Fuzzy-PI控制器在100 m钢轨同步吊运系统上的应用

田 海 王晓红 耿军令

(1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古014010；2.包头钢铁(集团)公司，内蒙古014010)

Fuzzy-PI控制器在100m钢轨同步吊运系统上的应用

田 海1王晓红1耿军令2

(1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古014010；2.包头钢铁(集团)公司，内蒙古014010)

针对“并车”吊运100 m钢轨时，要求两车的各运行机构严格同步，提出了一种基于PLC的复合模糊PID控制算法。其中模糊控制器和PI调节器都是通过PLC编程来实现，这样既保留了PLC控制系统灵活、可靠、抗干扰能力强的特点，同时增强了控制系统的动态响应速度和智能化程度。实践结果表明：该系统同步控制精度高、适应性好、抗干扰能力强、鲁棒性好。

控制网络；模糊控制；PID；PLC；同步控制

随着我国高速铁路建设的快速发展，对100 m高速钢轨的需求越来越大，而100 m钢轨的吊运也越来越重要。对于这些超长工件的吊装，现有的单车无法进行起吊工作，需要两台吊车并车同步吊运。这就要求开发和研制出安全性好、动态响应快和同步控制精度高的百米钢轨双起重机。轨梁厂内轧制的成品100 m钢轨通过滚道运输到100 m钢轨生产线末端台架上，由于轨钢太长，需要两台磁盘吊车(起重机)联合并车完成吊装和运输的任务。在“并车”运行时，两台吊车配合操作将成组重轨从台架上吊运到成品库进行堆垛存放，或由成品库吊运到火车上，在吊运成熟的条件下，也可直接从钢轨生产线台架上进行装车。在堆垛和装车的吊运过程中，为了避免100 m钢轨损伤、变形和掉钢事故的发生，要求两台磁盘吊车的大车机构、小车机构，起升机构必须严格同步运行，同时还要保证“并车”系统要有较高的作业效率、操作精度和快速实时的动态响应。这些都对两台磁盘吊车“并车”的电气控制系统、控制方式及软件设计提出了较高的要求。

1 并车同步控制系统的组成

1.1并车电气传动系统

两台桥式起重机的并车结构如图1所示。

1.2并车控制网络系统及硬件组态结构

在起重机并车电控系统中，采用PROFIBUS现场总线连接西门子S7系列PLC控制系统，用PROFIBUS总线系统将两CPU以及CPU和各自I/O、变频器，激光测距仪，编码器等从站连接在一起，实现对并车相关设备的控制。同时，考虑到两桥式起重机既可单车运行，又可并车运行，且操纵方式完全相同，故两车控制系统之间的通信采用无线通信。两车的通信协议选取FDL(Field bus Data Link)PROFIBUS通讯方式，它是一种非常方便的PLC-PLC之间的数据通讯方式，支持SDA(Send Data with Acknowledge)数据发送应答功能，从而保证联动信号的有效传递。PROFIBUS-FDL通讯方式具有速率快、传送距离长的特点，在数据传输速率最大为12M位/s情况，单段总线长度可达到100m，完全满足两套电控系统间总线长度的工况要求。由PROFIBUS(FDL规范)总线连接起来的两套控制系统处于平等地位，没有主从关系，即采用的是主站与主站之间的通信方式。其并车PROFIBUS现场总线网络硬件组态如图2所示。

1—可编程控制器(PLC)型号CPU315系列模块 2—无线数传电台模块 3—大车运行轨道 4—大车变频器 5—小车变频器 6—起升1#变频器 7—起升2#变频器 8—司机室远程输入模块(远程I/O)，型号IM351模块 9—起升1#编码器 10—起升2#编码器 11—小车激光测距仪 12—大车激光测距仪 13—起升激光测距仪

图2 桥式起重机并车PROFIBUS网络系统Figure 2 PROFIBUS network system for bridge cranes parallel operation

两桥机的SIMATIC300(1)主站、SIMATIC300(2)主站通过CP342-5通讯处理器接口连接无线数传电台连接成FDL网。操作桥机时需要选择好每台桥机操作台上的“联动/单动”及“主动/从动”方式选择开关。在两台桥机并车“单动”方式下，可单独在每台桥机各自的操作台上控制本台桥机，此方式仅在并车运行前调整两台桥机小车与起升机构的相对零位时使用。而在两台桥机并车“联动”方式下，每台桥机均能充当主动桥机，但两台桥机中只能一台作为主动桥机，一台作为从动桥机，在此方式下可在主动桥机的操作台上同时成组控制两台桥机各机构的起停运行。两桥机并车联动运行时，在主动桥机上的控制操作指令数据除在本桥机的PROFIBUS现场总线系统设备内传送外，还要通过主动桥机的SIMATIC300主站由FDL网络将数据包发送给从动桥机的SIMATIC300主站，再由从动桥机的SIMATIC300主站进行处理后通过从动桥机的PROFIBUS现场总线系统将控制操作指令数据传送给从动桥机的各个从站，使从动桥机的各运行机构按主动桥机的同一指令起停运行。同时从动桥机的SIMATIC300主站将从动桥机主起升的起升高度、速度与小车运行速度数据通过FDL网络将数据包发送给主动桥机的SIMATIC300主站，与主动桥机的主起升的起升高度、速度与小车运行速度比较进行Fuzzy-PID调节，以实现主动桥机与从动桥机的大车、小车与主起升机构同步运行。

1.3并车通信方式的选取

对于100m钢轨这样超长工件的吊装，由于2台起重机桥架距离较大(达35m)无法进行2台起重机的刚性连接，也很难进行通讯电缆的铺设，无法实施短距离的并车系统，只能采用远程无线并车控制系统来控制2台起重机的并车运行。

无线通讯方案的选取：(1)无线profibus从站方案：成本较高，可选择种类少，使用时需要硬件组态，它在有线网络中与本地网络之间的速率可达12Mbit/s，不影响本地网络的通讯，但无线从站之间的空中速率仅为2400bit/s，故无法满足并车同步数据传输控制的要求。(2)无线工业以太网方案：无线工业以太网采用类似移动通讯的手段，在一定距离内建立多个基站，形成小范围无线蜂窝网络，具有通讯速率高(可达10Mbit/s)的优点，需要硬件组态，若大车运行距离较远就需多个基站传递数据，技术上可满足要求。但其成本高、技术复杂、不易维护，故不采用。(3)无线数传电台方案：成本低、建立迅速，可选择种类很多。其通讯速率也满足设备同步运行时所需大量数据传输的要求，同时方便地面监控站的建立。在并车控制系统中，接口采用无线数传电台进行起重机间的高速网络连接，该方案可以完全满足控制要求。

2 并车同步系统的控制策略

在吊运100m钢轨并车同步控制系统中，核心为大车、小车、起升机构的同步。由于系统的控制机构比较复杂，控制的精度要求比较高，这对系统的安全性和可靠性提出了比较高的要求。对于单纯采用PID闭环网络控制的PLC“并车”系统，在实际运行过程中发现，在系统启制动和换档的加减速过程中，两台车的同步性较差，控制的超调量大，调节的时间长，控制的效果不理想。为了进一步提高“并车”系统各机构的同步运行的动态响应和控制精度，闭环控制器采用了FUZZY-PI控制器。通常的二维模糊控制器具有良好的动态性能、鲁棒性强、对参数变化及外界干扰具有良好的适应能力等优点，但缺点是稳态误差无法消除，在工作点附近容易产生极限振荡。由线性控制理论可知，积分控制的作用能消除稳态误差，但动态响应慢。因此将PI控制策略引入FUZZY控制器，构成FUZZY-PI复合控制方式。其主要控制策略是：两车相应机构位移偏差(设定一个阀值)较大时采用模糊控制，进行大范围的调节，以加快响应速度；位移偏差较小，进入稳态过程时，由PLC根据程序判断切换到PI控制器，消除静差，提高控制的精度。同时，两种控制方法的结构都相对简单。因此从工程应用的角度分析，FUZZY-PI控制器复合应用的方法具有良好的实用性。控制切换时机由PLC程序根据事先给定的偏差范围自动实现。

并车同步FUZZY-PI控制系统如图3所示。图中PI为常规比例积分调节器，FUZZY为模糊控制器，二者由控制算法切换开关转换。PI调节器和模糊控制器均通过PLC编程来实现，这样可明显的提高系统的可靠性，获得良好的控制效果。

图3 FUZZY-PI复合控制系统原理图Figure 3 Schematic diagram of FUZZY-PI compound control system

该“并车”同步系统的各机构的位移同步控制均以主动车相应机构的位置作为跟随目标，采取主、从控制的闭环跟随方式。主、从机构在某个档位速度下“并车”运行时，该档位对应的固定频率已经以主给定的方式同时加到主、从机构的两台变频器上；相应的FUZZY-PI控制器构造于主动车的PLC系统内，通过PI调节器或模糊控制器输出的转速补偿量以附加给定的方式加到从动机构的变频器上，对其速度进行调整来达到主、从机构位移同步的效果，速度调节为基本控制方式，位移同步控制通过速度调节来实现。

对于主起升机构，由于吊具的两个吊点相距较远，每台桥式起重机有两套独立的起升机构，在对“并车”系统的主起升机构进行位移同步控制时，以主动车(可以通过地面监控站任选)上的一个起升机构位移作为跟随目标，其它三个起升机构作为从动机构要通过各自的FUZZY-PI控制器的输出值施加转速补偿量进行位置同步跟随。大车机构和小车机构的同步控制与主起升机构的控制原理相同，但大车机构的同步位移效果是保持大车的间距为30m。

3 并车FUZZY-PI控制器的PLC构造方法

3.1并车同步PLC模糊控制器的设计

图4为PLC模糊控制器的结构图。图中e为偏差，是指主车与从车给定值与实际值的差值，主车起升与从车起升的给定误差值与实际误差值的差值，主车小车与从车小车给定误差值与实际误差值的差值。ec为偏差的变化率；r为输入量；y为输出量；Ke、Kec分别为偏差和偏差的变化率的量化因子；Ku为输出量化；E、ΔE为量化后的输入值；U为模糊控制的输出量；u为控制量。

根据控制的目标及经验，设定E、ΔE、U的模糊论域及模糊词集，并可得出如下控制规则：IFEisxANDΔEisyTHENUisz。式中，x、y、z分别为、输入、输出量模糊词集中的元素。将输入、输出模糊控制论域都量化设定为7档：{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，且令它们的模糊词集同为{NB,NM,NS,0，PS,PM,PB}，隶属度函数取三角形隶属函数，通过隶属函数可方便地求得输入语言的赋值表。利用输入语言的变量的赋值及模糊控制规则，通过合成推理，可得一个模糊控制查询表，见表1。

图4 PLC模糊控制器的结构图Figure 4 Structure chart of PLC ambiguous controller

表1 模糊控制查询表

3.2 并车同步FUZZY-PI控制算法的PLC实现

在FUZZY-PI控制器的设计上，是不需要增加另外的硬件和软件开销。PI调节器和模糊控制器均是通过安装在主控车上的PLC系统来实现，这样可以明显的提高系统的可靠性，同时节约开发成本。在控制系统中，我们选用了西门子公司的S7-300型PLC，CPU315-2DP内集成有多个PID模块(软件构成的PID控制器)，可以通过PID编程向导或直接定义和填写PID控制回路参数表，就可以方便的为每个需要进行同步控制的机构设计一个PI调节器。

为了减少PLC用于模糊控制器算法的程序量，增加系统的实时性，首先借助于MATLAB提供的模糊逻辑工具箱直接获取模糊控制查询表(模糊控制的输出结果)。事先将该表存储于PLC的DB数据块内，系统大偏差范围内进行同步控制时，PLC根据FUZZY控制器的输入值再利用事先编好的查表子程序，直接获得模糊控制器的输出值。

3.3 FUZZY-PI控制器的软件设计

并车同步模糊控制程序设计流程如图5所示。

图5 模糊控制设计流程图Figure 5 Flow chart of ambiguous control design

3.4 并车模糊查询表程序设计

SIEMENS S7-300PLC的编程系统STEP7提供了丰富的功能模块，为模糊控制算法的实现提供了方便。为了简化程序编写量，提高程序的通用性并且方便调试，PLC程序设汁采用了模块化编程方法。主模块OB1实现对子程序块的调用和数据的传递，0B35为中断服务程序模块。FBl模块为模糊控制器，完成整个模糊控制功能。它由FCl～FC4 4个子程序块组成。其中FCl完成大车位移偏差、小车位移偏差、起升位移偏差e和偏差的变化率ec的计算；FC2进行模糊化处理，即完成精确量e，ec到模糊量E，EC的转换；FC3完成控制量表的查询功能；FC4完成模糊控制量U到精确量u的转化，并输出u。FBl依次调用4个子模块完成模糊控制各部分的功能，并实现他们之间的数据传递。FBl模糊控制器编制完成后，保存在STEP7标准库中，其具有很强的灵活性和通用性，如同STFP7中PID控制器(FB41)一样，方便调用。针对不同的被控变量，只要对FBl输入输出端进行正确的组态即可对变量进行模糊控制。数据块DB2作为FBl的背景数据块，存储量化因子Ke、Kec、Ku及其他参数。

整个程序设计的关键是模糊控制量表的查询部分，即FC3子程序块。在编程之前，将MATLAB模糊逻辑工具箱直接获取模糊控制查询表中U的值按由上到下，由左到右的顺序依次置入数据块DBl中。数据类型为WORD型，首地址为DBW0，依次为DBW2、DBW4、…、DBW96(U的个数是7×7)。采用指针寻址的查表方法。为了简化设计，将输入模糊论域的元素[-3，-2，-1，0，+1，+2，+3]转化为[0，…，7]。控制量的基址为0，偏移地址为2×(7×EC+E)，由EC和E可以确定控制量的绝对地址为0+2×(7×EC+E)。通过指针变量获得地址中存储的U的模糊值。然后再通过解模糊运算得出精确控制量u，通过模拟通道输出，从而控制执行机构输出。

以下给出主要程序部分示例：

FC3子程序：实现模糊控制量表查询功能

L MW56 //利用指针寻址//

L L#7

*D

L MW 58

+D //存放控制量的绝对地址//

SLD 1

T LD 0

L DBW [LD 0]

T MW 110 //将控制量U的值存入MW 110//

最后由FC4功能块实现控制量U从模糊量到精确量的转换，即U乘以量化因子Ku再经过限幅，将最终计算结果送到相应的执行机构，实现吊车各机构同步吊运100 m重轨。

4 结束语

本文以桥式起重机的大车、小车、起升机构的同步问题为研究对象，并搭建了主从式同步控制系统，采用基于模糊PID的同步控制算法来实现对两吊车同步运行系统进行研究。该系统既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。

由实验仿真表明，与常规PID同步控制算法相比，采用模糊PID同步控制算法的系统同步性能更好，速度响应能力和鲁棒性能也都得到了显著的提高，能够较好地满足被控对象高精度的要求。完全满足设计和实际使用要求。

[1] 曾光奇，胡均安，王东，刘春玲.模糊控制理论与工程应用.华中科技大学出版社，2000.

[2] 朱学军.起重机电气并车控制系统.机电一体化，2002，3.

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[8] Ordonez R，Passino KM.Stable Multi-Input Multi-Output Adaptive Fuzzy/Neural Control[J].IEEE Trans.on Fuzzy Systems，1999，7(3)：345-353.

Application of Fuzzy-PI Controller into 100 m Steel Rail Synchronous Hoisting System

TianHai,WangHong,GengJunling

When 100 m steel rail is hoisted by parallel operation, various operational mechanisms of two cars should be synchronous strictly and compound ambiguous PID control algorithm based on PLC has been provided. Ambiguous controller and PI adjuster are conducted by PLC programming, which can reserve the flexible, reliable and strong anti-interference features and enhance the dynamic response speed and intelligence degree of control system. The practice result shows the system synchronous control has the features of high precision, good adaptability, strong anti-interference and good robustness.

control network; ambiguous control; PID; PLC; synchronous control

TM571

A

2010—08—16

编辑 傅冬梅

中国机械工业进入月产万亿元的新时期有六隐忧

中国机械工业联合会25日披露，2010年中国机械工业累计完成工业总产值14.38万亿元，工业销售产值14.06万亿元，同比均分别增长约三成四。中国机械工业已进入了月产万亿元的新时期。

中国机械工业联合会新闻发言人介绍说，自2010年3月起，中国机械工业月度产量已连续10个月超过1.1万亿元，其中12月达到1.48万亿元，创历史新高。中国机械工业已经进入了月产万亿元的新时期。

2010年中国机械工业增加值比上年增长二成一，高于全国工业平均增速5.4个百分点。“十一五”期间年均增长二成八，占全国工业的比重由2005年的一成六提高到2010年的一成九。中国机械工业增加值的增速和比重在全国各主要工业行业中均位居榜首。

目前，中国机械工业的产业规模已超过美、日、德，居世界各国之首。一批重要产品，如发电设备、输变电设备、汽车、摩托车、大中型拖拉机、内燃机等的产量已稳居世界首位。

但该新闻发言人强调，中国机械工业在取得全面向好成绩的同时仍存忧虑。隐忧之一是行业的自主创新能力薄弱，不足以支撑高端装备的发展；隐忧之二是基础技术、基础工艺和基础零部件发展滞后，不能适应主机产品升级的需要；三是人民币汇率上升过快和鼓励进口政策的冲击，削弱了中国机械工业的竞争力，国产高端装备市场面临被外商过度挤占的危险；隐忧之四是严重的重复建设激化产能供过于求的矛盾，恶性竞争有愈演愈烈之势；隐忧之五是某些发达国家同行对中国快速发展疑忌之心日重，中国引进技术已越来越困难；隐忧之六是资源、环境和人工成本迅速上升，提高经营效益的难度越来越大。

(摘自中国二重纪检监察网2011-02-28)