专利名称：铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法
技术领域：
本发明涉及工业铝带箔生产，特别为铝带板轧机厚度的控制方法，尤其是采用智能模糊控制与传统PID控制相结合的方法来控制铝带板加工过程中的轧机厚度，属于有色金属加工技术领域。
背景技术：
铝板带加工过程中，轧机厚度调节系统的参数以及调节增益变化频繁，且轧制过程具有较强的非线性因素，常规PID控制系统存在参数整定困难、控制品质欠佳等缺点，尤其是轧制品厚度头尾差异较大。
模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，特别适宜对具有多输入—多输出的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，近年来开始进入塑性加工领域，并得到了快速发展，使带材厚度的控制精度得以大大提高。
由于单纯的模糊理论控制器具有比例微分作用，所以必然存在着稳态误差，其适应能力也较低；另外对于时滞系统来说，由于轧制过程比较复杂，人工控制经验难以稳定获得，模糊控制的控制性能发挥还要借助于传统PID控制，否则易震荡甚至发散。因此，如何将模糊控制与传统PID控制有机结合起来从而更好地控制铝板带的轧机厚度，这正是本领域一项重要的研究课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝板带轧机厚度的自适应模糊控制方法，通过该模糊控制方法，实现铝带/铝箔生产过程中厚度控制系统的PID参数自整定，从而降低带(箔)材的头尾偏差，提高控制系统的响应速度。
为实现本发明的目的，铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法，其特征在于采用模糊控制和传统PID相结合的控制方法，对铝板带加工过程中的轧机厚度进行控制。
进一步地，上述铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法中，轧机厚度控制系统接受来自测厚仪的厚差信号、专家确定的量化因子以及轧机的操作经验，建立输入误差和误差变化率与PID参数调整量之间的模糊关系，然后通过模糊运算得到控制表，将测量得到的厚度误差以及厚度误差的变化率进行模糊化，通过论域比较，取控制表中相应的PID参数的调整量，叠加在PID控制参数上，通过轧机的液压系统得到所需要的轧辊开合度，从而实现对轧机厚度的调整与控制。
更进一步地，上述铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法中，模糊控制过程采用一个二维的双输入、三输出的模糊控制系统，两个输入变量为厚差e和厚差变化ec，三个输出变量是PID控制器调节量的三个参数Kp、Ki和Kd。
再进一步地，上述铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法中，所述模糊控制过程是在消除了弯辊影响因素之后进行的，即在不同的轧制方式下，当检测到弯辊力的变化值以后，采用对应的补偿系数得到补偿量，然后叠加到相应的控制量中，抵消弯辊变化所引起的轧制条件变化。
本发明突出的实质性特点和显著进步主要体现在(1)应用模糊控制实现PID参数自适应，降低了带材头尾偏差，提高了系统响应速度；(2)增加弯辊力补偿功能，减少弯辊扰动对产品精度带来的影响；(3)增加了过程控制系统软件接口，提高了系统设定精度；(4)以该技术方案为基础，通过选择合适的硬件及硬件配置方案，配合软件可以实现厚度高速控制；
(5)能提高轧机“厚控系统”的自动化程度，降低废品率，提高生产率，使轧机的装机水平大为提高。
通过参照附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得更加清楚。其中图1是控制系统结构示意图；图2是控制原理图；图3是隶属函数波形图；图4是程序框图。
图1中，1为油压测量装置，2为位置测量装置，3为厚度测量装置，4为轧辊，5为信号处理电路，6为嵌入式PC，7为直流传动控制系统。
具体实施例方式
模糊控制是基于知识规则甚至语义描述的控制规律，它为非线性控制器提出了一个比较容易的设计方法，尤其当受控装置含有不确定性很难用常规非线性控制理论处理时，更是有效。本发明在传统PID控制方法的基础之上，引进模糊控制手段，从而形成一套完整、可行的铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法，取得了比较满意的应用效果。
图1是铝板带轧机厚度控制系统结构示意图在铝板带轧制过程中，轧机经6(嵌入式PC)和7(直流传动控制系统)控制进入轧制过程，此时厚控系统接受到厚度测量装置3检测到的厚差信号，经系统中厚度控制器(由模糊控制器和传统PID控制器相结合而成)得到控制信号，去控制阀驱动油缸，进而通过轧辊4对铝板带进行轧制加工。其中，油缸反馈信号由1油压测量装置和2位置测量装置获得。
图2是铝板带轧机厚度控制系统位置控制环节采用模糊控制的控制原理图，设计成一个二维的双输入、三输出的模糊控制系统，输入语言变量为厚差e和厚差变化ec，输出变量是PID控制器调节量的三个参数Kp、Ki和Kd。每个时刻的厚差e和厚差变化ec，通过测厚仪监测到的实际厚度h和厚度预先给定值hREF进行比较而获得。
对于以上语言变量，其变化范围即为基本论域。如对于冷轧板带，厚差e及厚差变化ec的变化范围为±50um，调节参数P的变化范围为±0.3，I的变化范围为±0.06mm，D的变化范围为±3mm，然后根据量化因子ke和kec量化基本论域E＝＞X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；EC＝＞Y＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；P＝＞Z1＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；I＝＞Z2＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；D＝＞Z3＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。
确定量化论域后，对各语言变量定义模糊子集，确定偏差e所对应的语言值个数为8个，即X＝{Ai}(i＝1…8)＝{PB，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NB}，偏差的变化率ec所对应的语言变量为7个，即Y＝{Bj}(j＝1....7)＝{PB，PM，PS，0，NS，NM，NB}，偏差调节参数P、I、D对应的语言变量Z1、Z2、Z3通常分为7个Z1＝{Ck1}(k1＝1....7)＝{PB，PM，PS，0，NS，NM，NB}，Z2＝{Ck2}(k2＝1....7)＝{PB，PM，PS，0，NS，NM，NB}，Z3＝{Ck3}(k3＝1....7)＝{PB，PM，PS，0，NS，NM，NB}。
确定隶属函数波形图为三角函数波形，如图3所示，再根据各模糊子集确定量化论域中各元素的隶属函数得到隶属函数表，见表1。
模糊关系是根据操作经验来确定的。不妨设定模糊控制规则为IF Ai AND Bj THEN Ck，比如A＝PM且B＝PS，则Z＝NB。
其模糊关系为R1＝Ui，j(Ai*Bj*C1ij)；R2＝Ui，j(Ai*Bj*C2ij)；R3＝Ui，j(Ai*Bj*C3ij)。即μR1(x，y，z1)＝∨i，j(μAi(x)∧μBj(y)∧μCij(z1))μR2(x，y，z2)＝∨i，j(μAi(x)∧μBj(y)∧μCij(z2))μR3(x，y，z3)＝∨i，j(μAi(x)∧μBj(y)∧μCij(z3))
表1隶属函数控制规则表 由此即可得到模糊控制规则表。然后进行模糊判决，即将三个参数的模糊量清晰化，采用较为简单的最大隶属度判决法，由模糊子集C1ij；、C2ij、C3ij确定输出时，当存在z1*、z2*、z3*，且μC1ij(z1*)≥μC1ij(z1)、μC2ij(z2*)≥μC2ij(z2)、μC3ij(z3*)≥μC1ij(z3)，则取μ1*＝z1*、μ2*＝z2*、μ3*＝z3*；有相邻多点同时为最大值时，则μ*取这些点的平均值。通过这些计算得到PID参数的模糊输出查询表，如表2所示。
表2控制规则表
这样，采用模糊控制和传统PID相结合的控制方法，根据轧机操作经验建立输入误差和误差变化率与PID参数调整量之间的模糊关系，然后通过模糊运算得到控制表，将测量得到的厚度误差以及厚度误差的变化率进行模糊化，通过论域比较，取控制表中相应的PID参数的调整量，叠加在PID控制参数上，通过轧机的液压系统便可得到所需要的轧辊开合度，从而加工得到符合厚度控制要求的铝箔带材。
应用上述方案进行编程，然后输入到嵌入式PC当中，便可实现铝带轧机厚度的智能化监控(AGC)。图4给出了编制控制软件的程序框图在编制软件时，首先制定模糊控制器中所需要的量化因子，隶属函数表，模糊子集，模糊控制规则及比例因子，采用重心法作为本发明的模糊合成法，根据重心法合成出模糊控制查询表，系统取得厚差，得到厚差变化量后，计算厚差及厚差变化量所属的论域，据此计算出该厚差所属的模糊子集范围，从而确定其在模糊控制查询表中的地址，取该地址内容便可得模糊控制量，乘上比例因子后迭加到PID控制量中，整个控制就即完成。
加工过程中，使辊系弯曲变形的弯辊力会对轧机厚度控系统造成外部干扰，这种干扰主要分为位置环时对辊缝的影响和压力环时对压力的影响。在不同的轧制方式下，当检测到弯辊力的变化值后，需要采用不同的补偿系数，得到补偿量，然后叠加到相应的控制量中，抵消弯辊变化所引起的轧制条件变化。
总之，本发明技术方案将专家及操作人员的丰富现场经验集合起来组成厚度模糊控制规则表，代替调试人员个人经验，可以实现PID增益自适应，很好地抑制带材头尾的较大超差。其中模糊控制部分可以离线制定模糊输出控制查询表，减少软件运算时间。实际应用表明，该方法对于铝带铝箔的加工具有良好的控制效果，应用该技术方案之后轧机“厚控系统”的功能将更加完善，更加趋向于完全自动化，可以大大提高轧机的装机水平。
最后需要说明的是，除上述实施方式以外，本发明尚有其它多种实施方式。凡采用等同替换或者等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
权利要求
1.铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法，其特征在于采用模糊控制和传统PID相结合的控制方法，对铝板带加工过程中的轧机厚度进行控制。
2.根据权利要求1所述的铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法，其特征在于轧机厚度控制系统接受来自测厚仪的厚差信号、专家确定的量化因子以及轧机的操作经验，建立输入误差和误差变化率与PID参数调整量之间的模糊关系，然后通过模糊运算得到控制表，将测量得到的厚度误差以及厚度误差的变化率进行模糊化，通过论域比较，取控制表中相应的PID参数的调整量，叠加在PID控制参数上，通过轧机的液压系统得到所需要的轧辊开合度，从而实现对轧机厚度的调整与控制。
3.根据权利要求2所述的铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法，其特征在于模糊控制过程采用一个二维的双输入、三输出的模糊控制系统，两个输入变量为厚差e和厚差变化ec，三个输出变量是PID控制器调节量的三个参数Kp、Ki和Kd。
4.根据权利要求1或2或3所述的铝板带轧机厚度自适应模糊控制方法，其特征在于所述模糊控制过程是在消除了弯辊影响因素之后进行的，即，在不同的轧制方式下，当检测到弯辊力的变化值以后，采用对应的补偿系数得到补偿量，然后叠加到相应的控制量中，抵消弯辊变化所引起的轧制条件变化。
全文摘要
本发明涉及有色金属加工领域当中铝带板轧机厚度的控制。它将传统PID控制与模糊控制有机结合起来，利用测厚仪信号、专家确定的量化因子等因素建立厚度误差和误差变化率与PID参数调整量之间的模糊关系，经过模糊运算得到控制表，将测量得到的厚度误差以及厚度误差的变化率进行模糊化，通过论域比较，取控制表中相应的PID参数的调整量，叠加在PID控制参数上，进而通过轧机的液压系统设定所需要的轧辊开合度，实现对轧机厚度的调整与控制。该技术方案可以增强轧机“厚控系统”的自动化程度，提高系统响应速度，有效降低带材头尾偏差，减少废品率，提高生产率，大大提升轧机的装机水平。
文档编号B21B37/24GK1775394SQ20051012262
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者卢天一, 王海霞, 陈晓霖, 李献国 申请人:苏州有色金属加工研究院