板形模糊控制技術(shù)的發(fā)展

1、板形模糊控制技術(shù)的發(fā)展朱洪濤呂程劉相華王國棟馬文忠張文學(xué)摘要：簡(jiǎn)要介紹了模糊邏輯在板形控制中的應(yīng)用背景、研究狀況及發(fā)展，探討了板形模糊控制的策略，為提高板形控制精度提供了新的方案。關(guān)鍵詞：模糊邏輯；板形控制；新方案Development of fuzzy technology for shape controlZHU Hong-tao1,LU Cheng1,LIU Xiang-hua1,WANG Guo-dong1,MA Wen-zhong2，ZHANG Wen-xue2.(1.State Key Lab.of Rolling and Automation,Northeastern Unive

2、rsity,Shenyang 110006,China;2.Baoshan Iron & Steel(Group)Co.)Abstract:The application background,research progress and development of fuzzy logic in shape control are briefly introduced,and the shape control strategy is discussed.In order to improve precision of shape control,a new scheme is put

3、 forward.Key words:fuzzy logic;shape control;new scheme1前言為改善產(chǎn)品質(zhì)量及提高生產(chǎn)率，板形控制日益成為鋼鐵企業(yè)面臨的重要課題。板形受大量非線性因素，如軋輥原始凸度、彎輥力、軋制速度、溫度分布及來料缺陷等的影響。而且，軋制過程的動(dòng)態(tài)特性使控制中難以考慮所有影響因素，因此板形控制十分復(fù)雜。板形控制通常建立在基于數(shù)學(xué)模型的現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上，但其具有的復(fù)雜非線性使得難以建立精確的控制模型。當(dāng)模型不能很好完成控制工作時(shí)，操作者必須手工干預(yù)。操作者的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于板形控制的穩(wěn)定進(jìn)行及精度提高具有重要意義。隨著知識(shí)處理技術(shù)的發(fā)展，智能控制日益實(shí)用。在智能

4、控制中，無論是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還是模糊邏輯都是以實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)和操作者的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。近年來，模糊邏輯在板形控制中的應(yīng)用研究得到迅猛發(fā)展。2模糊控制的發(fā)展及在板形控制中的導(dǎo)入自1965年L.A.Zadeh提出模糊集合論以來，逐漸發(fā)展產(chǎn)生了模糊控制這一新型控制理論。1974年，Mamdani首先將模糊控制用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制。此后，模糊控制的發(fā)展主要經(jīng)歷了基本模糊控制、自組織模糊控制和智能模糊控制3個(gè)階段。隨著模糊控制技術(shù)的發(fā)展完善，板形模糊控制的研究日益受到重視。早期研究工作主要集中于一些常規(guī)控制方法不能獲得較好控制品質(zhì)的情況，如軋輥噴射冷卻模糊控制12；特殊形式軋機(jī)（森吉米爾軋機(jī)）的板形控制34。自

5、1995年以來，韓國科學(xué)與技術(shù)高等學(xué)院的Jong-Yeob Jung等人就普通六輥軋機(jī)的板形控制進(jìn)行了系列、詳細(xì)的研究，探討了利用模糊邏輯進(jìn)行六輥軋機(jī)板形控制的可行性，研究了對(duì)稱板形的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)控制特性。近來，Jong-Yeob Jung等已將模糊邏輯應(yīng)用于控制包括非對(duì)稱板形在內(nèi)的任意板形，取得了較大進(jìn)展56。我國對(duì)板形模糊控制的研究也進(jìn)行了一定程度的探討，但距國際先進(jìn)水平尚有一定差距。3模糊邏輯在板形控制中的應(yīng)用3.1六輥軋機(jī)板形模糊控制六輥軋機(jī)輥系由支撐輥、中間輥和工作輥組成。板形控制機(jī)構(gòu)為工作輥及中間輥彎輥。其板形控制系統(tǒng)采用4次多項(xiàng)式來描述板形：（1）式中，x為經(jīng)過正規(guī)化后沿板寬方向各

6、點(diǎn)距中心的距離（-1x1）；14為板形系數(shù)，可用最小二乘法獲得。為描述板形，引入板形參數(shù)14,非對(duì)稱板形參數(shù)對(duì)稱板形參數(shù)2=2+4、4=2/2+4/4。板形參數(shù)在模糊控制系統(tǒng)中作為輸入量。定義變量lamp和lamm,lamp=1+2(W/S側(cè)),lamm=-1+2（D/S側(cè)）。其中，lamp和lamm被用來計(jì)算非對(duì)稱板形彎輥加權(quán)因子，也作為輸入變量被引入系統(tǒng)。用對(duì)稱板形參數(shù)2和4進(jìn)行模糊推理，計(jì)算工作輥和中間輥的彎輥力（Fw和Fi）在這種情況下，彎輥力在W/S側(cè)和D/S側(cè)是相等的但是，控制任意板形時(shí)，僅用Fw和Fi控制具有明顯的缺陷。因此，采用2級(jí)模糊控制的方式：第1級(jí)用2和4計(jì)算對(duì)稱彎輥力，

7、第2級(jí)用lamp和lamm計(jì)算W/S側(cè)和D/S側(cè)加權(quán)彎輥力。圖1為對(duì)任意板形的模糊控制算法圖。圖1六輥軋機(jī)任意板形模糊控制算法圖第1級(jí)對(duì)稱板形控制，為提高精度和加速收斂，分粗調(diào)和精調(diào)2種方式。粗調(diào)控制時(shí)，輸入變量采用三角形隸屬度函數(shù)，論域?yàn)?7,7,語言變量包括LPB,PB,PM,PS,ZE,NS,NM,NB,LNB。精調(diào)控制也采用三角形隸屬度函數(shù)，語言變量為L(zhǎng)N,SN,ZE,SP,LP,論域采用-2,2。帶鋼對(duì)稱板形可分為“邊浪、中浪、W形浪、M形浪”。對(duì)每種板形，分別建立對(duì)應(yīng)于輸入變量2、4和輸出變量Fw、Fi的模糊控制規(guī)則。模糊控制系統(tǒng)對(duì)“邊浪”進(jìn)行控制時(shí)（粗調(diào)）的規(guī)則如下：如果2=LP

8、B,那么Fw=LPB,Fi=PB如果2=PB,那么Fw=PB,Fi=PM如果2=PM,4=PM,那么Fw=PM,Fi=PM如果2=PM,4=PS,那么Fw=PM,Fi=PS如果2=PM,4=ZE,那么Fw=PM,Fi=ZE如果2=PS,那么Fw=PS,Fi=ZE如果2=ZE,那么Fw=ZE,Fi=ZE進(jìn)行第2級(jí)非對(duì)稱板形控制時(shí)，輸入變量lamp和lamm的語言變量值為L(zhǎng)PA、SPA、ZEA、SNA、LNA；輸出變量wtp、wtm、itp和itm則包括PBA、PSA、ZRA、NSA、NBA5個(gè)語言變量。表1例示說明了2>0、4>0和1<0、3<0時(shí)計(jì)算彎輥加權(quán)因子（wtp

9、、wtm、itp和itm）的模糊控制規(guī)則。表1模糊推理規(guī)則規(guī)則lammlampwtmwtpitpitm1LPALPAPSAZRA-2LPASPAPSAZRA-3LPAZEAPSANSA-4LPASNAPBANSA-5LPALNAPBANBA-6SPASPAPSAZRA-7SPAZEAPSAZRA-8SPASNAPSANSA-9SPALNAPBANBA-對(duì)模糊控制算法進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，控制簡(jiǎn)單板形時(shí)，只需34步即可達(dá)目標(biāo)板形；控制復(fù)雜板形時(shí)，也只需811步；無論是靜態(tài)控制特性還是動(dòng)態(tài)控制特性均十分良好；通過控制W/S側(cè)和D/S側(cè)不同的彎輥，該算法能有效地控制任意板形。3.2模糊邏輯在軋

10、輥分段冷卻控制中的應(yīng)用實(shí)施冷卻液軋輥分段控制時(shí)，不僅要考慮板形偏差大小，還要依據(jù)板形偏差隨時(shí)間變化率及板寬方向的局部延伸，綜合地加以判斷。（1）板形偏差大小如果板形偏差為正，則噴射冷卻液使軋輥冷卻抑制膨脹，可減小板形偏差。如偏差為負(fù)，停止噴射冷卻液，軋輥因軋制產(chǎn)生熱膨脹，可減小板形偏差。（2）板形偏差隨時(shí)間變化率如果板形偏差變大，噴射冷卻液抑制其變化。板形偏差變小，停止噴射冷卻液。（3）板寬方向的局部延伸如果板形偏差呈局部性突出，在突出的部分噴射冷卻液抑制其突出。分段冷卻板形模糊控制如圖2所示。下面就分類、推理、評(píng)價(jià)分別說明。 圖2冷卻液噴射板形模糊控制結(jié)構(gòu)圖ANBi-Ai負(fù)大；ANSi-Ai

11、負(fù)?。籄ZOi-Ai為零；APSi-Ai正?。籄PBi-Ai正大；BNBi-Bi負(fù)大；BNSi-Bi負(fù)??；BZOi-Bi為零；BPSi-Bi正??；BPBi-Bi正大；CFi-形狀平；CSi-形狀凸??；CBi-形狀凸大所謂模糊化（模糊分類），就是把檢測(cè)到的信息轉(zhuǎn)換為模糊推理用知識(shí)，以便在推理部分利用熟練操作者的知識(shí)進(jìn)行推理。用板形儀檢測(cè)出的延伸率偏差進(jìn)行AiCi演算，見表2。符號(hào)t表示時(shí)間，x表示板寬方向的坐標(biāo)，i表示板形儀板寬方向的區(qū)域號(hào)。依據(jù)AiCi的值，根據(jù)圖2所示的隸屬度函數(shù)求解隸屬度。表2板形評(píng)價(jià)項(xiàng)目板形評(píng)價(jià)項(xiàng)目計(jì)算式板形偏差大小Ai=i板形偏差隨時(shí)間變化率Bi=Ai/t板寬方向的局部

12、延伸Ci=2Ai/X2推理，就是求解ai在正大（PB）、正小（PS）、零（ZE）、負(fù)小（NS）、負(fù)大（NB）上的隸屬度。模糊判決，就是用重心法求解計(jì)算冷卻液噴射程度，決定冷卻噴嘴的開關(guān)。冷卻液板形模糊控制已應(yīng)用于日本古河鋁工業(yè)株式會(huì)社福井廠的第2 FCM。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，采用模糊控制后，局部板形凸凹能減少一半，可實(shí)現(xiàn)高速軋制，生產(chǎn)率提高20%。3.3森吉米爾軋機(jī)板形模糊控制森吉米爾軋機(jī)板形調(diào)節(jié)通過第1中間輥橫移及AS-U輥調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行。因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非線性因素較強(qiáng)，現(xiàn)代控制理論難以建立理想的板形控制模型，進(jìn)行板形控制時(shí)需要人工干預(yù)。運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)建立的板形控制系統(tǒng)，如圖3所示。板

13、形檢測(cè)信號(hào)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)板形識(shí)別，分解為幾種基準(zhǔn)波形，并給出基準(zhǔn)波形的隸屬度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出實(shí)際上作為模糊推理的前件部。模糊控制部分依據(jù)規(guī)則進(jìn)行推理，給出各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作量。 圖3森吉米爾軋機(jī)板形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-模糊控制示意圖圖3示出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給出模式1的隸屬度最大，模式5的隸屬度為中值。模糊推理的結(jié)果，AS-U的2號(hào)輥調(diào)整，中間輥向外側(cè)串動(dòng)。然而，熟練操作者手工控制時(shí)，大多只對(duì)板形模式最具特性的部分進(jìn)行控制，圖3所示情況，通常只調(diào)整AS-U輥。3.4名古屋鋼鐵廠的冷軋板形模糊控制日本名古屋鋼鐵廠開發(fā)的冷軋板形模糊控制系統(tǒng)如圖4所示，用彎輥、壓下平衡和冷卻液噴射進(jìn)行板形控制。檢測(cè)出的板形用四階多項(xiàng)式

14、模擬，計(jì)算與目標(biāo)板形的偏差。為求出各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所分擔(dān)的控制目標(biāo)，進(jìn)行形狀分離；用響應(yīng)快的彎輥、壓下平衡調(diào)節(jié)一次、二次板形偏差；剩余高次板形偏差用響應(yīng)慢的冷卻液進(jìn)行控制。圖4新日鐵冷軋板形模糊控制結(jié)構(gòu)圖的對(duì)于彎輥控制，取板形偏差E為輸入，語言值取NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB7檔，彎輥控制量也取7檔；冷卻液的控制取板形偏差E和偏差變化率Ec為輸入量，冷卻噴射的開關(guān)為輸出量。這一系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行，控制效果良好。4結(jié)語近年來板形模糊控制技術(shù)的研究取得了較大進(jìn)展，主要研究工作活躍在日本及韓國。冷卻液噴射板形模糊控制和森吉米爾軋機(jī)板形模糊控制已得到實(shí)際應(yīng)用，效果良好。新日鐵名古屋鋼鐵廠的冷軋實(shí)現(xiàn)

15、了彎輥和冷卻液聯(lián)合模糊控制。普通軋機(jī)利用彎輥模糊控制手段控制任意板形雖已取得較大進(jìn)展，尚需得到進(jìn)一步的實(shí)踐檢驗(yàn)。綜合上述情況，表明板形模糊控制技術(shù)以及它與其它智能技術(shù)綜合地運(yùn)用，具有廣闊前景。作者簡(jiǎn)介：朱洪濤（1971），男（漢族）河北唐山人，博士（024）23906472作者單位：朱洪濤呂程劉相華王國棟東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室遼寧沈陽110006;馬文忠張文學(xué)寶山鋼鐵集團(tuán)公司熱軋廠上海201900參考文獻(xiàn)1堺俊夫.理論形狀制御J.日立評(píng)論.1989,71(8):103108.2片山恭記.新制御手法壓延適用J.鐵鋼,1993,79(3):5661.3服部哲.-應(yīng)用壓延機(jī)形狀制御J.日立評(píng)論,1991,73(8):2128.4中島正明.-口應(yīng)用計(jì)測(cè)制御計(jì)法壓延機(jī)形狀制御適用J.日立評(píng)論,1993,75(2):912.5Jong-Yeob Jung et al.Simulation of fuzzy shape control for cold-rolled strip with r