行过程视为若干控制对象C O ( C o n t r o lO b j e c t ) 的相互作用。这些对象分为两类，一类是主动对象( 具有智能体的主动和自主特征) ，承担着完成控制任务的主要职责，另一类则是控制任务的作用对象。前者定义为控制角色C W ( C o n t r o lW o r k e r ) 生产过程中的智能体，后者定义为控制实体C E ( C o n t r o lE n t i t y ) 。根据工业生产过程I P P( I n d u s t r i a lP r o d u c t i o nP r o c e s s ) 的特点，C E 可以进一步分类为设备实体E Q U( E q u i p m e n t ) 和文件实体D O C ( D o c u m e n t ) 。定义某一工业生产过程要明确该过鞍山科技大学硕士论文第六章铜卷小车定位控制程序总体设计程中存在的这两类对象的性质特征和行为特征，以及彼此之间的相互作用关系( 简称控制关系) 。采用I O O P C D P 的工业生产过程的可视化分类定义如图6 4 所示。图6 4 生产过程的可视化分类定义C T M 建模将生产过程控制需求分解为一组目的单一、且行为已经具体化的基本控制任务( E C T ) 和任务关系( T T 关系) ，而一个生产过程的C O M 建模就是要确定生产过程中存在的承担着各种基本控制任务( E C T ) 的控制角色( c w ) 和这些控制角色完成控制任务所要涉及的各种控制实体( C E ) ，以及它们之问在生产过程中的控制关系C C ( C O t oC O ) 。控制对象之间的控制关系分为三类：C W 之间的服务关联关系w w ( C W t o C W ) 、C W 和C E 之间的操作关联关系W E ( C W t o C E )和C E 之间的属性关联关系E E ( C Et oC E ) ，C O M 建模的工作重要目标之一就是确定工业生产过程中的各种C C 。图6 5 为C O M 的定义类图。幽6 5 为C O M 的定义类幽6 2 3C A M 的模型定义在C T M 和C O M 的基础之上，C A M 从解决问题的角度出发，定义了旨在实现各个C W ( 控制角色) 所分担的控制需求的过程控制系统软件构架，该构架的基本元素是实现C W 控制智能的“控制代理C A ( C o n t r o lA g e n t ) ”H 1 。为了保持思维的连贯性，I O O P C D P 将控制系统中的C A 按照完成控制任务的行为特征分类为执行控制任务的过程控制单元P C U ( P r o c e s sC o n t r o lU n i t ) 和操作控制实体的实体控制单元E C U ( E n t i t y C o n t r o lU n i t ) 。从智能实现手段的角度出发，P C U 又进一步分类鞍山科技大学硕士论文第六章钢卷小车定位控制程序总体设计为：过程控制器P C R ( P r o c e s sC o n t r o l l e r ) 和过程操作者P O R ( P r o c e s sO p e r a t o r ) ：E C U 则进一步分类为：文件管理器D O C M ( D O CM a n a g e r ) 和设备控制器E Q U C( E Q UC o n t r o l l e r ) 。C A ( 控制代理) 的可视化分类定义如图6 6 所示。图6 6 控制代理的可视化分类定义C A M 是采用“面向智能对象方法”建立的控制问题的解空间。模型中的C A( P C R 、P O R 、D O C M 和E Q U C 等) 一定直接对应着C O M 中的某个C W ，或者说C A 为C W 在解空阳J 的一对多映射。从C A 的作用可以看出，各种C A 之间存在着共同实现控制智能所需的协作关系A A ( c At oC A ) ，这些关联关系包括：P C U 之间的关系P - P ( P c u t oP C U ) 、P C U 与E C U 之间的关系P E ( P C U t o E C U ) 、E C U与E C U 之间的关系E E ( E C U t o E C U ) 。图6 7 为C A M 的定义类图。图6 7 C A M 的定义类削从图6 7 可知，C W 与C A 之间的对应关系是一对多得关联关系，因此不能采用C O M 建模过程中的一一对应方式定义C A 以及它们之间的关联关系一“，而是对每个C W 的职责( 操作) 进行智能需求分析，根据分析的结果确定共同实现C W 的控制智能的C A ，然后，依据C A 在实现控制智能过程中的分工确定彼此之间的关联关系。C A M 建模的工作流程见图6 8 。对面向智能对象的控制过程分析后，我们知道I O O P C D P 的核心是以贴近人类自然思维模式进行过程控制设计，其基本原理是采用面向对象方法将被控对象按照控制智能需求进行自然分割，通过定义控制角色( c w ) 的形式进行智能需求说明，然后针对各个C W 的职责进行智能实现方法选择。其特点是将智能需求描述与智能需求实现分为两个独立的建模阶段，从而克服了控制设计过程中过早纠缠于实现方法带来的一系列问题。鞍山科技大学硕士论文第六章钢卷小车定位控制程序总体设计图6 8 C A M 的工作流程图6 3 钢卷小车控制程序设计思想6 3 1 面向对象的分析方法( u s ec a s e ) 的实现U s ec a s e ( 即我们说的用例模型4 4 4 5 1 ) ，它可以把控制任务进行结构化化分。在这罩我们先用它描述冷轧清沈线手动操作控制功能。手动控制是控制任务中的最基本控制方式，是生产的基础，是实现自动控制的前提。把所有的手动控制按顺序连起来就可以实现自动，用力模型就是针对这种思路，把复杂的任务划分开，使其具有清晰的结构化。用例模型由二部分组成：用例图和用例事件流说明，用例图以可视化形式说明控制系统为用户所提供的服务项( 或称用例) ，定义了控制系统的服务对象( 主动控制主角C W ) 、控制任务( C T 控制用例) 和控制对象( C O 被动控制主角) 。用例事件流说明则用于详细描述控制主角和控制系统之阳J 在控制过程中的交互行为。在本模型中，一个控制用例说明一个控制按钮的操作过程。6 3 2 入口台车操作控制用例模型该用例模型用于描述手动操作模式下操作人员在操作台车过程中与系统的交互行为。模型分为两部分：一是台车操作控制用例图：二是台车操作控制用例说明。一、台车操作控制用例图如图6 9 所示。该用例模型的控制主角是输入段操作工( 简称E N T R Y O P R ) ，模型中包含8个台车操作控制用例，分别是：高速前行用例F W D H I G H 、低速前行用例F W D L O W 、高速后行用例B W D H I G H 、低速后行用例B W D L O W 、高速上升用鞍山科技大学硕士论文第六章钢卷小车定位控制程序总体设计例U P H I G H 、低速上升用例U P L O W 、高速下降用例D O W N H I G H 、低速下降用例D O W N L O W 。同时，模型中还包含了一个抽象用例，提示台车位置控制用例D C P ，为了便于辨识，抽象用例采用斜体描述方式。用例图同时描述了模型元素之问的关联关系。入口图6 9 台车操作前行后行控制州例二、台车操作控制用例说明1 F W D - H I G H 用例说明用例名称：高速前行F W D H I G H ：控制主角：E N T R Y - O P R ：用例概述：该用例用于描述使用操作按钮“F W D H I G H ”( 台车高速前行) 控制台车前行的操作过程。“F W D H I G H ”位于入口小车与开卷机操作台( E O P 0 1 ) ，属于手动操作按钮。主事件流：E N T R Y O P R 扳动F W D H I G H 按钮( 输入变量“P B L E C C F W D - h i g h ”o n ) ：系统使台车处于高速运行状态，具体动作如下：置位输出变量“L E C C F W D ”( 按钮灯变量) 为o n 。检查下列连锁条件是否满足：鞍山科技大学硕士论文第六章铜卷小车定位控制程序总体设计1 、没有急停；2 、入口段液压O K ：3 、小车没在心轴区或小车在心轴区且支撑轴抬起、压辊下降；4 、小车没有上升动作；5 、小车上没有钢卷且小车在底线位，或者车上有卷且小车在传送位且小车不在心轴区。满足上述条件：设置输出变量E C C V M 0 1 ( 小车高速前行) 。E N T R Y O P R 扳动F W D H I G H 按钮到空位置( 输入变量P B L E C C F W D - h i g h ” 按钮变量) o f f ) ；系统使台车处于停止高速运行，具体动作如下：1 、置位输出变量“L E C C F W D ”( 指示灯变量) 为o f f ；2 、置位输出变量E C C V M 0 1 ( 小车停止高速前行)各选事件流：( 1 ) 台车极限位停车当台车运行到极限位( E C C f o r w a r d - e n d 为o n ) ，系统立即使台车结束运行状念，具体动作如下：a 、报警：b 、置位输出变量E C C V M O l ( 小车停止前行) ；C 、极限位置指示灯“P L E C C f o r w a r d e n d ”为o n 。( 2 ) I n c l u d e “D C P ”用例( 指示灯显示说明) 。I I D C P 用例说明用例名称：提示台车位置控制用例D C P ；用例类型：抽象用例；用例概述：该用例用于说明系统提示台车位置行为：事件流说明：。l 、系统提示台车位于s a d d l e l 位置：当台车位于s a d d l e l 位置( E C C n o 1 p o s i t i o n l i m i t ) ，s a d d l e l 位置指示灯P L E C C n o 1 - p o s i t i o n 亮；2 、系统提示台车位于s a d d l e 2 位置：当台车位于s a d d l e 2 位置( E C C n o 2 p o s i t i o n - l i m i t ) ，s a d d l e 2 位置指示灯P L - E C C - n o 2 - p o s i t i o n 亮：3 、系统提示台车位于s a d d l e 3 位置：当台车位于s a d d l e 3 位置( E C C n o 3 p o s i t i o n l i m i t ) ，s a d d l e 3 位置指示灯鞍山科技大学硕士论文第六章钢卷小车定位控制程序总体设计P L - E C C - n o 3 一p o s i t i o n 亮。4 、系统提示台车位于h e ：i g h ta d j u s t 位置；当台车位于h e i g h ta d j U S 位置( E C C - h c 4 9 h t - a d j u s t - l i m i t ) ，h e i g h ta d j u s t 位指示灯P L - E C C - h e i g h t a d j u s t - p o s i t i o n 亮。5 、系统提示台车位于I N L I N E 位置；当台车位于I N ：L I N E 位置( E C C i n 1 i n e - l i m i t ) ，i n 1 i n e 位置指示灯P L - E C C - i n l i n e - p o s i t i o n 亮。6 、系统提示台车位于L I N E C E N T E R 位置：当台车位于L I N E C E N T E R 位置( E C C c e n t e r - l i m i t ) ，l i n e c e n t e r 位置指示灯P L - E C C c e n t e r - p o s i t i o n 亮。其它的用例说明与此相似，这里就不再赘述了，这样把小车的控制情况经过此种设计方法后，结构清晰、思路明确、条件也会考虑周全。也便于和其他人的程序结合。由此可见，复杂的控制任务经此分析后，变得清晰了，这种结构化的设计方法特别适合于这种大型的、复杂的工业控制。因为一个大的控制系统，不可能由一个人来完成设计，可能是由多个人共同来完成，所以任务的划分，必须明确合理，这样最终合并后，才能是一个完整适用的用户程序。上诉的这种用例模型图，使控制任务明确化，而且它还体现了控制对象之间的连锁条件，这样编出来的控制程序才能准确、适用、安全。且对用户来晚，特别便于维护。鞍山科技大学硕士论文结论结论本文基于鞍钢冷轧清洗生产线入口钢卷小车的功能特点进行详尽的分析。它的升降由比例阀来完成，横移由变频器完成。根据它们各自的特点本文分别作了详细的介绍。对于程序的设计，本文用了一种面向智能对象的分析方法把控制任务进行结构化分解，使控制程序结构清晰，可读性强，便于维
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