轧机液压APC系统自抗扰控制器设计.pdf
第 6 期 总 第 1 5 7 期 2 0 0 9年 1 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MEC HANI CAL ENGI NEERI NG AUTOMATI ON No. 6 De c . 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 9 0 6 0 1 2 0 0 3 轧机液压 AP C系统 自抗扰控制器设计 郭香云 ,张瑞成 ,陈至坤 ,镇 维 河北理 工大 学 计算机与 自动控制学院,河北 唐 山0 6 3 0 0 9 摘要 考虑到液压 自动位置控制 A P C 系统存 在不确定外部干扰 的特点 , 首先建立了液 压 AP C系统的模型 , 然 后根 据对 象的输入输出信息 , 利用扩张状态观测器 E S O 对扰动项进行 了观测和补偿, 并基于 自抗扰控制技术 设计了一个不依赖于对象模 型的控制器 。 仿真结果表明 该控制器不仅有效地抑制 了不确定外部干扰对 系统的 影响 ,同时对受控对象模型参数的变化也具有 较强 的鲁棒性 。 关键词 液压 AP C;扩张状态观测器 E S O ; 自抗扰控制器 ;仿真 中图 分 类 号 TP2 7 1 . 3 1 TG3 3 3 . 1 文 献 标 识 码 A 0 引 言 随着现代化生产的发展和科学技术 的进步,使得 现 代化 轧 机上 的 AP C 自动位 置控 制 系统 也 由 电动 AP C发展到 液压 AP C。 液 压 A P C具有 响应速 度快 、 控 制系统分辨率高等优点,成为冷连轧现代化的一个重 要标 志 。 AP C和 A GC 带 钢厚度控 制 是相互联 系 、 相 辅相成的。 AG C发出控制信号后 , 最终还是靠 AP C来 达到调节辊缝的目的, 因此, AG C系统能否顺利投用 , 关 键在 AP C系统 能 否正常稳 定地 工作 。所 以对 A P C 进行研 究具有 重要 的理 论 和实际意义 。 板 带材 的轧制过 程是一个 复杂 的非 线性过 程 ,在 轧制 过程 中 ,存在 的未知外 干扰会对 位置 内环 的控 制 指标 产生影 响 , 而且 实际 系统 模型并 不能精 确得到 。 针 对以上问题 ,用扩张状态观测器 E S O 来观测外界扰 动及 模型参 数 的不 确定项 。仿真研 究表 明 ,基 于 自抗 扰控制技术的控制方案不仅调节时间短、 控制精度高 , 而且 还增 加 了 AP C系统 的抗 干扰 性 和对 系统 参 数 变 化的鲁棒 性 。 自抗扰控 制是韩 京清研究 员及其 合作 者 经过 十几年 的研究 提出的一 种非线性 控制律 ,该方 法 使控制系统在稳定性和鲁棒性方面都有显著提高 ,并 且得 到 了广 泛的应 用 J 。 1 液压 AP C系统的数 学模型 图 1 为液 压 AP C系统结构框 图。 分 析图 1中各环 节 可得到 系统开环 传递 函数【 6 ] r、 K d K A b f Kc K 一 茸 。 Ⅲ ∞ [ 1 J sv uJ r ∞ { O0 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 其 中 K 为伺服放 大系数 ;K 为伺服 阀 的流量增益 , r l l 。 / A S ; A 为 液压缸 活塞 的有效 面积 , r r l 。 ; K 为 总的流 量压力 系数 ,1T I 。 / P a S ;K 为负 载运动 时的 弹性刚度 ,N/ m; 为伺服阀的等效固有频率,r a d / S ; 为伺服阀的等效阻尼比; ra J r 为一阶环节转折频率, r a d / s ; 。 为综合 固有 频率 ,r a d / s ; 为综合 阻尼 比。 图 1液压 AP C 系统 结构 框 图 该 系统 的数 学模型 为一个 五 阶模 型 , 阶数过高 , 使 得系统分析起来 比较困难,需要降低系统的阶数。在 实 际系统 当中 ,由于 c U 。 远远 小于 ,而 又远远 小 于 , ,可 以将系统 简化 为三 阶的形式 ,简化后 的数学 模型 为 G㈤一 ~。⋯⋯⋯ 2 竺 5 1 1 2 A P C系统的 自抗扰 控制器 设计 由于多种因素的影响,液压缸位置系统 的参数容 易 发生变化 。例 如 在 实际轧 制过 程 中,由于金相 组 *唐 山市科学技术研究与发展计划资助项 目 0 7 1 6 0 2 0 2 B 8 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 1 4 作者简介郭 香云 1 9 5 1 , 女 , 河北唐 山人 , 教授 , 本科 , 主要研究方向 电工电子技术 、 自动控制理论及其在轧钢 自动化 中的应用 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9 年 第 6 期 郭香云 ,等轧机液压 AP C 系统 自抗扰控制器设计 1 2 1 织及温度不均匀等原因导致轧件负载刚度 K经常发 生 变化 , 直接 引起 液压缸 固有频率 ∞ o 以及 转折频率 60 值 的变化 。另外板 带的轧 制过程是一个 复杂 的非 线性 过 程 , 采用 常规 P I D控制 往往不能 获得满意 的控 制效 果 。本文根据 液压伺服 系统高速 、高精度 的特点 ,提 出一种 自抗扰控制算法。 带 自抗扰控 制器 的 AP C系统 结构见 图 2 。 图 2 液压 AP C自抗扰控制系统结构图 由式 2 并考 虑 扰 动输 入 U , 则 被控 对 象 数学 模 型可 以变为 一一 2 60 一 . 2 60 60 一 ∞ K p 60 60 Au一“ 1 。 ⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 其 中 K呻 一K A / K f K 。 令 1, 1 一 , z 2 , _ 1, 3 一 , d 1 一 6 0 , . d 2 船2 2 & k , 日 3 2 & 60 , , 6 一K。 , “则式 3 变为 f 一z, 1 . 2 3 。 ⋯ 4 I 3 一--a 1 3 - 1 一d 2 2 一以 3 3 b “ 一 1 A P C系统在运行 时存在 多种扰动 , 这 些扰动都会 影 响到系统的性能 ,因此在设计 控制系统 时要将这些 扰动 因素考虑进去 ,以便对其进 行补偿控 制 。这里 主 要考 虑外负载 力 F 和 系统 的参 数摄动 ,可以将 A P C 系统 的状 态空间方 程写成如下形 式 一 A A .r B, A B u 十厂 F 。 ⋯ ⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 “ -A m一 『 0。1 0A 0 ] 一B 0 f F 一 一 j 0 1 I; l l; p 一 h - . 】一“ 2一“ 3 _ 6 J E o , 0 , K 2 c U F ] r ; / X A、 A B为系统参数的变化。 令 F 一△ 十△ Bz , f F . 则 式 5 可 以 改写 为 JT 十B, “ F 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 6 将参数 带入式 6 , 可以得到在 存在扰动 的情 况下 A P C系统 的状 态方程 f ; 1 I .r 2 2 一 3 。 ⋯ ⋯ 7 I 3 --t l 1 1 -- l 2 .76 2 --6 1 3 z 3 十b u F 2 其中 F 2 一△ d 1 . r l A a 2 r 2 十丛 口 3 .r 3 b F 。 图 2中控制系统各 部分 的表 达式如下 1 跟 踪微 分器 图 2中 T D是一 个三阶 的跟 踪微 分器 .负 责安排 给定的位置信号的过渡过程。对它给定一个输入信号 。 ,将输出 3个信号 t , 、 。 和 。 , 其中V 跟踪 , 2 一 V ’ ,V 。 一 。跟踪微分器 的表达式 为 f 1 2 I . 1 2 3 一 。 } 。 一 sa t V 1 -- V 0 -- 誊 J4 [ √ ] , ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 8 其 中 5 一 s ig n z ; 以 一 5 ‘ z 雾 ; r 为 跟 踪 参 数 ; r h , h为控 制参 数 ; 线 性饱 和 函数 s a t 的表 达式的具体形式及参数取值见文献[ 7 ] 。 2 扩张状态 观测器 图 2中 E S O是一 个 四阶扩张状态 观测器 , 是 自抗 扰控制 器的核心环节 , 它 的功能是 跟踪对象输 出 , 并 观测对 象 的各 阶状态变量 和对 象总扰 动的实时作 用量 口 f 。它 的数 学表达式 为 f 。 一 1 ~ l 1 2 一/ 3 。 1 f a l n 。 & 。 1 , d 0 2 一 3 一』 9 0 2 f a l o , d 。 2 , d 。 。 ⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯ 9 I 3 2 4 一 0 3 f a l P o , d 。 3 . d 。 l 4 一一 f a l o , n ⋯ 其 中 。 为误 差项 ; , , , 为观测器 的增益 参数 ; a ⋯ “ d a 。 为 f a l 函数 中的非线性 因子 ; d 。 为 f a l 函数的参数; f a l 函数是一种非常有用的“ 非线性 组合”形式,其表达式的具体形式及参数取值见文献 [ 7 ] 。 扩 张状态 观测器 E S O 对应的有 4 个输 出量 。 其 中, 跟踪系统 的输 出 , 跟踪系统输 出的一 阶导数 , 。 跟踪系统输 出的二 阶导数 。这 3个输出信 号同时又作 为控制器的反馈信号 ; 跟踪 a f . 并直接被引到控制 器的输 出端 ,用于对综合扰 动项进行前馈补偿 。 3 构造非 线性反馈 非 线性反馈 , 也就是非 线性状 态误差反馈控 制器 , 它 的控 制方程为 一 一 1 0 I 3 3 一 3 I U O l f a l e 】 , & 】 】 , d 】 1 。 f a l . n 】 2 , d 】 j l 3 f a l e 。 , d l 3 . d 】 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 0 其 中 。 , 。 为非线性 控制器 的增 益 ; , , 。 为式 1 0 定 义的误差项 ; , “ “ 为 f a l 函数 中的非 线性 因子 ; d 为 f a l 函数的参数 , 参数 取值 见文献[ 7 ] 。 由 T D、E S 0 以及非线 性反馈 控制 律 3 部 分构成 的 自抗扰 控制器 的总输 出为 它的表 示式 为 一 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 11 “一 一。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ l l J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 9年 第 6期 其 中 U 。 为非线 性控制 律的输 出 ,其表 达式如 式 1 O 所示 。 3系统仿真 及结果分 析 为 了验证 所设 计控 制 系统 对轧 机 液 压 A P C系统 的控 制效果 ,对某 厂 1 2 7 0 mm四辊 轧机 液压 AP C 系 统 进 行 了 仿 真 研 究 , 各 参 数 值 为 K 7 1 0 r r l 。 / A S ,A 一0 . 5 r n 。 ,K 2 . 4 1 0 m。 / P a s ,K一5 1 0 。 N/ m,O J s 一5 0 r a d / s , 一0 . 2, 叫 , 一0 . 1 0 5 r a d / s 。代入式 2 可得到系统的传递 函数 0 . 0 0 3 8 s 。 0 . 07 6 4 s 十 9 .5 28 s 1 。 3 . 1 快 速 性 在 自抗 扰 控 制 系 统 中 ,扩 张状 态 观 测 器 的 增 益 1 8 0 0 , 。 2 1 0 0 0 , 。 。 一1 0 0 0 , 一1 0 0 0 ,非 线 性 P D控制 器 的增 益 一1 0 0 0 , 一5 0 0 , 一1 0 0 ; 而 在 P I D控制系统 中, K 一1 5 O , T 一1 0 。 则 自抗扰控制 器和 P I D控制器的单位阶跃响应 曲线见图 3 。由图 3 中可以看 出 ,自抗扰控 制 系统 响应 特性 良好 。 3 . 2抗 干扰 性 ’ 在 f 一4 S时给 系统 加入 负载扰 动F 一1 . 5 1 0 。 6 1 0 s i n 3 t N,P I D和 自抗 扰控 制下 系统 的变 化情 况 见 图 4 。从 图 4中可 以看 出 自抗扰 控 制器 的输 出波 动明显小 于 P I D 的输 出波 动 。因此 ,自抗扰控 制器在 抗 干扰性 方面优 于 P I D。 囤 3 自抗 扰 和 P I D控 制 的 阶跃 响 应 曲线 3 . 3 鲁棒性 在实 际的轧制过 程中 , 由于金 相组织 、温 度不均 匀 等原 因会 导致轧件 负载 刚度 K 值 发生 变化 , 直接 引 起 一 阶环 节 的转折频 率 以及 液 压缸 固有 频率 。 值 的变化 ,从而 影响 到系统 的稳 定运行 。当负 载刚度 由5 1 0 。 N/ m变为3 l O 。 N/ m时 , 在控 制器参 数不 变 的条件下 , 将 P I D与 自抗扰控制器的阶跃响应曲线进 行 比较 , 见图 5 。 从 图 5中可以看 出 当对象模 型发 生 变化时,自抗扰控制系统的阶跃响应超调小 ,过渡平 稳 ;而 P I D的 阶跃 响应超 调较 大 ,有振 荡 。 4结论 针对 自动位 置 控制 系统 存 在未 知外 部 扰动 问题 , 运用扩张状态观测器 E S O 对系统的综合扰动项进行 观测, 该观测器不需要系统精确的数学模型即能实现 对 系 统 外 扰 很 好 的 观 测 。利 用 自抗 扰 控 制 技 术 AD R C 设计 了一种 新型 的控制器 , 仿 真结 果表 明 , 该 控制器对外界扰动和系统模型的参数变化具有很好的 鲁棒 性 ,而且调 节时 间短 、超 调量小 。 图 4 突 加 负 载 扰 动 时 自抗扰 控 制 和 P I D控 制 效 果 对 比 图 5 对象模型变化下 自抗 扰控 制和 P I D 阶跃响应 参考 文献 [ 1 ] 黄 一 , 张文 革. 自抗 扰控 制器 的发 展 [ J ] . 控 制理 论与应 用 , 2 0 0 2, 1 9 4 4 8 5 4 9 2 . [ 2 ] H u a n g Y i , Ha n J i n g q i n g . An a l y s i s a n d d e s i g n t h e s e c o n d o r d e r n o n l i n e a r c o n t i n u o u s e x t e n d e d s t a t e s o b s e r v e r [ J ] . Ch i n e s e S c i e n c e Bu l l e t i n, 2 0 0 0 , 4 5 2 1 1 9 3 8 1 9 4 4 . [ 3 ] 张瑞成 , 童朝 南. 轧机 主传动 系统 自抗扰控制器设计与应 用[ J ] . 控制理论与应用 , 2 0 0 5 , 2 2 6 1 0 0 5 1 0 0 9 . [ 4 ] 连家创 , 刘宏 民. 板厚板形控制[ M] . 北京 兵器工业 出版 社 , 1 9 9 6 . [ 5 ] 张建功. 液压 A GC系统的控制算法研究[ D] . 沈阳 东北 大学 , 2 0 0 5 4 2 4 4 . [ 6 ] 付兴建 , 童朝南. 冷连轧机液压系统的 Ho o 混合灵敏度鲁 棒控制器设计[ J j . 液压与气动 , 2 0 0 5 5 2 4 2 6 . [ 7 ] 韩京 清. 从 P I D技术 到“ 自抗扰控制” 技术 [ J ] . 控 制工程, 2 0 0 2, 9 3 1 3 1 8 . 英 文摘要转 第 1 2 5页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 第 6期 机 械 工 程 与 自 动 化 1 2 5 馈 ,由主程 序和 中断 服务程序组 成 。在 主程序 中主要 进行 系统初 始化 、取 R OM 中预设值 、开 中断和看 门 狗, 然后以循环方式定时进行 P I 转速闭环调节、 存取 R 0M 参数和故 障处理等 ; 中断程序 为定 时 中断 , 主要 进行 看门狗置数 、电流检测 、转速检测 、与上位机 通 信、P WM 计算及输出和故障检测等。 5 系统的抗干扰设 计 在行驶过程 中, 由于电动车的控制 系统容易受外界 强 电磁波及车内电气设备 工作过程 中产生的电磁干扰 , 会影响其正常工作 。 因此在设计时必须考 虑到各种影响 其正常工作的因素 , 并采取相应 的对策 ,以确保 系统正 常工作 。电动汽车控制系统 的影 响因素是 多方面的 , 如 何进行系统的抗干扰性设计以保证整个系统可靠、 稳定 地工作 ,是整个设计过程 中非常重要的 内容 。 5 . 1板 极 空 间抗 干 扰 措 施 板极空间干扰主要是由 P WM 信号、电动机、传 输导线 等部件在大 幅度 电流脉 冲状态下工作 所产生 的 电磁辐 射干扰 。 对 I GB T管 、 继 电器和 电机 等要有 良好 的吸 收回路 ;对 电源 内电源 采用滤波 等措 施 以提 供 稳定 的电压和减小传 导干扰 ;对 接地 系统 ,尽量将模 拟地 、数字地 、电源 地和屏蔽地 等各 自分 开走 , 自成 系统 , 然后汇集 到一个公共 接地点 。 栅极驱 动的 P WM 线离 I G B T 管要近 , 板上 的其他布线 要按规范进行 ; 单 片机 系统应 选用频率 较低 的晶振 ; I C器件尽 量直接 焊 在 电路 板上 ,减少接 触电感等 。 5 . 2 系统软 件抗 干扰 设计 外界 干扰 源不仅对硬件工作产生影响 , 而且常常使 系统软件 的运行发生混乱 , 因此软件抗干扰设计也是很 重要的一项内容。当系统受到干扰时, 可能会使单片机 状态寄存器 内容和 P C值发生变化 , 导致程序进入死循 环或破坏数据区的内容。 因此对程序运行失控的对策是 采用软件及时发现、及时引导程序 P C指向正确的位 置 , 或让系统进行复位操作从程序寄存器 0 x 0 0 h处重新 开始运行 。 要 实现上述功能 , 采取 的措施是正确设 置监 视跟踪定 时器 WD T 和设置软件陷阱 ] 。 6结束语 采用 P I C1 6 F 7 1 6 作 为 电动车 电 机控 制 器 主控 芯 片 ,在实现其 各种功 能的基础上 很好地保证 了运 行 的 稳定性和可靠性 。 所设计的控制系统具有结构简洁、 功 能 实用 、性价 比高等 优点 。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈清泉. 环境保护和电动车 的开发[ J ] . 江苏 机械 制造 与 自动化 , 2 0 0 0 1 3 - 7 . 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De s i g n 0 f Pe r m a ne nt M a g ne t DC M o t o r Co nt r o l S y s t e m Ba s e d O n M i c r o pr o c e s s o r s f o r El e c t r i c Vc h i c l e R AN Zhe n y a, CH EN Fa ng - h ui , W ANG Re n z hi , ZH ANG Ya n s ha n Co l l e g e o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y,Ch on g q i n g 4 0 0 0 3 0, Ch i n a Ab s t r a c t Thi s ar t i c l e i nt r o d uc e s t he d e s i g n o f s of t wa r e a nd ha r dwa r e of p e r man e nt mag n et b r u s hl e s s DC mo t or c on t r o l s ys t e m f o r e l e c t r i c v e hi c l e s .The s ys t e m us e s HT4 8 RS O A一 1 a nd PI C1 6 F7 1 6 a s t h e up pe r a nd l o we r ma c h i n e s r e s p e c t i v e l y .Th e up p e r ma c hi ne ma i nl y r e a l i z e s h uma n ma c hi ne i nt e r a c t i on. Th e l owe r ma c hi n e wi t h t h e f u nc t i o ns of ov e r c ur r e nt de t e c t i on, o ve r v o l t a g e a n d un de r v o l t a g e d e t e c t i o n a n d s t a l l p r o t e c t i o n i s u s e d t o c o n t r o l t h e mo t o r mo t i o n . Th e t wo mi c r o D r o c e s s o r s c o mma n i c a t e b v I / O. Th e s y s t e m r e g u l a t e s t h e v e l o c i t y o f DC mo t o r b y u s e o f I GB T b a s e d p u l s e wi d t h mo d u l a t e d PW M c o n t r o l t e c h n i q u e .At l a s t.i t i nt r od uc e s t he a nt i i nt e r f e r en c e de s i g n o f t he c ont r o l s y s t e m. Ke y wo r d s c on t r o l s y s t e m ;DC mo t or ; M CU ,m ’● ,ll m,’ ,’ ,,,l ll, ’●l ll ,, ,’,’ , ,Il, l ,ll ,,l l b,l l,, , I ml l,’ ’’ ’.1l ,,, ’ 上 接第 1 2 2页 De s i g n 0 f Ac t i v e Di s t u r b a n c e Re j e c t i o n C o n t r o l l e r f o r t h e Ro l l i n g M i l l Hy dr a u l i c APC S y s t e m GUO Xi an g y un, ZHANG Ru i c h e ng, CHEN Zhi k un.ZHEN W c i C o l l e g e o f Co mp u t e r a n d Au t o ma t i c Co nt r o 1 . He b e i Po l y t e c h n i c Un i v e r s i t y. Ta n g s h a n 0 6 3 0 0 9, Ch i n a Abs t r a c t Co n s i de r i n g un c e r t a i n e xt e r na l di s t u r b a nc e, t he mod e l of a h ydr a ul i c a u t o ma t i c p o s i t i o n c on t r o l APC s v s t e m i s e s t a bl i s he d. The n,ac c o r d i n g t o t he i n f or ma t i on of i n pu t a nd ou t put ,us i ng e xt e nd e d s t a t e s o bs e r v e r ESO,a ne we r ob s e r v e r i s p r o p o s e d t o o b s e r v e a n d c o mp e n s a t e t h e i n t e g r a t e d d i s t u r b a n c e , a n d a c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d b a s e d o n a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o nt r ol ADRC . Thi s c o nt r o l l e r ha s ve r y s t r on g r o bus t n e s s no t o nl y t o e x t e r na l di s t ur b a nc e, b ut a l s o t o u np r e di c t a bl e pl a nt p ar a me t er v ar i a t i o n s. Ke y wo r d sh y d r a u l i c a u t o ma t i c p o s i t i o n c o n t r o l ;ES O;a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l l e r ;s i mu l a t io n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m