摘  要： 步進(jìn)梁是加熱爐中的重要設(shè)備，步進(jìn)梁的速度須精準(zhǔn)控制,，否則易對(duì)步進(jìn)梁造成很大的慣性沖擊,。由于步進(jìn)梁系統(tǒng)是典型的非線性和時(shí)變性系統(tǒng)，且當(dāng)步進(jìn)梁托起鋼坯時(shí)速度會(huì)大幅度下降,，嚴(yán)重影響步進(jìn)梁的速度,，鑒于此建立了步進(jìn)梁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，提出了模糊PID的控制策略,，理論上能夠較好地滿足控制要求,。仿真結(jié)果表明，所提出的控制算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、抗干擾,、響應(yīng)快等特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： 步進(jìn)梁,；速度控制,；模糊PID控制

0 引言

　　步進(jìn)梁是步進(jìn)式加熱爐的核心設(shè)備，鋼坯的移動(dòng)是通過(guò)步進(jìn)梁的靜梁和動(dòng)梁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,，步進(jìn)梁的動(dòng)梁作上升,、前進(jìn)、下降,、后退等動(dòng)作將鋼坯送入加熱爐加熱,。步進(jìn)梁的結(jié)構(gòu)如圖1所示。步進(jìn)梁的速度給定須精確控制，以減少其運(yùn)動(dòng)慣性和沖擊,，減少對(duì)步進(jìn)梁系統(tǒng)的損壞,，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)的起始階段和終止階段，步進(jìn)梁分別作加速運(yùn)動(dòng)和減速運(yùn)動(dòng),。在上升和下降的中間階段,，由于步進(jìn)梁接近鋼坯，步進(jìn)梁進(jìn)行一次中間減速－勻速－加速運(yùn)行過(guò)程,，以減少負(fù)荷對(duì)步進(jìn)梁的沖擊,，達(dá)到鋼坯在爐內(nèi)“輕托、輕放”的目的,。步進(jìn)梁速度位移示意圖如圖2所示,。步進(jìn)梁的動(dòng)力是由電液比例方向閥和液壓缸組成的液壓系統(tǒng)提供，通過(guò)電液比例方向閥控制流量以驅(qū)動(dòng)液壓缸的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。

　　在工程實(shí)踐中,，步進(jìn)梁的控制多采用開環(huán)控制，控制效果差[1-3],，控制精度并不能滿足要求,。鑒于本文的控制對(duì)象是一個(gè)典型的非線性、時(shí)變,、強(qiáng)干擾系統(tǒng),，本文設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則校正的模糊PID控制器，該控制器可使系統(tǒng)有更快地響應(yīng)且有一定的抗干擾能力,。

1 閥控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)建模

　　步進(jìn)梁系統(tǒng)由電液比例方向閥,、液壓缸和步進(jìn)梁組成。當(dāng)液壓缸活塞外伸時(shí)完成鋼坯上升和前進(jìn)動(dòng)作,；當(dāng)液壓缸活塞內(nèi)縮時(shí)完成鋼坯下降和后退動(dòng)作,。本文以步進(jìn)梁上升動(dòng)作為例來(lái)說(shuō)明,。步進(jìn)梁系統(tǒng)控制原理圖如圖3所示,。

　　電液比例方向閥閥芯位移Xv（s）與控制信號(hào)U（s）之間的傳遞函數(shù)為[2，4-5]：

　　液壓缸的活塞位移Y（s）與閥芯位移Xv（s）之間的傳遞函數(shù)為：

　　活塞位移Y（s）與負(fù)載FL（s）之間的傳遞函數(shù)為：

　　活塞位移Y（s）與油源壓力Ps（s）之間的傳遞函數(shù)為：

　　為電液比例閥的增益,，Tsv為電液比例閥的時(shí)間常數(shù),，Kq為流量增益，A1為無(wú)桿腔的有效面積（m2）,，A2為有桿腔的有效面積（m2）,，Ci為液壓缸內(nèi)泄漏系數(shù)（m3/（s·Pa）），V1為液壓缸進(jìn)油腔的容積（m3）,，e為油液的有效體積彈性模量（包括油液,、混入油液中的空氣、連接管道及缸體的機(jī)械柔度的影響）（Pa），ps為油源壓力（MPa）,，M為活塞及負(fù)載總質(zhì)量（kg）,，Kc為流量-壓力系數(shù)，xv為電液比例閥閥芯位移（m）,。

　　當(dāng)步進(jìn)梁滿負(fù)荷工作時(shí)鋼坯重達(dá)450 t,，為減經(jīng)作用在液壓缸活塞桿上的力，故采用雙輪斜軌式步進(jìn)機(jī)構(gòu),，如圖4所示,。

　　則可得液壓缸的位移y（m）與鋼坯的位移ys（m）滿足如下關(guān)系式：

　　本文以山東某鋼廠為研究對(duì)象，根據(jù)測(cè)得的相關(guān)參數(shù)[2],，可得如下傳遞函數(shù)的表達(dá)式：

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

　　自整定模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖5所示,。

　　它以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，以PID控制器的參數(shù)kp,、ki,、kd作為輸出。它利用模糊理論對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正,，校正算法如下：kp=kp′+kp,，ki=ki′+ki，kd=kd′+kd,，其中kp′,、ki′、kd′是預(yù)先調(diào)定的量,，kp,、ki、kd為模糊控制器的輸出,，kp,、ki、kd為PID控制器的輸出[6],。

　　定義偏差e,、偏差變化率ec及kp、ki,、kd的論域均為 {-6,，6}；其模糊子集{PB,，PM,，PS，ZR,，NS,，NM,，NB}，子集中的元素分別為負(fù)大,、負(fù)中,、負(fù)小、零,、正小,、正中、正大,。為了計(jì)算機(jī)處理和實(shí)現(xiàn)上的方便,，輸入偏差、輸入變化率|EC|和輸出的隸屬度函數(shù)均采用線性函數(shù)[7],。

　　該模糊控制器的控制規(guī)則采用“IF A AND THAN C”的形式建立,。根據(jù)自整定模糊PID控制的設(shè)計(jì)思想可得kp、ki,、kd的模糊控制規(guī)則如表1所示[8],。

3 系統(tǒng)仿真分析

　　為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)的性能，采用MATLAB/Simulink中的軟件包和模糊邏輯工具箱FIS來(lái)模擬該控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境,。其中模糊控制器的參數(shù)ke=  0.2,、kec=1、kp=1,、ki=4.5,、kd=0.2；PID的初值為kp′=16,、ki′=30,、kd′=0.5。速度給定曲線如圖6所示,。

　　常規(guī)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖7所示,，在第７秒時(shí)由于托起重達(dá)450 t的鋼坯，速度有較大的下降,，故考慮采用模糊自整定PID控制,。自整定模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)如圖8所示，由圖可以看出速度下降明顯減少且響應(yīng)明顯加快,。

4 結(jié)論

　　步進(jìn)梁是步進(jìn)式加熱爐中的重要設(shè)備,，步進(jìn)梁的速度須精確控制,，當(dāng)步進(jìn)梁上升托起鋼坯時(shí)由于鋼坯的大重量使得其速度會(huì)大幅度下降,，考慮到步進(jìn)梁系統(tǒng)是非線性和時(shí)變系統(tǒng)，故本文分別用PID控制器和自整定模糊PID控制器對(duì)步進(jìn)梁系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究,。仿真結(jié)果表明,，與傳統(tǒng)PID控制器相比,，模糊PID控制器具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),，基本上達(dá)到了對(duì)步進(jìn)梁系統(tǒng)快速,、平穩(wěn)控制的要求，很好地緩解了設(shè)備沖擊,，另外也為該控制方法在其他場(chǎng)合上的應(yīng)用提供了參考,。

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