改进型Smith-Fuzzy PID参数自整定在热连轧机厚度系统中的应用

顾波，魏伟，曲永印

(1. 沈阳科技学院 信息与控制工程系， 辽宁 沈阳110000)(2. 北华大学 电气信息工程学院， 吉林 吉林132021)

改进型Smith-Fuzzy PID参数自整定在热连轧机厚度系统中的应用

顾波1，魏伟1，曲永印2

(1. 沈阳科技学院 信息与控制工程系， 辽宁 沈阳110000)(2. 北华大学 电气信息工程学院， 吉林 吉林132021)

热连轧机厚控系统具有高度非线性、时变性和纯滞后等特点，有研究者采用改进型Smith算法补偿了由于纯滞后而导致的带材厚度精度波动问题。本文针对参数的时变性再结合Fuzzy-PID参数自整定控制方式，即改进型Smith-Fuzzy PID参数自整定。仿真结果表明：其调节时间减小，稳定时间提前，既对纯滞后特性有较好的补偿作用，又对被控对象参数变化有较强的适应能力，其成果对有色冶金行业提高带材质量具有重要的实用价值。

改进型Smith；Fuzzy-PID参数自整定；时变性

0 前言

热连轧机厚控系统机理较复杂，具有高度非线性、时变性和纯滞后等特点，有研究者提出将预测外推数据处理[1]和改进型Smith预估控制算法[2]应用到热连轧机中，很大程度上解决了由于各种滞后时间引起的带材厚度精度波动问题。然而在噪声、负载扰动等因素的影响下系统过程参数，甚至模型结构均会发生变化，要获得满意的控制效果，本文在此基础上，再采用Fuzzy-PID参数自整定控制[3][4]，以克服轧机参数动态时变，达到进一步提高厚度精度的目标。

1 改进型Smith-Fuzzy PID参数自整定应用

1.1 Fuzzy-PID参数自整定

在热连轧机厚控过程中被控对象的负荷多变，干扰因素复杂，需要对PID参数不断的进行在线调整。有时由于参数的变化无常，往往没有确定的数学模型和规律可循，因此Fuzzy-PID参数自调整控制调节以实用、简便的优点使用在厚控系统中[5]。模糊控制器能充分利用操作人员进行实时非线性调节的实践操作经验，并彰显了PID控制器的优良控制功能，使整个系统达到最佳控制效果。

1.2 Fuzzy-PID参数自整定控制器设计

本文以厚度偏差Δh和偏差变化量Δhc作为模糊控制器的输入量[5]，以满足不同的Δh和Δhc对控制器参数的不同要求，根据模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数，再代入式(1)计算。

KP=kp+Δkp

KI=ki+Δki

(1)

KD=kd+Δkd

式中，kp、ki、kd为已整定的PID参数，而Δkp、Δki、Δkd为模糊控制器的3个输出，可根据被控对象的状态自动调整PID3个控制参数的取值。

(1)输入语言变量的模糊化。取厚度偏差Δh和偏差变化率Δhc的量化基本论域均为(-3，-2，-1，0，1，2，3)论域量化等级数均为R={1，2，3，4，5，6}；模糊语言变量值均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。厚度偏差Δh和偏差变化率Δhc模糊化后，经过隶属度函数赋值表建立隶属度函数。

(2)输出语言变量的模糊化。PID参数KP、KI、KD的校正量Δkp、Δki、Δkd为模糊控制器的输出语言变量，Δkp、ΔkiT和Δkd的模糊量化论域均为(-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3)；论域量化等级数均为R={-3，-2，-1，0，1，2，3}；Δkp、Δki和Δkd的模糊语言变量值均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。得Δkp、Δki、Δkd和模糊化后隶属度函数的赋值表，建立隶属度函数。

(3)模糊规则表与查询表。根据理论分析归纳出偏差Δh和偏差变化率Δhc跟PID控制器的3个参数KP、KI、KD之间的关系，并针对Δkp、Δki和Δkd 3个参数建立整定的模糊控制规则表，得到模糊条件语句，控制系统通过在线对模糊逻辑规则的结果进行处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自校正。

为了保证Fuzzy-PID参数自整定控制的有效性，本文利用常规PID控制与其做仿真对比，如图1所示。从而也能更深切的分析Fuzzy-PID参数自整定控制的性能。

图1 Fuzzy-PID参数自整定仿真

仿真结果表明，采用模糊PID参数自整定控制的波形曲线相对于常规PID控制，超调量从30%减小到7%，PID控制的曲线在8 s处出现过一次波动，模糊PID参数自整定控制的波形曲线从4.8 s已达到平稳状态，且不再有波动变化，即调节时间从8.8 s减小到4.8 s。

1.3 改进型Smith-Fuzzy PID参数自整定

从模糊控制原理上讲，它缺乏对具有较大纯滞后时间对象的控制能力，因此本文将Fuzzy-PID参数自整定引入前文研究的改进型Smith预估控制系统中，构成了改进型Smith-Fuzzy PID参数自整定控制系统，如图2所示。该系统同时完成两个功能，即在对时变系统控制的同时，也对滞后环节进行补偿。

图2 改进型Smith-Fuzzy PID参数自整定控制系统结构图

2 改进型Smith-Fuzzy PID参数自调整仿真结果分析

根据已知被控对象的传递函数[2][9]，建立其改进型Smith-Fuzzy PID参数自整定仿真模型，得到仿真结果如图3所示。

图3 改进型Smith-FuzzyPID参数自整定仿真

仿真结果表明，控制效果看似不如单独采用改进型Smith控制方式，但改进型Smith-Fuzzy参数自整定控制兼顾了Smith控制和Fuzzy控制的优点，调节时间减小，稳定时间提前，既对纯滞后特性有较好的补偿作用，又对被控对象参数变化有较强的适应能力。

3 结束语

本文通过对改进型Smith-Fuzzy PID参数自整定控制方式，对热连轧机负荷多变，干扰因素复杂的厚度系统进行在线实时控制，同时也能对滞后环节进行补偿。仿真结果表明此方法对厚控系统中提高厚度精度以及其动态和稳态性能有一定作用。对有色冶金行业提高带材质量具有重要的实用价值。

[1] 顾波，孙和平，李智敏.预测外推在热连轧机厚度系统中的应用[J].吉林林学院学报,2010(06):573-576.

[2] 顾波，魏伟，白晶.改进型Smith算法在热连轧机厚度系统中的应用研究[J].重型机械,2016(03):13-15.

[3] 王宜宾.热连轧带钢厚度智能控制系统研究[D].西安：西安建筑科技大学.2008.

[4] 舒畅.热连轧板带厚度神经网络预报模型及模糊控制方法研究[D].长沙：中南大学,2007.

[5] 王顺晃，舒迪前.智能控制系统及其应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[6] 邱碧涛.模糊PID控制器在轧机厚度控制系统的研究[D].武汉：武汉科技大学,2008.

[7] 张进之，马鹏翔.采用DAGC方法改进引进的厚度控制数学模型的研究及实践[J].冶金自动化,2008.32(5):42-45.

[8] 王建辉，顾树生.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社，2008.

[9] 王正林，孙一康. 带钢热连轧AGC系统实时仿真[J].北京科技大学学报,2006.28(2):171-174.

[10]Garber E A, Kozhe I A, Traino A I,et al. Novel methods for cold rolling process modeling, providing cold rolled strip quality improvement and continuous mill rolling speed increase[C]∥Proceedings of 2007 Second IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. Piscataway: IEEE,2007:2770-2774.

[11]Wang Guodong.Advantages andPotentials of E～2Strip-A Subversive Strip Casting Technology for Production of Electrical Steels[J],State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University; 2015.

Application and research of improved smith-fuzzy pid parameters self-adjustingin hot strip rolling mills gauge system

GU Bo1，WEI Wei1，QU Yong-Yin2

(1.Department of Information and Control Engineering ,Shenyang Institute of Science and Technology，Shenyang 110000,China;2.College of Electrical and Information Engineering，Beihua University, Jilin 132021, China )

The thickness control system of hot strip mill has the characteristics of high nonlinearity, time variation and pure time delay. The improved Smith algorithm is used to compensate the fluctuation of strip thickness due to the pure lag. In this paper, the time variation of parameters is combined with Fuzzy-PID parameter self-tuning control mode, that is, the improved Smith-Fuzzy PID parameter self-tuning. The simulation results shows that the adjustment time is reduced, and stable ahead of time, have a good compensation effect of time delay, and has a strong adaptability of changing parameter. Meanwhile, it has important practical value to improve the quality of the results of the strip non-ferrous metallurgical industry.

improved algorithm of Smith; Fuzzy-PID parameter self-tuning; time variation

2016-10-24；

2016-12-29

吉林省电力电子应用技术科技创新中心建设项目(吉科20090548)

顾波(1985-)，女，吉林省吉林市人，讲师，研究方向：电力电子与电力传动。

TM241

A

1001-196X(2017)00-0030-03