【導(dǎo)讀】究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論?；驋呙璧葟?fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。獲得安徽工業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。說明并表示了謝意。本人完全了解安徽工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，段保存論文,保密的論文在解密后應(yīng)遵循此規(guī)定。的鋼坯溫度分布，實(shí)現(xiàn)鋼坯表面最小氧化燒損，達(dá)到最少能耗的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)目的。因此，提高加熱爐的熱效率、降低能耗，對(duì)減少冶金工業(yè)能耗有積極的意義。“爐溫模糊自動(dòng)控制器”，從而實(shí)現(xiàn)了爐溫的快速響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合板坯的物料跟蹤模型、鋼坯溫。溫度并傳送給軋機(jī)，實(shí)現(xiàn)加熱爐的全自動(dòng)生產(chǎn)控制。

　　

【正文】 但無法實(shí)現(xiàn)爐溫的快速響應(yīng)控制，傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)很小的穩(wěn)態(tài)誤差，但溫度偏差大時(shí)的快速溫度控制也難以實(shí)現(xiàn)，本文結(jié)合近年來廣泛應(yīng)用的智能控制理論：模糊控制算法，提出了 FUZZYPID 控制算法，在溫度偏差大和溫度偏 差的速率大時(shí)，采用模糊控制算法，用模糊控制器代替串級(jí)溫度控制中的溫度調(diào)節(jié)器 Tc， 將模糊控器的輸出送至雙交叉限幅運(yùn)算器，經(jīng)雙交叉限幅計(jì)算后送至 空煤氣調(diào)節(jié)器，使空煤氣調(diào)節(jié)閥能較快地響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)溫度 快速響應(yīng) ， 在穩(wěn)態(tài)誤差較小時(shí)，恢復(fù)到 串級(jí) 控制，采用溫度調(diào)節(jié)器和流量調(diào)節(jié)器的串級(jí) PID 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。 與傳統(tǒng)控制方法相比，模糊控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。首先，模糊控制不需要控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。第二，在工程實(shí)際中，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立較好的模糊控制器。 區(qū)別于傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)方法，模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要精 確的數(shù)學(xué)模型。即模糊規(guī)則、模糊邏輯運(yùn)算和模糊集隱含地包括了系統(tǒng)模型。模糊規(guī)則將描述系統(tǒng)狀態(tài) 變量的模糊集與模糊控制器的輸出聯(lián)系起來。模糊控制將模糊建模任務(wù)和系統(tǒng)控制任務(wù)結(jié)合在一個(gè)任務(wù)中，通過避免分別的建模任務(wù)，通?？梢愿行Ш透咝У?解決控制問題?，F(xiàn)今，模糊控制器和控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用證明了這點(diǎn)。 模糊控制器結(jié)構(gòu) 模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制，它模仿人的模糊推理和決策過程。首先，將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化后的信 號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，進(jìn)行模糊推理，將推理后得到的輸出量送到執(zhí)行器或者下一級(jí)控制系統(tǒng)中。 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖 所示，由四部分組成。其中 r 為系統(tǒng)的給定值， e 是系統(tǒng)偏差、 ce 是偏差的變化率 (也可以是偏差的積分 )， y 為系統(tǒng)輸出。 e和 ce 是模糊控制器的輸入， u 為控制器的輸出。 E 、 EC 、 U 分別是 e 、 ce 和 u 的模糊量。 安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 圖 基本模糊控制器 的結(jié)構(gòu) 1)模糊化：主要作用是將真實(shí)世界的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)模糊矢量。 2)規(guī)則庫(kù)：規(guī)則庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的規(guī)則和控制目標(biāo)。它通常由數(shù)據(jù)表和模糊控制規(guī)則兩部分組成。 3)模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具基于模糊概念的有模擬人的推理能力。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。 4)清晰化：清晰化也是反模糊化，是將模糊推理得到的控制量 (模糊量 )變化為實(shí)際用于控制的精確量。 爐溫的控制，最終是通過控制空氣和煤氣調(diào)節(jié)閥的開度變化，改變進(jìn)入爐膛燃燒的 煤氣量來實(shí)現(xiàn)溫度控制的。爐溫的模糊控制和串級(jí) PID 控制的自動(dòng)切換，是根據(jù)溫度的偏差大小來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)溫度偏差較大時(shí)，為使溫度能快速地響應(yīng)，從而用模糊控制方法，當(dāng)溫度的偏差值進(jìn)入一定的區(qū)間時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)換為 PID 控制，實(shí)現(xiàn)較小穩(wěn)態(tài)誤差控制。 爐膛溫度 T 為被控制量，煤氣流量為控制量，根據(jù)實(shí)際控制要求，本模糊控制器溫度值與給定值的偏差 E 的語(yǔ)言變量值取 (負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大 )，偏差的變化率 EC 及煤氣流量的增量 U 的語(yǔ)言變量值取 (負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大 )，量化等級(jí)都取 {6， 5， 4， 3， 2， 1， 0，+l， +2， +3， +4， +5， +6}，各模糊子集的隸屬函數(shù)取三角型函數(shù)。 由于在不同的溫度下，系統(tǒng)要求的工作狀態(tài)是不同的，對(duì)誤差及誤差變化率的加權(quán)值應(yīng)有所不同，當(dāng)溫度誤差 E比較大時(shí)，模糊控制器的主要任務(wù)是快速地消除誤差，因此應(yīng)該取較大的 ? 值，即加強(qiáng)誤差 E的權(quán)值，以加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度。反之，當(dāng)溫度誤差 E較小時(shí)，控制器的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快趨于 穩(wěn)定，應(yīng)取較小的安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 α值，既加強(qiáng)誤差變化率 EC的權(quán)值，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了滿足系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下對(duì)修正因子 ? 的不同要求，引入了 2個(gè)修正因子 1? 和 2? 。表達(dá)式如下： ? ?? ?11221 , 2 , 1 , 01 , 6 , 5 , 4 , 3E E C EUE E C E??? ? ? ? ? ? ???? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ??? () 其中 1? ， 2? 為 0到 1之間的實(shí)數(shù)，且 12??? 。 通常情況下，選取 , ????。本系統(tǒng)中選取 1 ?? ， 2 ? ? ，并建立模糊控制查詢表 。 表 模糊控制查詢表 EE CU?6543210 1 2 3 4 5 66 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 5 5 5 4 4 4 3 3 3 6 5 5 5 4 4 3 3 3 2 2 1 1 6 5 5 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 5 4 4 3 2 2 2 1 1 1 22 3 5 4 4 3 2 2 1 0 1 22 3 4 5 4 3 2 2 101 23 34 4 4 3 2 2 1 0 1 23 34 4 5 3 2 2 1 1 2 33461 5 5 551 1 1 2 2 2 3 3 445 61 2 2 3 33445 56 663 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 65545 5 56 666 6 6 6 在已知 E和 EC的條件下，可以通過表來求得煤氣流量的增量 U ，再按最大隸屬度原則解模糊 ，選擇隸屬度最大的元素為精確控制信號(hào) ，即為實(shí)際煤氣流量的增量。所以煤氣流量的實(shí)際輸出信號(hào)為： ? ? ? ?1U k U k U? ? ? () 此值作為煤氣調(diào)節(jié)器的輸入值，同時(shí)在雙交叉限幅模塊的計(jì)算下，空氣調(diào)節(jié)器的輸入值也被更新，在空煤氣調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)下，空煤氣閥門快速動(dòng)作，從而達(dá)到快安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 速控制爐溫的目的。 實(shí)際應(yīng)用 及效果 根據(jù)實(shí)際的調(diào)試結(jié)果，我們把爐膛溫度 T 的誤差信號(hào) E 的實(shí)際論域定為 [60,+60]℃，誤差的變化量 E 實(shí)際論域定為 [3,+3]℃ /min，為了表述方便，我們把 E 和 E 的論域按比例變換到 [6， +6]。當(dāng)溫度的實(shí)際值和設(shè)定值的偏差大于20℃時(shí)，模糊控制器的輸出被送到空煤氣 PID 調(diào)節(jié)器，當(dāng)溫度的偏差值小于 20℃時(shí)，溫度調(diào)節(jié)器的輸出被送到空煤氣調(diào)節(jié)器，為了減小兩種控制器切換時(shí)爐溫的較大波動(dòng)，兩組控制器的切換設(shè)計(jì)了無擾切換功能，實(shí)際應(yīng)用表明，基于模糊控制理論和 傳統(tǒng)串級(jí)溫度控制回路結(jié)合的 FUZZYPID 調(diào)節(jié)器，能較好地解決溫度偏差大時(shí)，溫度控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 步進(jìn)梁速度優(yōu)化控制 速度曲線控制原理 步進(jìn)梁式加熱爐通過上升 前進(jìn) 下降 后退的周期運(yùn)動(dòng)，將裝料側(cè)的鋼坯一步一步地向出料側(cè)移動(dòng)，在步進(jìn)運(yùn)動(dòng)中，整個(gè)步進(jìn)機(jī)械的平移框架、升降框架、水梁和爐膛內(nèi)的所有板坯都隨步進(jìn)機(jī)械做整體的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，以本項(xiàng)目為例，整體步進(jìn)的設(shè)備和板坯總重量達(dá) 500 噸以上。因而，在步進(jìn)梁周期運(yùn)動(dòng)的過程中，必須實(shí)現(xiàn)曲線運(yùn)動(dòng)，在動(dòng)梁上升和下降到和固定梁同一標(biāo)高時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)低速運(yùn) 動(dòng)，同時(shí)在啟動(dòng)和停止的過程也必須按一定的加減速度實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止，在動(dòng)梁平移的過程中，啟動(dòng)和停止的過程也要遵循一定的加減速度，這樣才能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)機(jī)械的平穩(wěn)運(yùn)行，減小板坯對(duì)梁的沖擊。但為了保證加熱爐的產(chǎn)量，使板坯在規(guī)定的加熱時(shí)間內(nèi)到達(dá)出料側(cè)，步進(jìn)機(jī)械在其它階段必須要高速運(yùn)動(dòng)。因此，這個(gè)矛盾的存在，就需要通過步進(jìn)梁的曲線運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)梁的平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，保證步進(jìn)的周期。 步進(jìn)梁的速度控制方法為通過 PLC 的 AO 輸出，將電壓或電流信號(hào)送至液壓比例閥的信號(hào)輸入端，通過調(diào)節(jié)控制比例閥的開度，從而控制進(jìn)入步進(jìn)梁的升降和平移 油缸的進(jìn)出油量來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)梁的速度控制。也就是說，通過控制加到比例閥的電流或電壓信號(hào)的大小，控制油缸的進(jìn)出油量，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)機(jī)械的速度控制。 步進(jìn)梁的速度曲線控制是步進(jìn)梁式加熱爐順控的重點(diǎn)和難點(diǎn)，典型的速度曲線如圖 所示。 安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 圖 典型步進(jìn)梁速度曲線 從圖 ，在步進(jìn)梁上升的過程中，有兩次加速和減速過程，這是為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)梁在向上運(yùn)動(dòng)到和固定梁同一高度時(shí)，速度較低，使鋼坯抬起的速度較小，這樣鋼坯對(duì)動(dòng)梁的沖擊較小，實(shí)現(xiàn)輕抬。在步進(jìn)梁下降的過程中，同樣有兩次加速和減速， 這是為了將鋼坯從動(dòng)梁放到固定梁時(shí)的速度較低，同樣減小鋼坯對(duì)梁的沖擊，延長(zhǎng)梁的壽命，實(shí)現(xiàn)輕放。在前進(jìn)和后退時(shí)，只有一次加速和減速過程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)梁平移的平穩(wěn)啟動(dòng)和準(zhǔn)確停止，實(shí)現(xiàn)步距的精確控制。 速度控制可以使步進(jìn)梁運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，鋼坯在運(yùn)動(dòng)過程中輕抬輕放，使步進(jìn)梁在運(yùn)動(dòng)過程中沖擊大大減小，但是速度控制使步進(jìn)周期延長(zhǎng)，加熱爐的小時(shí)產(chǎn)量受到影響，因而如何在步進(jìn)梁運(yùn)行穩(wěn)定的條件下，縮短步進(jìn)周期，步距準(zhǔn)確，同時(shí)使 PLC 控制程序又具有通用性，可以適應(yīng)各種步進(jìn)梁的速度控制，是十分必要的。 速度曲線優(yōu)化控制及分析 由于不 同的加熱爐，在步進(jìn)機(jī)械的大小和重量，滿載時(shí)鋼坯的重量，液壓油泵的工作壓力和流量，比例閥的選型等等方面，都存在差異，因而步進(jìn)梁的速度控制程序的參數(shù)就需要根據(jù)上述條件在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)候進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的狀況，找到最佳的速度曲線，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)準(zhǔn)快的控制。 因此，在開發(fā)控制程序時(shí)，就要針對(duì)上述條件，開發(fā)具有變參數(shù)功能的通用程序塊，以適應(yīng)不同的加熱爐實(shí)際。這樣在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的過程中，只需要根據(jù)具體加熱爐的類型來調(diào)整各個(gè)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)快速的調(diào)試，大大加快了加熱爐的調(diào)試進(jìn)度，縮短了調(diào)試的周期。同時(shí)，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)， 各種設(shè)備的性能均會(huì)發(fā)生變安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 化，開發(fā)了具有可調(diào)參數(shù)的速度控制功能塊后，可以在以后的生產(chǎn)維護(hù)過程中及時(shí)調(diào)整參數(shù)，使步進(jìn)機(jī)械始終工作在較好的狀態(tài)。 圖 為優(yōu)化后的步進(jìn)梁的位移 速度曲線。 圖 優(yōu)化的步進(jìn)梁速度曲線 現(xiàn)對(duì)典型的速度控制曲線和優(yōu)化后的曲線進(jìn)行對(duì)比分析，說明如下： 1）在圖 中， Y 為前進(jìn)（升降）速度控制變量； BY 為后退時(shí)的速度控制變量； X 為前進(jìn)（升降）時(shí)的位移控制變量； BX 為后退時(shí)的位移控制變量。這種編程方式，可以在 HMI 畫面中在線修改背景數(shù)據(jù)塊中 的速度位移曲線各坐標(biāo)點(diǎn)，從而使程序具有通用性，可以用在各種類型的步進(jìn)梁速度控制中。 2）觀察圖 可以發(fā)現(xiàn)：升降曲線以位移軸為中心對(duì)稱布置，這說明步進(jìn)梁在上升和下降過程中的速度－位移曲線是對(duì)稱的，而優(yōu)化前后的前進(jìn)和后退曲線是不對(duì)稱的，這種不對(duì)稱曲線的優(yōu)點(diǎn)有：步進(jìn)梁在前進(jìn)過程中為重載運(yùn)行，減速位移值 (X4X3)顯著大于加速位移值（ X2X1） ，這樣減速的時(shí)間變長(zhǎng)，可以提高步進(jìn)安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 梁步距控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，步進(jìn)梁運(yùn)行平穩(wěn)沖擊小。而后退的過程為輕載運(yùn)行，加速位移值 (BX4BX3)和減速位移值（ BX2BX1） 近似相等，高速運(yùn)行段（ BX3BX2）較大，使得后退時(shí)間縮短，在獲得步進(jìn)梁運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)，縮短了步進(jìn)梁的步進(jìn)周期。 本項(xiàng)目中，調(diào)試結(jié)束時(shí)，優(yōu)化后的步進(jìn)梁速度曲線各參數(shù)的值如表 所示。 表 速度控制曲線參數(shù)表 升降控制參數(shù) 平移控制參數(shù) 變量名稱 實(shí)際數(shù)值 變量名稱 實(shí)際數(shù)值 （ X1， Y1） （ 2mm， 30%） （ X1， Y1） （ 3mm， 25%） （ X2， Y2） （ 10mm， 80%） （ X2， Y2） （ 40mm， 70%） （ X3， Y3） （ 80mm， 80%） （ X3， Y3） （ 250mm， 70%） （ X4， Y4） （ 90mm， 40%） （ X4， Y4） （ 317mm， 25%） （ X5， Y5） （ 110mm， 40%） （ BX1， BY1） （ 3mm， 25%） （ X6， Y6） （ 120mm， 80%） （ BX2， BY2） （ 50mm， 70%） （ X7， Y7） （ 190mm， 80%） （ BX3， BY3） （ 285mm， 70%） （ X8， Y8） （ 198mm， 30%） （ BX4， BY4） （ 317mm， 25%） 項(xiàng)目在實(shí)施過程中，我們通過 WINCC 的監(jiān)控軟件，通過一定的授 權(quán)，工程師可以在畫面上在線修改上表中的數(shù)據(jù)，大大方便了工程調(diào)試。 改進(jìn)后的速度控制曲線，步進(jìn)梁運(yùn)行