论文题目：钢卷小车APC控制系统设计与应用课件.ppt

1、研究生姓名：指导教师：2005年3月17日第1页，共39页。l 冷轧带钢表面附有轧制油、机油、粉末和灰尘等污物。当清洗不干净时，退火后这些污物成为碳化物，既有损外观，也是后步工序产生事故的原因,特别是涂镀层钢板，产生表面层不均，使耐腐性变坏。基于此种现状，鞍钢决定新建冷轧清洗线。目前我国宝钢成功的全线引进一条冷轧清洗线，而鞍钢正在筹备的是国内首条自己的冷轧清洗线。第2页，共39页。l全线一共分为三个部分，入口段，清洗段和出口段。设备有一台开卷机，一台挖边机，月牙剪以及多个导向棍，张紧棍，卷曲机，上卷和卸卷小车等。入口段负责上卷，矫直，去头尾，焊接和挖边等工作。清洗段负责清洗，出口段根据要求的卷

2、长完成切割、卷曲、称重、打捆以及运卷等工作。第3页，共39页。虚线框中为本论文的任务虚线框中为本论文的任务 上料和卸料由小车完成的，上料和卸料由小车完成的，在带材和板材工业加工过程中，在带材和板材工业加工过程中，生产的速度越来越快，要求的效率越来越高，因而要求位置生产的速度越来越快，要求的效率越来越高，因而要求位置控制的机械能在最短的时间内到达给定目标值，入口和出口控制的机械能在最短的时间内到达给定目标值，入口和出口的控制难点就在于小车的定位控制的控制难点就在于小车的定位控制。上料开卷切头切尾夹送矫直来料验收挤干焊接挖边吊车吊走入库运卷剪切分卷取样碱洗电解热水冲刷卸卷第4页，共39页。第5页，

3、共39页。小车在底限小车在传输位小车接触到钢卷plg压力开关M后极限1号位2号位3号位高度调整位高低压切换位位中心位前极限极限开关1号鞍座位钢卷光电耦合器上卷小车开卷机2号鞍座位3号鞍座位PH1PH2PH3PH4PH5PH6PH7第6页，共39页。所谓的无头清洗，就是要保证了全线生产的连续性。所以上料和卸料的顺利进行就变得非常关键了。本次工程上料和卸料过程都是由钢卷小车来完成的，钢卷小车不但要完成运卷、上卷等过程，还负责钢卷直径和宽度的测量以及准确对中定位等任务。第7页，共39页。冷轧清洗线入口只有一台上卷小车，因此为了保证连续生产，上卷小车需要频繁的起动、运行、停止，原设计升降过程是用了两个

4、普通的电磁换向阀，组合使用来完成高速与低速的切换。由于钢卷质量大，且质量不确定，使小车不能达到要求的位置精度，并且速度变化曲线不圆滑，加速度大，无法达到最优。严重时可能出现钢卷从小车上跌落，存在极大的安全隐患。鉴于此种情况，要使小车准确、快速、安全的达到定位值，应使小车的定位速度是连续可调的。所以升降的控制任务我们选择比例阀来完成。第8页，共39页。PTPSTL高压低压下降上升abAABB101112851上升下降43769AB216Mp2Mp3Mp钢卷车升降方向有三种控制方式：高压上升低压上升高压下降第9页，共39页。hDXK1LK2压力开关MPLG光电偶合器心轴小车低线位 小车从开头辊处进

5、行开头后，横移定位到高度调整位，定位完成后，小车开始下降到最低位，此时，负责升降的编码器记下初始值，而后小车开始上升，当遇到第一个光电管由亮变黑时，记下此时的编码器值 x，根据此参数值，便可计算出钢卷的直径，根据钢卷的直径就能计算出钢卷内径的中心位，从而完成高度对中。第10页，共39页。2800mm2800mm700mm3900mm2300mm一号鞍座位二号鞍座位 三号鞍座位高度调整位 在线位心轴中心位小车横移方向有六个固定位。由于小车横移的距离相对升降大的多，为了满足现场的生产节奏，要求小车横移，既要有速度，又要有精度，横移控制由变频器来完成。第11页，共39页。鞍钢冷轧清洗线入口鞍钢冷轧清

6、洗线入口小车的变频器系统采用小车的变频器系统采用西门子西门子6SE70矢量型变频矢量型变频器，选用整流器，选用整流/回馈回馈逆变逆变的公共直流母线方式，的公共直流母线方式，并通过并通过PROFIBUS DP通通讯网络与主控讯网络与主控PLC进行数进行数据交换，实现速度设定和据交换，实现速度设定和操作监控功能。操作监控功能。ACDCDCACM制动单元AC母线变压器整流单元逆变单元异步电动机第12页，共39页。小车往开卷机的心小车往开卷机的心轴上上卷。当高度对轴上上卷。当高度对中完成，操作工确认中完成，操作工确认后，小车开始横移准后，小车开始横移准备定位到开卷机心轴备定位到开卷机心轴横移中心位。小

7、车前横移中心位。小车前行定位时，进行钢卷行定位时，进行钢卷宽度的测量，根据带宽度的测量，根据带钢宽度，进行心轴横钢宽度，进行心轴横向中心位的计算，从向中心位的计算，从而完成带钢宽度中心而完成带钢宽度中心对准机组中心。对准机组中心。w/2wCNT1CNT2CNTSPHLL1心轴中心线起始位第13页，共39页。vHamst0-ams ss预预关关断断s关关断断s目目标标值值vL2sE Ee e0 0 当行车运行到当行车运行到S预关断预关断点时点时(即即接近目标位置，此过程是由接近目标位置，此过程是由PLC软件设计完成的软件设计完成的)，小车，小车便开始进入匀减速过程。当小便开始进入匀减速过程。当小

8、车运行到车运行到S关断关断点时，控制程序点时，控制程序使速度输出为零，使小车立即停使速度输出为零，使小车立即停止运行，但由于钢卷车自重加上止运行，但由于钢卷车自重加上钢卷的重量，虽然控制小车运动钢卷的重量，虽然控制小车运动的模拟量输出为零，但由于惯性的模拟量输出为零，但由于惯性的作用，小车必然要继续滑行一的作用，小车必然要继续滑行一段距离，从图中分析出，小车还段距离，从图中分析出，小车还要经过滑行要经过滑行s s才能停下来。才能停下来。第14页，共39页。由于钢卷重量是不固定的，所以由于钢卷重量是不固定的，所以 的值也是变化的，影响的值也是变化的，影响 大小的因素有很多，但最大小的因素有很多，

9、但最主要的因素是钢卷的重量和小车在主要的因素是钢卷的重量和小车在S S关断关断点时速度点时速度VL，其实从图中我们可以分析出控制的目标值与实际值必然要有误差。我们用其实从图中我们可以分析出控制的目标值与实际值必然要有误差。我们用e e0 0表示，控制的目的就是表示，控制的目的就是使使e e0 0能达到最小。使它落在误差允许范围带中。所以能达到最小。使它落在误差允许范围带中。所以s s的确定是主要的。预算得准确与的确定是主要的。预算得准确与否直接影响否直接影响e e0 0的大小。鉴于此种情况，必须对的大小。鉴于此种情况，必须对s s的值进行准确的控制。的值进行准确的控制。vHamst0-ams

10、ss预预关关断断s关关断断s目目标标值值vL2sE Ee e0 0ss第15页，共39页。因为当VL的值固定时，的大小主要由重量决定。根据本工程的设计要求，并经过多次现场测试，我们选VL=6m/min，为了消除由于重量的不同而带来的定位误差，在这里我们选择用一个二维模糊控制器来实现。s第16页，共39页。模糊化模糊推理反模糊化知识和经验IF.THEN规则小车惯性滑差模糊控制器钢卷重量G定位误差e第17页，共39页。根据生产工艺状况，我们把输入变量钢卷的重量G 和输出变量U 的Fuzzy 状态均划分为7 个档次，形成了7个Fuzzy 子集，来反映其值的大小：G、U=Z、SS、MS、BS、S、M、

11、B 关于另一个输入变量E，因为它是最终的定位偏差，作用范围很小，并不是决定 的主要因素，它的作用只不过用来修正由于重量判断不准而引起的波动，从某种意义上讲，它相当于一个补偿量，根据工艺上的特点，小车每次启动定位时，重量是已知的，而偏差只有到定位完成后才知道，所以最好的选择就是用上一次此种钢卷的定位偏差来代替当前的输入偏差值。所以结合实际情况和编程的方便性，我们可以把E的模糊子集定义为：E=NB、NS、Z、PS、PBs第18页，共39页。由于设计的是的模糊控制器，根据实际情况和经验，我们把输入G、输出U的模糊论域都定为：G、U=0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12；而输入E的

12、模糊论域定为：E=-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4。第19页，共39页。针对本工程我们对输入、输出的隶属函数设定如下：SSSMSBZSMB681012241357911重量Ga0SMBZSSSMSB0.80.60.40.201.024681012UNBZPB01.02-2-11-3偏差E3a-44NSPS输入G隶属函数图输入E隶属函数图输出U隶属函数图第20页，共39页。模糊规则制定的依据是：根据系统输出的误差变化趋势来消除误差。根据现场的调试情况以及经验总结，对于本系统共可以设35条规则：为方便起见，把上述控制规则列成表格形式，如表所示。滑差ZSSSMSBSMBNBSMSBSMBB

13、BNSSSSMSBSMBBZZSSSMSBSMBPSZZSSSMSBSMPBZZZSSSMSBS重量定位偏差第21页，共39页。滑差0123456789101112-444668810101212121212-344668810101212121212-2224466881010121212-12244668810101212120002244668810101210022446688101012200224466881010123000000224466840000002244668重量G定位偏差E 双输入单输出系统为三元模糊关系矩阵双输入单输出系统为三元模糊关系矩阵R=EECC因为二维控制

14、器的关系矩阵计算相当复杂，所需占用的存储器的容量多，计算时间因为二维控制器的关系矩阵计算相当复杂，所需占用的存储器的容量多，计算时间长，尤其我们所做的工程编程环境是长，尤其我们所做的工程编程环境是PLC，受采样周期以及控制器内存大小的限制，复，受采样周期以及控制器内存大小的限制，复杂的和大量的运算杂的和大量的运算PLC完成不了，所以实际运用时采用计算机离线求出查询表，如表。完成不了，所以实际运用时采用计算机离线求出查询表，如表。第22页，共39页。位置给定值P*输出比例系数KP编码器位置反馈值Pf速度设定选择器控制对象偏差e设定速度V*-二维模糊控制器钢卷重量G偏差E钢卷惯性滑差sVK2模糊控

15、制器判断出来的钢卷小车滑行偏差就可以作为位置给定的补模糊控制器判断出来的钢卷小车滑行偏差就可以作为位置给定的补偿量，小车在启动定位时，钢卷的重量偿量，小车在启动定位时，钢卷的重量G我们可以确定，误差滑差我们可以确定，误差滑差E我们可以用上一次此种重量的定位结果替代。按上述介绍的公式我们可以用上一次此种重量的定位结果替代。按上述介绍的公式分别量化后，查表后便可以确定了，也就是速度位移曲线图中的分别量化后，查表后便可以确定了，也就是速度位移曲线图中的S关关断断点找到了。就可以由点找到了。就可以由PLC自动定位子程序实现了。自动定位子程序实现了。第23页，共39页。输出二维模糊控制器钢卷重量G偏差E

16、钢卷惯性滑差s2小车的定位过程中，影响定位的精度主要是s s的非线性问的非线性问题。题。经过本文提出控制方法，经过本文提出控制方法，能准确地解决轧钢工业能准确地解决轧钢工业中类似的这种定位问题。中类似的这种定位问题。控制原理图中速度偏差控制原理图中速度偏差乘以比例系数后，进行乘以比例系数后，进行高低速限幅后。作为模高低速限幅后。作为模拟量的输出拟量的输出第24页，共39页。由于小车每次定位过程都是一个独立的过程，工艺上的特由于小车每次定位过程都是一个独立的过程，工艺上的特点决定了小车每次的目标值和距离都不是固定的，所以对点决定了小车每次的目标值和距离都不是固定的，所以对于控制过程的判别，我们只

17、能用误差结果作比较，下面的于控制过程的判别，我们只能用误差结果作比较，下面的表是在现场调试以及最近现场生产过程中统计的误差情况。表是在现场调试以及最近现场生产过程中统计的误差情况。s s第25页，共39页。共在现场取24次定位结果作比较，比较结果如表，为了直观起见，我们可以把这24次比较结果绘成曲线图 误差e0次数序列第26页，共39页。l面向对象分析方法面向对象分析方法 目前，生产过程控制的工程设计多数仍然采目前，生产过程控制的工程设计多数仍然采用传统的数据流图建模方式（控制流程图）用传统的数据流图建模方式（控制流程图）.这对工业控制的不足表现在下面的两个方面：这对工业控制的不足表现在下面的

18、两个方面：1、难以进行控制问题定义；2、难以实现人机融合 第27页，共39页。Use case（即我们说的用例模型），它可以把控制任（即我们说的用例模型），它可以把控制任务进行结构化化分。务进行结构化化分。我们在这次工程中，方案的制定和划分就是用用例模型我们在这次工程中，方案的制定和划分就是用用例模型来实现的。来实现的。手动控制是控制任务中的最基本控制方式，是生产的手动控制是控制任务中的最基本控制方式，是生产的基础和自动控制的前提。把所有的手动控制按顺序连基础和自动控制的前提。把所有的手动控制按顺序连起来就可以实现自动，用例模型就是针对这种思路，起来就可以实现自动，用例模型就是针对这种思路，把

19、复杂的任务划分开，使其具有清晰的结构化。把复杂的任务划分开，使其具有清晰的结构化。第28页，共39页。用例模型由二部分组成：用例图和用例事用例模型由二部分组成：用例图和用例事件流说明。件流说明。用例图以可视化形式说明控制主角和控制用例图以可视化形式说明控制主角和控制任务的关系。任务的关系。用例事件流则详细描述控制主角和控制系统之用例事件流则详细描述控制主角和控制系统之间在控制过程中的交互行为。间在控制过程中的交互行为。第29页，共39页。小车高速前行入口段操作工小车低速前行小车高速后退.小车低速后退抽象用例台车位置指示包含包含包含包含小车高速上升小车低速上升小车高速下降小车低速下降第30页，共

20、39页。FWD-HIGH用例说明用例名称：高速前行FWD-HIGH；控制主角：ENTRY-OPR；用例概述：该用例用于描述使用操作按钮“FWD-HIGH”（台车高速前行）控制台车前行的操作过程。“FWD-HIGH”位于入口小车与开卷机操作台（E-OP-01），属于手动操作按钮。主事件流：ENTRY-OPR扳动FWD-HIGH按钮（输入变量“PBL-ECC-FWD-high”on）；系统使台车处于高速运行状态，具体动作如下：置位输出变量“L-ECC-FWD”（按钮灯变量）为on。第31页，共39页。检查下列连锁条件是否满足：1、没有急停；2、入口段液压OK；3、辅机设备的一些正常状态备选事件流：

21、（1）台车极限位停车当台车运行到极限位（ECC-forward-end为on），系统立即使台车结束运行状态，具体动作如下：a、报警；b、置位输出变量ECC-VM-01（小车停止前行）；c、极限位置指示灯“PL-ECC-forward-end”为on。（2）Include“DCP”用例（指示灯显示说明）。第32页，共39页。DCP用例说明用例名称：提示台车位置控制用例DCP；用例类型：抽象用例；用例概述：该用例用于说明系统提示台车位置行为；事件流说明：1、系统提示台车位于saddle1位置：当台车位于saddle1位置（ECC-no.1-position-limit），saddle1位置指示灯P

22、L-ECC-no.1-position亮；2、系统提示台车位于saddle2位置：当台车位于saddle2位置（ECC-no.2-position-limit），saddle2位置指示灯PL-ECC-no.2-position亮；第33页，共39页。3、系统提示台车位于saddle3位置：当台车位于saddle3位置（ECC-no.3-position-limit），saddle3位置指示灯PL-ECC-no.3-position亮。4、系统提示台车位于height adjust位置；当台车位于height adjus位置(ECC-height-adjust-limit)，height adj

23、ust位指示灯PL-ECC-height-adjust-position亮。5、系统提示台车位于IN-LINE位置；当台车位于IN-LINE位置(ECC-in-line-limit)，in-line位置指示灯PL-ECC-in-line-position亮。6、系统提示台车位于LINE-CENTER位置；当台车位于LINE-CENTER位置(ECC-center-limit)，line-center位置指示灯PL-ECC-center-position亮。第34页，共39页。其它的用例说明与此相似，这里就不再赘述了，这样把小车的控制情况经过此种设计方法后，结构清晰、思路明确、条件也会考虑周全。

24、也便于和其他人的程序结合。由此可见，复杂的控制任务经此分析后，变得清晰了，这种结构化的设计方法特别适合于这种大型的、复杂的工业控制。因为一个大的控制系统，不可能由一个人来完成设计，可能是由多个人共同来完成，所以任务的划分，必须明确合理，这样最终合并后，才能是一个完整适用的用户程序。上诉的这种用例模型图，使控制任务明确化，而且它还体现了控制对象之间的连锁条件，这样编出来的控制程序才能准确、适用、安全。且对用户来说，特别便于维护。第35页，共39页。一个复杂的工程要与很多部门交涉有一个统一的、合理的设计方案和结构图是必需的。因为对于复杂的工业控制要定期的现场交涉，合理统一的结构化分是相当关键的，本

25、文的用例模型是后期工程顺利进行的基础。第36页，共39页。（1）本文对钢卷小车自动定位APC提出了一种新的控制方法，采用模糊控制器对钢卷由于重量不同而引起的惯性滑差进行准确修正，能够解决轧钢工业中关于类似的上料和卸料存在的定位不准的问题。控制方案经现场运行表明是正确可靠的。（2）本文对钢卷小车定位系统中有关参数的分析和预算，是在充分研究和分析了冷轧清洗线的系统和工艺下进行的，系统的设计经实践证明是正确的，已经能够满足现场的生产需求。第37页，共39页。（3）对模糊控制器的设计，本文查阅了大量的相关资料，对模糊控制技术进行了较为深入的研究，系统掌握了模糊控制技术的理论基础和应用方法。并把它恰当的应用到实际中。（4）对于大型的、复杂的控制任务，本文所建立的钢卷小车的控制用例模型，极大的提高了编成速度和质量 第38页，共39页。第39页，共39页。