論文題目：鋼卷小車APC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用課件

1、論文題目：鋼卷小車APC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究生姓名：指導(dǎo)教師：2005年3月17日第1頁，共39頁。11研究背景 冷軋帶鋼表面附有軋制油、機(jī)油、粉末和灰塵等污物。當(dāng)清洗不干凈時(shí)，退火后這些污物成為碳化物，既有損外觀，也是后步工序產(chǎn)生事故的原因, 特別是涂鍍層鋼板，產(chǎn)生表面層不均，使耐腐性變壞?；诖朔N現(xiàn)狀，鞍鋼決定新建冷軋清洗線。目前我國(guó)寶鋼成功的全線引進(jìn)一條冷軋清洗線，而鞍鋼正在籌備的是國(guó)內(nèi)首條自己的冷軋清洗線。第2頁，共39頁。21清洗線控制系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)介全線一共分為三個(gè)部分，入口段，清洗段和出口段。設(shè)備有一臺(tái)開卷機(jī)，一臺(tái)挖邊機(jī)，月牙剪以及多個(gè)導(dǎo)向棍，張緊棍，卷曲機(jī)，上卷和卸卷小車等。入口

2、段負(fù)責(zé)上卷，矯直，去頭尾，焊接和挖邊等工作。清洗段負(fù)責(zé)清洗，出口段根據(jù)要求的卷長(zhǎng)完成切割、卷曲、稱重、打捆以及運(yùn)卷等工作。 第3頁，共39頁。31清洗線控制任務(wù)分解虛線框中為本論文的任務(wù) 上料和卸料由小車完成的，在帶材和板材工業(yè)加工過程中，生產(chǎn)的速度越來越快，要求的效率越來越高，因而要求位置控制的機(jī)械能在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)給定目標(biāo)值，入口和出口的控制難點(diǎn)就在于小車的定位控制 。第4頁，共39頁。41鋼卷小車控制任務(wù)圖第5頁，共39頁。51鋼卷小車控制任務(wù)圖第6頁，共39頁。61鋼卷小車的控制任務(wù)狀態(tài)01234567010101010011001100001111狀態(tài)012345670101010

3、10011001100001111 所謂的無頭清洗，就是要保證了全線生產(chǎn)的連續(xù)性。所以上料和卸料的順利進(jìn)行就變得非常關(guān)鍵了。本次工程上料和卸料過程都是由鋼卷小車來完成的，鋼卷小車不但要完成運(yùn)卷、上卷等過程，還負(fù)責(zé)鋼卷直徑和寬度的測(cè)量以及準(zhǔn)確對(duì)中定位等任務(wù)。 第7頁，共39頁。71鋼卷小車升降方案選擇 冷軋清洗線入口只有一臺(tái)上卷小車，因此為了保證連續(xù)生產(chǎn)，上卷小車需要頻繁的起動(dòng)、運(yùn)行、停止，原設(shè)計(jì)升降過程是用了兩個(gè)普通的電磁換向閥，組合使用來完成高速與低速的切換。 由于鋼卷質(zhì)量大，且質(zhì)量不確定，使小車不能達(dá)到要求的位置精度，并且速度變化曲線不圓滑，加速度大，無法達(dá)到最優(yōu)。嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)鋼卷從小車

4、上跌落，存在極大的安全隱患。鑒于此種情況，要使小車準(zhǔn)確、快速、安全的達(dá)到定位值，應(yīng)使小車的定位速度是連續(xù)可調(diào)的。所以升降的控制任務(wù)我們選擇比例閥來完成。第8頁，共39頁。81鋼卷小車升降方向APC液壓系統(tǒng) 鋼卷車升降方向有三種控制方式：高壓上升低壓上升高壓下降第9頁，共39頁。91升降方向APC的典型應(yīng)用 小車從開頭輥處進(jìn)行開頭后，橫移定位到高度調(diào)整位，定位完成后，小車開始下降到最低位，此時(shí)，負(fù)責(zé)升降的編碼器記下初始值，而后小車開始上升，當(dāng)遇到第一個(gè)光電管由亮變黑時(shí)，記下此時(shí)的編碼器值 x，根據(jù)此參數(shù)值，便可計(jì)算出鋼卷的直徑，根據(jù)鋼卷的直徑就能計(jì)算出鋼卷內(nèi)徑的中心位，從而完成高度對(duì)中。 第10

5、頁，共39頁。101鋼卷小車橫移APC自動(dòng)定位控制 小車橫移方向有六個(gè)固定位。由于小車橫移的距離相對(duì)升降大的多，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)節(jié)奏，要求小車橫移，既要有速度，又要有精度，橫移控制由變頻器來完成。第11頁，共39頁。111 橫移方向控制系統(tǒng)電路 鞍鋼冷軋清洗線入口小車的變頻器系統(tǒng)采用西門子6SE70矢量型變頻器，選用整流/回饋逆變的公共直流母線方式，并通過PROFIBUS DP通訊網(wǎng)絡(luò)與主控PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)速度設(shè)定和操作監(jiān)控功能。 第12頁，共39頁。121橫移方向APC的典型應(yīng)用 小車往開卷機(jī)的心軸上上卷。當(dāng)高度對(duì)中完成，操作工確認(rèn)后，小車開始橫移準(zhǔn)備定位到開卷機(jī)心軸橫移中心位。小

6、車前行定位時(shí)，進(jìn)行鋼卷寬度的測(cè)量，根據(jù)帶鋼寬度，進(jìn)行心軸橫向中心位的計(jì)算，從而完成帶鋼寬度中心對(duì)準(zhǔn)機(jī)組中心。第13頁，共39頁。131鋼卷小車定位偏差和定位速度曲線圖 當(dāng)行車運(yùn)行到S預(yù)關(guān)斷點(diǎn)時(shí)(即接近目標(biāo)位置，此過程是由PLC軟件設(shè)計(jì)完成的)，小車便開始進(jìn)入勻減速過程。當(dāng)小車運(yùn)行到S關(guān)斷點(diǎn)時(shí)，控制程序使速度輸出為零，使小車立即停止運(yùn)行，但由于鋼卷車自重加上鋼卷的重量，雖然控制小車運(yùn)動(dòng)的模擬量輸出為零，但由于慣性的作用，小車必然要繼續(xù)滑行一段距離，從圖中分析出，小車還要經(jīng)過滑行s才能停下來。 第14頁，共39頁。141鋼卷小車模糊控制的必要性 由于鋼卷重量是不固定的，所以 的值也是變化的，影響

7、大小的因素有很多，但最主要的因素是鋼卷的重量和小車在S關(guān)斷點(diǎn)時(shí)速度VL， 其實(shí)從圖中我們可以分析出控制的目標(biāo)值與實(shí)際值必然要有誤差。我們用e0表示，控制的目的就是使e0能達(dá)到最小。使它落在誤差允許范圍帶中。所以s的確定是主要的。預(yù)算得準(zhǔn)確與否直接影響e0的大小。鑒于此種情況，必須對(duì)s的值進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。第15頁，共39頁。151鋼卷小車模糊控制器的設(shè)計(jì)因?yàn)楫?dāng)VL的值固定時(shí)， 的大小主要由重量決定。根據(jù)本工程的設(shè)計(jì)要求，并經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，我們選VL=6m/min，為了消除由于重量的不同而帶來的定位誤差，在這里我們選擇用一個(gè)二維模糊控制器來實(shí)現(xiàn)。 第16頁，共39頁。161鋼卷小車模糊控制器圖第

8、17頁，共39頁。171鋼卷小車模糊控制器圖根據(jù)生產(chǎn)工藝狀況， 我們把輸入變量鋼卷的重量G 和輸出變量U 的Fuzzy 狀態(tài)均劃分為7 個(gè)檔次，形成了7個(gè)Fuzzy 子集，來反映其值的大?。篏、U=Z、SS、MS、BS、S、M、B 關(guān)于另一個(gè)輸入變量E，因?yàn)樗亲罱K的定位偏差，作用范圍很小，并不是決定 的主要因素，它的作用只不過用來修正由于重量判斷不準(zhǔn)而引起的波動(dòng)，從某種意義上講，它相當(dāng)于一個(gè)補(bǔ)償量，根據(jù)工藝上的特點(diǎn)，小車每次啟動(dòng)定位時(shí)，重量是已知的，而偏差只有到定位完成后才知道，所以最好的選擇就是用上一次此種鋼卷的定位偏差來代替當(dāng)前的輸入偏差值。所以結(jié)合實(shí)際情況和編程的方便性，我們可以把E的

9、模糊子集定義為：E=NB、NS、Z、PS、PB第18頁，共39頁。181模糊論域的確定 由于設(shè)計(jì)的是的模糊控制器，根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，我們把輸入G、輸出U的模糊論域都定為：G、U=0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12； 而輸入E的模糊論域定為：E=-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4。 第19頁，共39頁。191隸屬函數(shù)的確定針對(duì)本工程我們對(duì)輸入、輸出的隸屬函數(shù)設(shè)定如下： 第20頁，共39頁。201模糊控制規(guī)則模糊規(guī)則制定的依據(jù)是：根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差變化趨勢(shì)來消除誤差。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試情況以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)于本系統(tǒng)共可以設(shè)35條規(guī)則： 為方便起見，把上述控制規(guī)則列成表格形

10、式，如表所示。第21頁，共39頁。211模糊控制規(guī)則查詢表的確定 雙輸入單輸出系統(tǒng)為三元模糊關(guān)系矩陣R=EECC因?yàn)槎S控制器的關(guān)系矩陣計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，所需占用的存儲(chǔ)器的容量多，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，尤其我們所做的工程編程環(huán)境是PLC，受采樣周期以及控制器內(nèi)存大小的限制，復(fù)雜的和大量的運(yùn)算PLC完成不了，所以實(shí)際運(yùn)用時(shí)采用計(jì)算機(jī)離線求出查詢表，如表。 第22頁，共39頁。221鋼卷小車修正后的控制原理圖模糊控制器判斷出來的鋼卷小車滑行偏差就可以作為位置給定的補(bǔ)償量，小車在啟動(dòng)定位時(shí)，鋼卷的重量G我們可以確定，誤差滑差E我們可以用上一次此種重量的定位結(jié)果替代。按上述介紹的公式分別量化后，查表后便可以確定了，

11、也就是速度位移曲線圖中的S關(guān)斷點(diǎn)找到了。就可以由PLC自動(dòng)定位子程序?qū)崿F(xiàn)了。第23頁，共39頁。231鋼卷小車修正后的控制原理圖小車的定位過程中，影響定位的精度主要是s的非線性問題。經(jīng)過本文提出控制方法，能準(zhǔn)確地解決軋鋼工業(yè)中類似的這種定位問題?？刂圃韴D中速度偏差乘以比例系數(shù)后，進(jìn)行高低速限幅后。作為模擬量的輸出第24頁，共39頁。241控制結(jié)果比較由于小車每次定位過程都是一個(gè)獨(dú)立的過程，工藝上的特點(diǎn)決定了小車每次的目標(biāo)值和距離都不是固定的，所以對(duì)于控制過程的判別，我們只能用誤差結(jié)果作比較，下面的表是在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試以及最近現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中統(tǒng)計(jì)的誤差情況。 第25頁，共39頁。251控制結(jié)果比較 共

12、在現(xiàn)場(chǎng)取24次定位結(jié)果作比較，比較結(jié)果如表，為了直觀起見，我們可以把這24次比較結(jié)果繪成曲線圖 第26頁，共39頁。261鋼卷小車定位控制程序總體設(shè)計(jì)面向?qū)ο蠓治龇椒?目前，生產(chǎn)過程控制的工程設(shè)計(jì)多數(shù)仍然采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖建模方式（控制流程圖）.這對(duì)工業(yè)控制的不足表現(xiàn)在下面的兩個(gè)方面：1、難以進(jìn)行控制問題定義；2、難以實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合 第27頁，共39頁。271鋼卷小車控制程序設(shè)計(jì)思想U(xiǎn)se case（即我們說的用例模型），它可以把控制任務(wù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化化分。我們?cè)谶@次工程中，方案的制定和劃分就是用用例模型來實(shí)現(xiàn)的。手動(dòng)控制是控制任務(wù)中的最基本控制方式，是生產(chǎn)的基礎(chǔ)和自動(dòng)控制的前提。把所有的手動(dòng)控制按

13、順序連起來就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)，用例模型就是針對(duì)這種思路，把復(fù)雜的任務(wù)劃分開，使其具有清晰的結(jié)構(gòu)化。 第28頁，共39頁。281入口臺(tái)車操作控制用例模型 用例模型由二部分組成：用例圖和用例事件流說明。 用例圖以可視化形式說明控制主角和控制任務(wù)的關(guān)系。用例事件流則詳細(xì)描述控制主角和控制系統(tǒng)之間在控制過程中的交互行為。 第29頁，共39頁。291入口臺(tái)車操作控制用例模型第30頁，共39頁。301入口臺(tái)車操作控制用例模型FWD-HIGH用例說明用例名稱：高速前行FWD-HIGH；控制主角：ENTRY-OPR；用例概述：該用例用于描述使用操作按鈕“FWD-HIGH”（臺(tái)車高速前行）控制臺(tái)車前行的操作過程?！?/p>

14、FWD-HIGH”位于入口小車與開卷機(jī)操作臺(tái)（E-OP-01），屬于手動(dòng)操作按鈕。主事件流：ENTRY-OPR扳動(dòng)FWD-HIGH按鈕（輸入變量“PBL-ECC-FWD-high”on）；系統(tǒng)使臺(tái)車處于高速運(yùn)行狀態(tài)，具體動(dòng)作如下：置位輸出變量“L-ECC-FWD”（按鈕燈變量）為on。 第31頁，共39頁。311入口臺(tái)車操作控制用例模型檢查下列連鎖條件是否滿足：1、沒有急停；2、入口段液壓OK；3、輔機(jī)設(shè)備的一些正常狀態(tài)備選事件流：（1）臺(tái)車極限位停車當(dāng)臺(tái)車運(yùn)行到極限位（ECC- forward-end為on），系統(tǒng)立即使臺(tái)車結(jié)束運(yùn)行狀態(tài)，具體動(dòng)作如下：a、報(bào)警；b、置位輸出變量ECC-VM-

15、01（小車停止前行）；c、極限位置指示燈“PL-ECC-forward-end”為on。（2）Include“DCP”用例（指示燈顯示說明）。第32頁，共39頁。321入口臺(tái)車操作控制用例模型DCP用例說明用例名稱：提示臺(tái)車位置控制用例DCP；用例類型：抽象用例；用例概述：該用例用于說明系統(tǒng)提示臺(tái)車位置行為；事件流說明：1、系統(tǒng)提示臺(tái)車位于saddle1位置：當(dāng)臺(tái)車位于saddle1位置（ECC-no.1-position-limit），saddle1位置指示燈PL-ECC-no.1-position亮；2、系統(tǒng)提示臺(tái)車位于saddle2位置：當(dāng)臺(tái)車位于saddle2位置（ECC-no.2-p

16、osition-limit），saddle2位置指示燈PL-ECC-no.2-position亮；第33頁，共39頁。331入口臺(tái)車操作控制用例模型3、系統(tǒng)提示臺(tái)車位于saddle3位置：當(dāng)臺(tái)車位于saddle3位置（ECC-no.3-position-limit），saddle3位置指示燈PL-ECC-no.3-position亮。4、系統(tǒng)提示臺(tái)車位于height adjust位置；當(dāng)臺(tái)車位于height adjus位置(ECC-height-adjust-limit)，height adjust位指示燈PL-ECC-height-adjust-position亮。5、系統(tǒng)提示臺(tái)車位于IN-

17、LINE位置；當(dāng)臺(tái)車位于IN-LINE位置(ECC-in-line-limit)，in-line位置指示燈PL-ECC-in-line-position亮。6、系統(tǒng)提示臺(tái)車位于LINE-CENTER位置；當(dāng)臺(tái)車位于LINE-CENTER位置(ECC-center-limit)，line-center位置指示燈PL-ECC-center-position亮。第34頁，共39頁。341入口臺(tái)車操作控制用例模型 其它的用例說明與此相似，這里就不再贅述了，這樣把小車的控制情況經(jīng)過此種設(shè)計(jì)方法后，結(jié)構(gòu)清晰、思路明確、條件也會(huì)考慮周全。也便于和其他人的程序結(jié)合。由此可見，復(fù)雜的控制任務(wù)經(jīng)此分析后，變得清晰

18、了，這種結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法特別適合于這種大型的、復(fù)雜的工業(yè)控制。因?yàn)橐粋€(gè)大的控制系統(tǒng)，不可能由一個(gè)人來完成設(shè)計(jì)，可能是由多個(gè)人共同來完成，所以任務(wù)的劃分，必須明確合理，這樣最終合并后，才能是一個(gè)完整適用的用戶程序。上訴的這種用例模型圖，使控制任務(wù)明確化，而且它還體現(xiàn)了控制對(duì)象之間的連鎖條件，這樣編出來的控制程序才能準(zhǔn)確、適用、安全。且對(duì)用戶來說，特別便于維護(hù)。第35頁，共39頁。351入口臺(tái)車操作控制用例模型 一個(gè)復(fù)雜的工程要與很多部門交涉有一個(gè)統(tǒng)一的、合理的設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)圖是必需的。因?yàn)閷?duì)于復(fù)雜的工業(yè)控制要定期的現(xiàn)場(chǎng)交涉，合理統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化分是相當(dāng)關(guān)鍵的，本文的用例模型是后期工程順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。第36頁，共39頁。361結(jié)論（1）本文對(duì)鋼卷小車自動(dòng)定位APC提出了一種新的控制方法，采用模糊控制器對(duì)鋼卷由于重量不同而引起的慣性滑差進(jìn)行準(zhǔn)確修正，能夠解決軋鋼工業(yè)中關(guān)于類似的上料和卸料存在的定位不準(zhǔn)