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轧机液压AGC系统数学模型及控制方法研究

作　者: 孙卫华
导　师: 金伟
学　校: 东北大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: AGC 数学模型模糊PID LabVIEW
分类号: TG333
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

针对轧机厚度自动控制系统(Automatic Gauge Control System,简称AGC系统)中不确定因素造成的过程数学模型的不精确性,并鉴于常规PID控制器整定调试周期长、较难适应过程数学模型变化等问题,本文运用模糊PID控制理论,在轧机实验仿真平台上,利用LabVIEW模糊逻辑工具包设计开发了参数自整定模糊PID控制器,并进行实验研究,其控制效果与常规PID控制器比较后,验证了模糊PID控制技术在轧机厚度自动控制中的可行性。AGC系统是轧机提高带材厚度精度的重要方法,其采用目的是获得板带材纵向厚度的均匀性,从而生产出合格产品,目前已成为轧机自动化系统中不可缺少的一部分。本文首先在分析了轧机液压AGC系统及其运行机理的基础上,以伺服阀的基本方程、液压缸连续性方程、液压缸和负载的力平衡方程为基础,确定了液压伺服控制系统的数学模型。但是,由于轧制工艺的复杂性,来料厚度的变化等不确定因素的影响,对于轧机厚度自动控制系统,要建立精确的数学模型是很困难的,不利于传统控制理论的应用与实现,而智能控制技术为解决厚度自动控制提供一种有效途径。然后在深入分析轧制工艺过程的基础上将模糊控制技术应用于厚度控制系统中,并在美国NI公司的图形化编程软件LabVIEW开发平台下,利用模糊逻辑工具包(Fuzzy Logic Toolkit)和PID工具包,设计了一个参数自整定模糊PID控制器,编写相应模糊控制程序,实现了轧制过程基于模糊PID技术的厚度自动控制系统。在轧机厚度控制系统中,模糊PID控制器是由PID控制器和参数模糊自调整机构组成,模糊自调整机构运用模糊控制的基本理论和方法,根据控制系统的实际响应输入信号,即偏差信号e和偏差变化ec的变化,通过模糊推理作出相应决策,在线调整KP,KI和KD三个PID参数,使其既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有PID控制精度高的特点。实验运行效果表明,经改造后的AGC控制系统具有良好的参数自整定性能,比原AGC系统在厚度控制的精度方面有了很大的提高,将误差控制在1.5%内,小于一般用户要求的3%的误差范围,并在一定程度上解决了常规PID控制方法调试周期长或容易超调等问题,表明该方法的良好效果,能更好的满足现代金属轧制行业对自动厚度控制系统的要求,并为现场实际应用打下良好基础。

全文目录

中文摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 选题背景及意义  11-12
  1.2 厚度自动控制(AGC)系统的研究现状  12-14
    1.2.1 国内外研究现状  12-13
    1.2.2 AGC系统存在问题分析  13-14
  1.3 模糊PID控制技术的应用  14-15
  1.4 主要研究内容与论文构成  15-17
第2章轧机厚度自动控制原理  17-27
  2.1 轧制工艺分析  17-21
    2.1.1 P—h图  17-18
    2.1.2 影响轧件厚度波动的主要因素  18-21
  2.2 板材厚度控制方法  21-23
    2.2.1 调整压下  21-22
    2.2.2 调整张力  22-23
    2.2.3 调整轧制速度  23
  2.3 液压AGC系统及其控制方式  23-27
第3章液压AGC系统数学模型  27-39
  3.1 AGC伺服系统构成  27-28
  3.2 液压AGC系统的数学模型  28-34
    3.2.1 伺服阀的基本方程  28-29
    3.2.2 液压缸的基本方程  29-32
      3.2.2.1 流量连续方程  29-30
      3.2.2.2 负载力平衡方程  30-32
    3.2.3 背压回油管道  32-33
    3.2.4 位移传感器和压力传感器  33
    3.2.5 控制调节器  33
    3.2.6 预控和监控  33-34
  3.3 阀控缸传递函数  34-37
  3.4 本章小结  37-39
第4章模糊PID控制器的设计  39-55
  4.1 控制器的设计  39-40
    4.1.1 控制思想  39-40
    4.1.2 控制结构  40
  4.2 参数整定规则  40-43
    4.2.1 常规PID参数整定规则  40-42
    4.2.2 模糊控制器参数整定规则  42-43
  4.3 模糊控制基本原理  43-44
  4.4 模糊控制器的设计  44-54
    4.4.1 模糊控制器的结构设计  44-45
    4.4.2 模糊规则的选择和模糊推理  45-47
      4.4.2.1 模糊语言变量的确定  45-46
      4.4.2.2 确定语言值的隶属函数  46-47
    4.4.3 模糊控制规则的建立  47-50
    4.4.4 解模糊  50-52
    4.4.5 模糊控制器论域及比例因子的确定  52-53
    4.4.6 编程步骤  53-54
  4.5 参数在线调整  54
  4.6 小结  54-55
第5章控制方法的具体实现  55-71
  5.1 LabVIEW介绍  55-56
  5.2 轧机AGC系统数学模型在LabVIEW中的实现  56-59
  5.3 常规PID参数整定实现  59-60
  5.4 控制方法实现  60-69
    5.4.1 人机交互界面  60-62
    5.4.2 控制算法的程序设计  62-66
    5.4.3 程序运行效果  66-69
  5.5 小结  69-71
第6章结束语  71-73
  6.1 结论  71-72
  6.2 展望  72-73
参考文献  73-75
致谢  75-77
攻读硕士期间发表的论文  77

轧机液压AGC系统数学模型及控制方法研究

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