CN101661294B - 带材对中系统自适应模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带材对中系统自适应模糊控制方法，通过Labview软件平台实现，采用模糊控制的方法对带材对中控制系统中检测到的偏差进行控制，对中控制系统接受来自传感器得出的带材偏差信号，建立输入误差和误差变化率与模糊控制器输出之间的模糊关系，通过模糊运算得到控制表，将测量得到的偏差以及偏差变化率进行模糊化，通过论域比较，得出控制器的输出给比例阀或者伺服阀发出指令，使液压缸带动开卷机按指令动作，将带材拉回到预先设定的位置上，从而实现对中的目的。

Description

带材对中系统自适应模糊控制方法

技术领域

本发明涉及过程控制系统的控制方法，具体涉及带材对中控制系统的模糊控制方法，属于有色金属加工技术领域。

背景技术

轧制过程中带材的对中与否影响带材轧制过程稳定，还影响带材的成材率，因此各大生产商在轧机上均装有对中控制系统。带材对中系统大多由检测系统、微处理器控制系统、驱动器和液压控制(或机械传动)系统四部分组成。传统的对中控制方法基本都是采用PID方式，如在PLC内部对偏差信号做PID运算，利用PID调节模块调节液压驱动装置给定。因为对中控制过程具有较强的非线性和不确定因素，常规PID控制系统存在参数整定困难、控制品质欠佳等缺点。对中系统充满了不确定性，几乎没有精确的系统模型可言。

如果应用模糊控制方法，其优点将会突出，模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，特别适用于强耦合性和参数时变性、以及严重的非线性与不确定性的复杂系统或过程进行控制。这种控制方法比较简单，应用效果好，因此近年来模糊控制方法得到了飞速发展，应用于非线性、时变的复杂系统以及那些无法获得精确数字模型的系统，如：高炉冶炼、宇航系统、机器人技术等。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种带材对中控制系统的模糊控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

带材对中系统自适应模糊控制方法，特点是：带材对中系统自适应模糊控制装置包括第一带材检测传感器、第二带材检测传感器、图像采集模块、图像处理模块、模糊控制器、液压伺服系统及液压泵站，所述第一带材检测传感器和第二带材检测传感器分布在带材上方的两侧，第一带材检测传感器和第二带材检测传感器接入图像采集模块，所述图像采集模块连接图像处理模块，所述图像处理模块与模糊控制器连接，所述模糊控制器为一台装有模糊控制软件的工控机，其软件平台为Labview，所述模糊控制器与液压伺服系统通信连接，液压泵站与液压伺服系统油路连接；

所述第一带材检测传感器和第二带材检测传感器感应带材的图像，所述图像采集模块对第一带材检测传感器和第二带材检测传感器感应到的信号进行底层处理和转换，并将处理结果传送给图像处理模块，所述图像处理模块对两路信号进行信号处理，得出带材偏离中心线位置的距离偏差e和偏差变化率Δe；距离偏差e和偏差变化率Δe输入到模糊控制器中进行模糊控制，即根据模糊控制规则表和输入变量得出模糊控制量，再将模糊控制量转换为实际的控制信号输出；模糊控制器输出的控制信号使液压伺服系统调整位置，从而调节负载运动速度的大小和方向，使带材始终位于轧制中心线上。

进一步地，上述的带材对中系统自适应模糊控制方法，其中，所述模糊控制器(5)进行模糊控制的具体步骤为：

1)输入模糊化：将距离偏差e和偏差变化率Δe变换成相应的基本论域，距离偏差e和偏差变化率Δe转化成合适的语言值；距离偏差e和偏差变化率Δe经过量化以后，确定隶属函数波形图为三角函数波形，再根据各模糊子集确定量化论域中各元素的曲线，经比较以后得出模糊量；

2)模糊化决策：用IF、THEN结构总结出模糊语言控制规则，形成模糊状态控制表，模糊量经控制规则得到模糊控制量；

3)输出反模糊化：即去模糊化、模糊判决，将模糊控制量转换到实际论域中，得到准确的控制信号。

更进一步地，上述的带材对中系统自适应模糊控制方法，其中，距离偏差e和偏差变化率Δe输入模糊控制器的模糊控制软件中，在Labview软件平台下将模糊控制规则表编辑为.fc文件，由模糊控制软件得出相应的模糊输出，在模糊控制软件中将模糊控制去模糊化，得到准确的控制信号。

再进一步地，上述的带材对中系统自适应模糊控制方法，其中，所述图像处理模块通过虚拟仪器软件平台Labview实现，由Labview编写图像处理的算法，将编写的软件生成exe文件，exe文件安装在工控机上，构成图像处理模块。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

采用自适应模糊控制方法对带材偏差进行控制，区别于传统的PID控制方法，通过建立偏差、偏差变化率和控制器输出的模糊关系，经过模糊运算得到模糊控制规则表，将检测到的偏差和偏差变化率进行模糊化、通过控制规则表得出输出进行反模糊化，送给比例阀或者伺服阀发出指令，使液压缸带动开卷机按指令动作，将带材拉回到预先设定的位置上，从而实现对中的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：对中控制系统结构示意图；

图2：模糊控制原理图；

图3：隶属度函数曲线；

图4：软件中模糊控制器设计环境。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	第一带材检测传感器	2	第二带材检测传感器	3	图像采集模块
4	图像处理模块	5	模糊控制器	6	液压伺服系统
						7	液压泵站	8	负载

具体实施方式

模糊控制技术(fuzzy control technology)是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗透、理论性很强的科学技术。利用该算法实现带材加工生产过程中自动对中控制，纠正因生产线影响(如支撑辊、挤干辊偏移，或一侧受热一侧受冷等)造成的带材偏离生产线，通过提高系统控制精度来提高系统的对中精度。

如图1所示，带材对中系统自适应模糊控制装置，包括第一带材检测传感器1、第二带材检测传感器2、图像采集模块3、图像处理模块4、模糊控制器5、液压伺服系统6及液压泵站7，第一带材检测传感器1和第二带材检测传感器2分布在带材上方的两侧，第一带材检测传感器1和第二带材检测传感器2接入图像采集模块3，图像采集模块3连接图像处理模块4，图像处理模块4通过虚拟仪器软件平台Labview实现，运用Labview编写图像处理的算法，然后将编写的软件生成exe文件，安装到一台工控机上，这个装有exe文件的工控机就是图像处理模块4；图像处理模块4与模糊控制器5连接，模糊控制器5为一台装有模糊控制软件的工控机，其软件平台为Labview，模糊控制器5与液压伺服系统6通信连接，液压泵站7与液压伺服系统6油路连接。第一带材检测传感器1和第二带材检测传感器2感应带材的图像，图像采集模块3对第一带材检测传感器1和第二带材检测传感器2感应到的信号进行底层处理和转换，并将处理结果传送给图像处理模块4，图像处理模块4对两路信号进行信号处理，得出带材偏离中心线位置的距离偏差e和偏差变化率Δe；距离偏差e和偏差变化率Δe输入到模糊控制器5中进行模糊控制，即根据模糊控制规则表和输入变量得出模糊控制量，再将模糊控制量转换为实际的控制信号输出；模糊控制器5输出的控制信号使液压伺服系统6调整位置，从而调节负载运动速度的大小和方向，使带材始终位于轧制中心线上。

模糊控制器的设计和实现通过Labview软件平台实现，取偏差e和偏差变化率Δe作为模块化的输入变量，经过Labview的Fuzzy Controller.vi计算后得出控制器输出的电压信号用于控制比例阀或者伺服阀，使液压缸带动开卷机按指令动作。模糊控制器具备下列三个功能：①将系统的偏差从数字量转化为模糊量；②对模糊量由给定的规则进行模糊推理(规则库完成)；③把推理结果的模糊输出量进行反模糊化。

在本模糊控制方案中具体操作步骤为：接收来自检测传感器和图像处理软件得到的偏差信号，经过计算得到偏差变化率，建立偏差和偏差变化率与输出之间的模糊关系，然后通过模糊运算得到控制表。将检测到的偏差和偏差变化率进行模糊化，通过论域比较，取控制表中相应的输出，进行反模糊化得到模拟输出，实现最终偏差为0的目的。

在Labview中实现模糊控制的核心是建立好模糊控制表后，生成.fc后缀的文件，把这个路径提供给Load Fuzzy Controller这个vi。规则库和变量范围设置都在这个.fc文件中。

模糊控制器是模糊控制的核心部分，图1示意了整个对中控制系统结构。图像处理模块4检测出带材的边缘位置进而计算出偏差送给模糊控制器，轧制过程中料宽、卷径、速度和张力这些参数的影响都体现在偏差变化率上，因此选定带材偏离中心线的距离，即偏差和带材偏离中心线的速率为模糊控制器的输出。

模糊控制原理如图2所示，两个输入变量(带材偏离中心线位置的距离偏差e和偏差变化率Δe)输入模糊控制器5，得到一个模拟信号输出。

下面按照对控制规则表的建立进行描述：

1)输入模糊化：将输入变量(带材偏离中心线位置的距离偏差e和偏差变化率Δe)变换成相应的基本论域，将输入变量转化成合适的语言值。输入的基本论域一般根据实际情况估定。假设模糊输入的论域为[-6，6]，假定输入值变化落在这个范围内，实际上要经过转换才能使输入落在这个范围中。把模糊集论域量化为7级{-6，-4，-2，0，2，4，6}，偏差e和偏差变化率Δe语言变量均取7个，表示为{NB＝负大，NM＝负中，NS＝负小，Z＝零，PS＝正小，PM＝正中，PB＝正大}，输入变量经过量化以后，确定隶属函数波形图为三角函数波形，再根据各模糊子集确定量化论域中各元素的曲线(如图3所示)，经比较以后得出模糊量。

2)模糊化决策：用IF、THEN结构，结合实际经验总结出模糊语言控制规则，形成模糊状态控制表，如表1所示。模糊量经控制规则得到模糊控制量。

表1模糊控制规则表

3)输出反模糊化：即去模糊化、模糊判决。上面描述的模糊控制量是反应控制语言的不同取值的一种组合，实际输出必须是一个电压信号，范围为±10V，用来控制伺服阀或者比例阀；因此将模糊控制量转换到实际论域中。

在软件平台中的操作步骤是：首先是建立好模糊控制器，在程序中模糊控制器的设计环境是如图4所示的一个.fc文件，在这个.fc文件中进行控制规则表的设置。设置完控制规则表以后，将输入变量偏差e和偏差变化率Δe给Fuzzy controller.vi，这个vi将这两个输入变量模糊化，并调用Load Fuzzy Controller输出的控制数据，进行决策判定，然后得到模拟信号输出。

综上所述，本发明采用模糊控制的方法，对带材对中控制系统中检测到的偏差进行控制，对中控制系统接受来自传感器得出的带材偏差信号、根据以往的操作经验，建立输入误差和误差变化率与模糊控制器输出之间的模糊关系，通过模糊运算得到控制表，将测量得到的偏差以及偏差变化率进行模糊化，通过论域比较，得出控制器的输出给比例阀或者伺服阀发出指令，使液压缸带动开卷机按指令动作，将带材拉回到预先设定的位置上。采用自适应模糊控制方法对带材偏差进行控制，区别于传统的PID控制方法，模糊控制过程采用双输入、单输出的模糊控制系统，两个输入变量为偏差位置、偏差变化率，输出电压信号作为比例阀或者伺服阀的输入，从而实现对中的目的。

需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.带材对中系统自适应模糊控制方法，其特征在于：带材对中系统自适应模糊控制装置包括第一带材检测传感器(1)、第二带材检测传感器(2)、图像采集模块(3)、图像处理模块(4)、模糊控制器(5)、液压伺服系统(6)及液压泵站(7)，所述第一带材检测传感器(1)和第二带材检测传感器(2)分布在带材上方的两侧，第一带材检测传感器(1)和第二带材检测传感器(2)接入图像采集模块(3)，所述图像采集模块(3)连接图像处理模块(4)，所述图像处理模块(4)与模糊控制器(5)连接，所述模糊控制器(5)为一台装有模糊控制软件的工控机，其软件平台为Labview，所述模糊控制器(5)与液压伺服系统(6)通信连接，液压泵站(7)与液压伺服系统(6)油路连接；

所述第一带材检测传感器(1)和第二带材检测传感器(2)感应带材的图像，所述图像采集模块(3)对第一带材检测传感器(1)和第二带材检测传感器(2)感应到的信号进行底层处理和转换，并将处理结果传送给图像处理模块(4)，所述图像处理模块(4)对两路信号进行信号处理，得出带材偏离中心线位置的距离偏差e和偏差变化率Δe；距离偏差e和偏差变化率Δe输入到模糊控制器(5)中进行模糊控制，即根据模糊控制规则表和输入变量得出模糊控制量，再将模糊控制量转换为实际的控制信号输出；模糊控制器(5)输出的控制信号使液压伺服系统(6)调整位置，从而调节负载运动速度的大小和方向，使带材始终位于轧制中心线上。

2.根据权利要求1所述的带材对中系统自适应模糊控制方法，其特征在于：所述模糊控制器(5)进行模糊控制的具体步骤为：

1)输入模糊化：将距离偏差e和偏差变化率Δe变换成相应的基本论域，距离偏差e和偏差变化率Δe转化成合适的语言值；距离偏差e和偏差变化率Δe经过量化以后，确定隶属函数波形图为三角函数波形，再根据各模糊子集确定量化论域中各元素的曲线，经比较以后得出模糊量；

2)模糊化决策：用IF、THEN结构总结出模糊语言控制规则，形成模糊状态控制表，模糊量经控制规则得到模糊控制量；

3)输出反模糊化：即去模糊化、模糊判决，将模糊控制量转换到实际论域中，得到准确的控制信号。

3.根据权利要求2所述的带材对中系统自适应模糊控制方法，其特征在于：距离偏差e和偏差变化率Δe输入模糊控制器(5)的模糊控制软件中，在Labview软件平台下将模糊控制规则表编辑为.fc文件，由模糊控制软件得出相应的模糊输出，在模糊控制软件中将模糊控制去模糊化，得到准确的控制信号。

4.根据权利要求1所述的带材对中系统自适应模糊控制方法，其特征在于：所述图像处理模块(4)通过软件平台Labview实现，由Labview编写图像处理的算法，将编写的软件生成exe文件，exe文件安装在工控机上，构成图像处理模块(4)。

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