CN102284505A - 一种基于arm的模糊pi厚度控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于ARM的模糊PI厚度控制***，包括分别位于液压轧机入口及出口处的入口测厚仪及出口测厚仪，入口测厚仪连接补偿器，其特征在于：补偿器及出口测厚仪分别连接模糊鲁棒调节模块，其中，模糊鲁棒调节模块包括通过ARM实现的模糊鲁棒调节器，模糊鲁棒调节器分别连接位置信号采集模块、压力信号采集模块、厚度信号采集模块、执行模块和信号调理模块。本发明针对传统AGC控制中出现的一系列不稳定问题，提出改进。在实际的冷轧行业中，由于轧机对象的复杂度，传统的PID控制方案很难起到很好的控制效果。由于模糊控制策略固有的非线性，使得对象的不确定性在控制过程当中并没有十分突出的表现出来。

Description

一种基于ARM的模糊PI厚度控制***

技术领域

本发明涉及一种基于ARM和模糊PI控制器的厚度控制***，是一种针对冷轧行业中液压冷轧机带材纵向厚差的在线参数自整定厚度智能控制***。

背景技术

当前液压冷轧行业内对带材纵向厚差控制***的普遍称呼为AGC（Automatic Gauge Control，即自动厚度控制）。液压轧机AGC***的控制核心在于油缸位置的伺服控制***，简称APC（Automatic Position Control）。

如图1所示，APC采用MTS或者SSI系列磁致伸缩型位移传感器，用以测量油缸的位置信号。油缸的动作一方面由液压站（高压）提供动力（能量）来源，另一方面由电液伺服阀控制其上下运动。油缸活塞作用于支承辊，牛顿力通过支承辊传递给工作辊（实际轧制辊）。在恒辊缝轧制过程中，计算机发出控制指令（给定位置信号），经过一定的算法处理（譬如PI控制），再由计算机将输出信号（执行指令）送给电液伺服阀。厚度控制的目的是使带钢的实际轧出厚度等于设定值，带钢AGC***必须由计算机预先设定一个目标值与所测量的实际厚度进行比较，得到偏差信号δh，或者通过改变张力、压力等得到偏差信号δh ，再利用厚度自动控制装置或计算机功能程序改变压下位置或带钢张力或轧制速度，将带钢的实际轧出厚度控制在允许的范围内。

在客观上要求把带材的实际厚度作为被控量，而不是上述的油缸活塞的实际位置。鉴于此种考虑，在位置环的基础上引入了带材的厚度监控环节——AGC监控。图2为AGC监控的控制框图。

上述AGC监控方案，在原有APC的基础上，在液压轧机的出口配备测厚仪，用以实时测量带材的出口厚度，如此一来，构成了正真意义上的厚度反馈控制***。实际上，轧机的油缸及其轧辊作为机械部件却存在较大的惯性，这就导致在厚度控制上存在一定的滞后。非但如此，从理论上讲，测厚仪与工作辊之间有一定的距离，带材所轧制的部分并非测厚仪采集厚度信号的部分，这样在实际当中就存在一段纯滞后，从而致使AGC监控并非达到非常理想的控制效果。因此，提出如下图3的改进——液压轧机入口、出口同时配备测厚仪。

假如带材入口的平均厚度用Gi表示，出口平均厚度用Go表示，并用△gi表示带材入口厚度的浮动值，△go表示带材出口厚度的浮动值，则：

入口厚度=Gi+△gi；

出口厚度=Go+△go；

一般而言，如若△gi 为正值，则表明带材过厚（与平均厚度比较而言），那么需要调整控制算法Gc1，以保证油缸具有足够大的压下量；反之，△gi 为负值，则表明带材过薄，则同样需要调整Gc1，以保证Gp（如图2，Gp代表控制器Gc1的输出与位移传感器的反馈值的差值，以及控制器PID的实际输入值）不要过小。当然，△gi 是作为时间的函数变化的，可以用△gi（t）来表示。其中△gi（t）是随时间变化的，可以看出从本质上讲这样的补偿控制即为自适应控制的一种，因此，可以采用人工智能的研究成果，设计更为智能的控制算法。总而言之，AGC预控是在AGC监控的基础上加进补偿控制的策略。

不可否认，常规PI在传统工业控制特别在冷轧行业的厚度控制中发挥了历史性的作用。但是，随着对带材质量特别是纵向厚度公差（2μ到3μ的变化）要求的不断提高，传统控制方法受到很大的挑战。通过分析液压轧机的动态模型我们就会发现，固有的非线性以及慢时变因素存在于位置控制环节（比如伺服阀就存在非线性）。特别是在工业现场无处不在的随机干扰（电磁干扰是一种重要干扰类型），常规PID控制不具备参数自整定功能便很难发挥良好的控制效果。通过分析发现，很难得到该轧机***的精确数学模型，如此一来，建立在被控对象精确数学模型的经典控制理论便失去应有的作用。

发明内容

本发明的目的是针对液压轧机的非线性、慢时变以及干扰不确定的特点，提供一种具有很好鲁棒性的控制***。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于ARM的模糊PI厚度控制***，包括分别位于液压轧机入口及出口处的入口测厚仪及出口测厚仪，入口测厚仪连接补偿器，其特征在于：补偿器及出口测厚仪分别连接模糊鲁棒调节模块，其中，模糊鲁棒调节模块包括通过ARM实现的模糊鲁棒调节器，模糊鲁棒调节器分别连接位置信号采集模块、压力信号采集模块、厚度信号采集模块、执行模块和信号调理模块；

模糊鲁棒调节器包括自动补偿调节器、自动厚度调节器及自动位置调节器，其中，

自动补偿调节器构成前馈调节器，其采用常规的比例调节器，自动补偿调节器将通过入口测厚仪得到的入口厚度值及厚度给定值的偏差进行适当的放大或缩小；

自动厚度调节器构成外环调节器，其包括Fuzzy模块及常规PID调节器，由Fuzzy模块将由出口测厚仪得到的出口厚度值与厚度给定值的差值的绝对值                                                

及该差值变化率的绝对值作为输入，并采用Fuzzy方法对常规PID调节器的比例常数

、积分常数

和微分常数

在线校正，通过常规PID调节器得到输出，

，其中，为由出口测厚仪得到的出口厚度值与厚度给定值的差值的积分；

自动位置调节器构成内环调节器，其采用常规的PID调节器，自动位置调节器的输入为自动补偿调节器的输出与通过自动厚度调节器得到的输出

之和与通过液压轧机用以测量油缸的位置信号的位置传感器得到的位置信息的差值，通过自动位置调节器的输出来控制伺服阀进而达到控制液压轧机油缸的目的。

本发明针对传统AGC控制中出现的一系列不稳定问题，提出改进。在实际的冷轧行业中，由于轧机对象的复杂度，传统的PID控制方案很难起到很好的控制效果。由于模糊控制策略固有的非线性，使得对象的不确定性在控制过程当中并没有十分突出的表现出来。

附图说明

图1是APC框图；

图2是带AGC监控的控制框图；

图3是轧机控制示意图；

图4是改进的AGC控制***框图；

图5是模糊PI参数调整框图；

图6是基于ARM的智能AGC厚控***各组成模块；

图7是液压轧机模糊PI厚度控制框图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

传统AGC***的抗干扰能力不能适应现代化冶金自动化的需要，因此，怎样提高***的稳定性和抗扰能力是鲁棒控制器的设计核心。问题的根源在于，常规PID不具备参数自整定功能，不能针对复杂环境做出自适应参数调整。本发明提出的方案采用模块化的设计思想，建立起以ARM芯片为底层硬件核心单元、模糊PI算法为上层控制软件核心单元、周边模块（采集数据及其输出调理）“卫星式”环绕的嵌入式解决方案，最大程度分离各部分的功能，以达到各模块耦合程度最小的目的。

本发明的硬件结构如图4及图6所示，包括分别位于液压轧机入口及出口处的入口测厚仪及出口测厚仪，入口测厚仪连接补偿器，补偿器及出口测厚仪分别连接模糊鲁棒调节模块。

如图6所示，模糊鲁棒调节模块包括通过ARM实现的模糊鲁棒调节器，模糊鲁棒调节器分别连接位置信号采集模块、压力信号采集模块、厚度信号采集模块、执行模块和信号调理模块。

结合图7上层控制软件核心单元包括自动补偿调节器（英文简称为ACA，全称为Automatic Compensation Adjuster）、自动厚度调节器（英文简称为ATA，全称为Automatic Thickness Adjuster）及自动位置调节器（英文简称为APA，全称为Automatic Position Adjuster）。

由图7可知，上层控制软件核心单元是由ACA、ATA、APA构成的复合控制***。其中，APA构成内环调节器；ATA构成外环调节器；ACA构成前馈调节器。内外环构成两级的串级控制，再加上前馈控制，共同构成上述的复合***。以下对各个调节器分别解释。

ACA采用入口测厚仪与给定厚度的偏差作为其输入信号。基于下面的想法：不管入口测厚仪还是出口测厚仪，其安装位置与辊系位置存在一定的空间距离。为了满足控制的实时性，必须采取补偿的策略，ACA正是基于此设计的。ACA采用比例调节器，以便对厚度给定值与入口厚度值（此数值由入口测厚仪测得）的偏差进行适当的放大与缩小。前馈调节器ACA是针对提高***的控制精度而设计的。如图3所示，测厚仪安装位置与带材实际轧制位置还有相当的距离，换言之，以轧制位置的厚度为基准，入口测厚仪所测值大于基准值，而出口测厚仪所测值小于基准值。如此一来，测量值的不准确性就造成整个液压轧机厚度控制***的控制精度降低。取入口厚度与出口厚度的平均值，并与厚度给定值进行比较。若前者大于后者，则应加大控制器的输出；反之应减小控制器的输出。这是ACA的设计准则。

ATA是该***的核心调节器。鉴于外环调节器的参数需要依赖具体的工艺而定，考虑设计模糊PID参数自整定厚度调节器。该设计的关键在于PID参数的在线自调整，并且保证该***具备工业级的稳定性。在提高***稳定性这方面考虑在前向通道设计滤波单元，以滤除采集信号中的噪声。这里的滤波单元也需要能够灵活的调整其截止频率，以适应不同的复杂现场。实际上，滤波的问题即为尽可能恢复被噪声干扰了的信息流的问题，也就是预测一个被噪声搞混了的时间序列的问题，因此滤波问题即是一个预测问题。所谓预测，从数学上讲就是从一个时间序列过去的数据去估算整个系综的统计参数。考虑到上述问题，称该***为智能鲁棒伺服调节***。

如图5所示，ATA正是采用Fuzzy方法进行PID参数在线校正的自动厚度调节器。常规PID控制算式为

，其中，

代表PID的输出，

、及

分别代表由出口测厚仪得到的出口厚度值与厚度给定值的差值、该差值的变化率及该差值的积分，

、

和

分别代表PID调节器的比例常数、积分常数和微分常数。

从Fuzzy控制的本质来讲，APA调节器的三个待定参数

、

和

分别为

和

的二元函数，亦即：

，

，

。

对其进行一般性分析有：当

较大时，为使***具有较好的快速跟踪性能，应取较大的

和较小的

，同时为避免***的响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取

=0。当

处于中等大小时，为使***具有较小的超调，

应取得小一些；在这种情况下，

的取值对***的影响较大，

的取值要适当。当

较小时，为使***具有较好的稳态性能，

、

均应取得大些，同时为避免***在设定值附近出现震荡，

的选择很重要。

如前所述，Fuzzy控制器的语言变量有两个，即

、

，先讨论

。

（1）

的基本论域，亦即厚度误差的绝对值，在实际的冷轧领域，总希望带材的厚差控制的愈小越好，但是误差是客观存在的，达到误差为零亦是不可能的。实际中要求成品厚差控制在|10|μm，或者更好的情形|5|μm。但是，一般来讲来料公差比较大，这里以|60|μm进行分析。那么|e|的基本论域为[0,60]( μm)。下面与|e|相对应的

的论域为X={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}，从而得出量化因子

。

（2）为误差绝对值

这一语言变量选择六个语言值：极大（Extremely）、非常大（Very）、相当大（Largely）、比较大（Some）、略大（A little）、稍微大（Slightly）。分别定义为：EB、VB、LB、SB、AB、SLB。

（3）根据实践经验，确定论域X上用以描述Fuzzy子集EB、VB、LB、SB、AB、SLB的隶属函数用正态分布表示是比较合理的。隶属函数表达式：

，不妨令

；

（4）语言变量

的赋值表便可以表示成如下表形式：

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
														SLB	0.9394	1.0000	0.9394	0.7788	0.5698	0.3679	0.2096	0.1054	0.0468	0.0183	0.0063	0	0.0005
AB	0.7788	0.9394	1.0000	0.9394	0.7788	0.5698	0.3679	0.2096	0.1054	0.0468	0.0183	0.0000	0.0019
														SB	0.3679	0.5698	0.7788	0.9394	1.0000	0.9394	0.7788	0.5698	0.3679	0.2096	0.1054	0.0000	0.0183
LB	0.1054	0.2096	0.3679	0.5698	0.7788	0.9394	1.0000	0.9394	0.7788	0.5698	0.3679	0.0000	0.1054
														VB	0.0183	0.0468	0.1054	0.2096	0.3679	0.5698	0.7788	0.9394	1.0000	0.9394	0.7788	0.0000	0.3679
EB	0.0019	0.0063	0.0183	0.0468	0.1054	0.2096	0.3679	0.5698	0.7788	0.9394	1.0000	0.0000	0.7788

在上表中假设当误差的绝对值的模糊集的论域{SLB，AB，SB，LB，VB，EB}={1，2，4，6，8，10}。

同理可以得出语言变量

的赋值表。至此，Fuzzy模块的两个输入语言变量的赋值表已经建立。采用同样的原理，也可以得到Fuzzy模块的三个输出语言变量

、

和

的赋值表。至此，亦即建立了Fuzzy模块知识库中的数据库，它包含输入、输出语言变量的赋值表。

Fuzzym模块的推理规则：规则语句采用较简单的IF——THEN语句，即：

；

；

；

相应的推理结果有：

，

、

和

分别是集合

、

施加相应的模糊规则后得到的关于比例、积分

和微分

的模糊关系，它们本质上是模糊集合的一种。其中

为误差绝对值的模糊集，为误差变化率绝对值的模糊集，

代表模糊集合的合成运算，它与普通矩阵的乘法运算过程相同，只是运算符号不同。模糊控制规则具有相同的结构，但是针对的是不同的对象

、

和

，因此所得结果也就不同。

Fuzzy判决：最后采用加权平均的办法将得出的模糊数据在进行反量子化（即除以量化因子

），便可以对参数进行在线调整。

APA采用传统的PID调节技术，其输入为自动补偿调节器的输出与通过自动厚度调节器得到的输出

之和与通过液压轧机用以测量油缸的位置信号的位置传感器得到的位置信息的差值，通过自动位置调节器的输出来控制伺服阀进而达到控制液压轧机油缸的目的。

ARM***的抗电磁干扰分析：

现代液压轧机是集机械设备、电气传动、AGC厚度控制、液压传动于一体的自动化***。电力线与控制线、信号线处于工厂大环境中，如此，提高控制设备的特别是嵌入式控制器的抗干扰能力显得尤为重要。ARM芯片的抗干扰措施：

第一步、在芯片的供电电源部分添加储蓄电容和解耦电容，可以提高电路电磁兼容的能力。储蓄电容起到稳定芯片供电电压的作用，而解耦电容则是为***噪声（干扰）提供交流疏散通道。

第二步、采用如下方法可以降低或削弱大地回路干扰：

---缩短地线或者增加地线的横截面积；

---光电隔离；

---在信号输入回路添加滤波网络。

第三步、采用如下方法可以降低或削弱共同阻抗干扰：

---减小电路共同地线的阻抗值；

---在敏感电路部分采取合适的电路连接方式（最佳匹配），比如大电力线与低信号线采用不同的地线；把模拟地与数字地分开，等等。

Claims (2)

1.一种基于ARM的模糊PI厚度控制***，包括分别位于液压轧机入口及出口处的入口测厚仪及出口测厚仪，入口测厚仪连接补偿器，其特征在于：补偿器及出口测厚仪分别连接模糊鲁棒调节模块，其中，模糊鲁棒调节模块包括通过ARM实现的模糊鲁棒调节器，模糊鲁棒调节器分别连接位置信号采集模块、压力信号采集模块、厚度信号采集模块、执行模块和信号调理模块；

模糊鲁棒调节器包括自动补偿调节器、自动厚度调节器及自动位置调节器，其中，

自动补偿调节器构成前馈调节器，其采用常规的比例调节器，自动补偿调节器将通过入口测厚仪得到的入口厚度值及厚度给定值的偏差进行适当的放大或缩小；

自动厚度调节器构成外环调节器，其包括Fuzzy模块及常规PID调节器，由Fuzzy模块将由出口测厚仪得到的出口厚度值与厚度给定值的差值的绝对值                                                

及该差值变化率的绝对值

作为输入，并采用Fuzzy方法对常规PID调节器的比例常数、积分常数

和微分常数

在线校正，通过常规PID调节器得到输出，

，其中，

为由出口测厚仪得到的出口厚度值与厚度给定值的差值的积分；

自动位置调节器构成内环调节器，其采用常规的PID调节器，自动位置调节器的输入为自动补偿调节器的输出与通过自动厚度调节器得到的输出之和与通过液压轧机用以测量油缸的位置信号的位置传感器得到的位置信息的差值，通过自动位置调节器的输出来控制伺服阀进而达到控制液压轧机油缸的目的。

2.如权利要求1所述的一种基于ARM的模糊PI厚度控制***，其特征在于：提高所述通过ARM实现的模糊鲁棒调节器的抗干扰能力的方法为：

    第一步、在ARM芯片的供电电源部分添加储蓄电容和解耦电容，提高电路电磁兼容能力，其中储蓄电容起到稳定芯片供电电压的作用，解耦电容则是为***噪声提供交流疏散的通道；

第二步、缩短地线或者增加地线的横截面积，输出采用光电隔离，在信号输入回路添加滤波网络来降低或削弱打的回路干扰；

第三步、采降低或削弱公共阻抗干扰。

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