模糊自適應(yīng)PID控制在鋼管定長切割中的應(yīng)用＊

盛 強

（湖州職業(yè)技術(shù)學院 機電工程分院，浙江 湖州 313000）

定長切割是鋼管生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，定尺飛鋸作為鋼管焊接生產(chǎn)線上的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，在線完成鋼管的計長和固定尺寸的切割，其切割精度直接影響管材的切口質(zhì)量和定長精度要求。

由于鋼管在定長切割過程中必然會產(chǎn)生切割誤差，尤其對于大規(guī)格管材而言，其造成的浪費直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益，所以為了減少浪費，提高定長切割精度以獲得盡可能高的經(jīng)濟效益，以湖州市某鋼管焊接企業(yè)為例，該企業(yè)已經(jīng)采用較先進的數(shù)控飛鋸，其切割精度為±6mm。利用模糊智能控制技術(shù)對定尺飛鋸進行PID參數(shù)自適應(yīng)控制改造以后，定尺精度能夠達到不大于±2mm，則一條自動化焊接生產(chǎn)線每年可為企業(yè)節(jié)省開支近十萬元。

1 模糊自適應(yīng)PID控制原理

自20世紀90年代以來，國際上掀起了一股強勁的研究模糊系統(tǒng)等新的計算理論與技術(shù)的熱潮［1］，為工業(yè)控制帶來了智能控制方案；然而，在現(xiàn)實工業(yè)控制應(yīng)用中，PID控制仍然占據(jù)了極大的份額，純PID控制應(yīng)用達84%，所以研究如何將模糊控制器和傳統(tǒng)PID控制器相結(jié)合，形成各種復(fù)雜或混合的模糊控制方案，其中，模糊控制器與PI控制器相結(jié)合的并行結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種標準的工業(yè)控制解決方案［2］。正因如此，利用模糊控制等智能控制技術(shù)來改善常規(guī)PID的控制性能，提出鋼管定長控制的模糊自適應(yīng)PID控制方案提高其定長切割的精度［3］。

利用模糊自適應(yīng)控制技術(shù)對常規(guī)PID控制器進行改進，在線自適應(yīng)調(diào)整PID的控制參數(shù)，從而實現(xiàn)鋼管的精確定長切割。通過分析現(xiàn)有系統(tǒng)的運行情況，確定定尺飛鋸的控制模型，并實現(xiàn)以下控制目標：

（1）定尺飛鋸車在返回原位時，能夠快速精確的定位控制，減少系統(tǒng)累積誤差；

（2）在速度跟蹤過程中，能夠根據(jù)鋼管焊接加工速度的不同自適應(yīng)調(diào)整PID控制方案。

在增量式PID算法的基礎(chǔ)上，增加對P、I、D三個控制參數(shù)增量的調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的整體響應(yīng)性能。最常用的模糊控制器是二輸入—單輸出結(jié)構(gòu)，其模糊自適應(yīng)PID控制算法框圖如圖1所示：

圖1 模糊自適應(yīng)PID控制算法框圖

PID控制器作為一種工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛的線性控制器，根據(jù)系統(tǒng)給定值與輸出值構(gòu)成控制偏差，再利用偏差調(diào)節(jié) PID 控制器的 P、I、D 三個控制參數(shù)［4－6］。

控制規(guī)律如下：

其中：e（t）：系統(tǒng)偏差；u（t）：系統(tǒng)輸出；Kp：比例增益；TI：積分時間；TD：微分時間。

綜合增量式PID算法和模糊自適應(yīng)算法控制規(guī)律如下：

其中：

上式中：Sv：PID設(shè)定值；Pv：PID反饋值；Kp：比例系數(shù)；Ki：積分系數(shù)；Kd：微分系數(shù)；△Kp：比例系數(shù)增量；△Ki：積分系數(shù)增量；△Kd：微分系數(shù)增量。

2 定尺飛鋸PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

定尺飛鋸設(shè)備主要由PLC控制系統(tǒng)、鋸車及鋸車電機、鋸切電機、電機驅(qū)動器及傳動系統(tǒng)、脈沖編碼器（PG）、傳感器和液壓系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖2所示。

如圖2所示，編碼器采用長線驅(qū)動型，PLC通過旋轉(zhuǎn)編碼器測得鋼管和飛鋸車的實時運行速度及鋼管的實際位移，飛鋸車的速度控制由PLC模擬量輸出口進行控制，采用標準電流信號0－20mA。編碼器具體參數(shù)如表1所示。

表1 編碼器參數(shù)

圖2 定尺飛鋸系統(tǒng)框圖

2.2 飛鋸切割工作流程

飛鋸車利用測速輥（管編碼器）測量鋼管的實時速度和長度，控制系統(tǒng)檢測到鋼管頭部時開始計量長度，當鋼管長度達到飛鋸車啟動位置時飛鋸車加速跟蹤鋼管速度。當飛鋸車速度（鋸車編碼器）與鋼管速度保持一致時，夾緊電磁閥工作并鋸片下落對鋼管進行切割［7］。

完成切割后，系統(tǒng)抬鋸并松開夾緊電磁閥，飛鋸車返回原點位置等待下一個切割工作流程。鋼管切割工作流程如圖3所示。

圖3 飛鋸鋸切工作流程

2.3 程序結(jié)構(gòu)及模糊PID算法

控制系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)上電初始化、系統(tǒng)自檢、觸摸屏初始化、各種數(shù)值計算等主要功能。

當控制系統(tǒng)檢測到中斷事件／信號時分別執(zhí)行相應(yīng)的中斷子程序，包括：切割程序、加速程序、減速程序、回程加速程序和回程減速程序，完成鋼管切割、速度跟蹤加速、回程加速和回程減速等工作任務(wù)。主程序流程圖如圖4所示。

PLC控制采用數(shù)字控制方式，所以應(yīng)對模糊PID控制器進行離散化處理［7］，以便PLC能夠通過軟件實現(xiàn)其智能控制算法。速度跟蹤模糊PID算法如圖5所示：

3 模糊自適應(yīng)PID控制仿真

為了研究方便，以實際定尺飛鋸控制系統(tǒng)為對象進行了模糊PID控制系統(tǒng)的仿真研究。以定尺飛鋸控制系統(tǒng)為一階帶有延遲環(huán)節(jié)的模型。定尺飛鋸傳遞函數(shù)如公式（4）所示

設(shè)在相應(yīng)論域范圍內(nèi)，誤差e和誤差變化率ec、△Kp、△Ki、△Kd，均符合正態(tài)分布。PID參數(shù)初始值為：Kp0＝12.0，Ki0＝0.15，Kd0＝1.0，采樣時間為100ms。仿真結(jié)果如圖6所示：

分析圖5可知，模糊自適應(yīng)PID控制在滿足較短響應(yīng)時間的前提下，系統(tǒng)速寫時間比傳統(tǒng)PID控制要好，且超調(diào)量大大減少，認為模糊PID控制比常規(guī)PID控制擁有更好的動態(tài)響應(yīng)性能。

4 結(jié) 語

通過利用模糊智能控制和常規(guī)PID控制相結(jié)合，利用PLC控制器的強大的控制能力，設(shè)計基于模糊自適應(yīng)PID控制的尺飛鋸控制系統(tǒng)，可大大改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的實時性與控制精度。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖

圖5 模糊PID算法流程圖

圖6 左圖為常規(guī)PID控制、右圖為智能PID控制

［1］Zhi－Wei Woo，Hung－Yuan Chung，Jin－Jye lin.PID type fuzzy controller with self－tuning scaling factors［J］.Fuzzy Sets and System.2000（115）：321－326.

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［3］李士勇.模糊控制.神經(jīng)控制和智能控制論［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1996：263－271.

［4］寧辰校，李 蘭，張戌社.基于PLC的定長切割飛鋸智能控制系統(tǒng)研究［J］，河北科技大學學報，2009，30（3）：219－222.

［5］Leonid Reznik，Omar Ghanayem，Anna Bourmistrov.PID plus fuzzy controller structures as a design base for industrial application ［J］.Engineering Application of Artificial Intelligence.2000（13）：419－430.

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