AOD爐爐襯激光測厚系統(tǒng)中伺服電機的控制

王天飛， 邱 東， 王宏志， 李立敏， 徐成勝

（1.長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012；2.長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

在冶金工業(yè)中，氬氧精煉（AOD法）是爐外精煉的主要方法之一，但生產(chǎn)成本高，這主要是由于爐襯壽命低、爐齡短造成的。尤其是在采用氬氧精煉法冶煉低碳鉻鐵的過程中，由于冶煉溫度高、冶煉時間長、反應(yīng)劇烈等原因，爐襯壽命偏低問題更加突出。為保證爐襯長壽工作和AOD爐正常穩(wěn)定運行，降低生產(chǎn)成本，必須及時掌握爐襯的蝕損狀態(tài)。AOD爐生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，爐襯檢測通常是在爐口上方10～15m應(yīng)用二維伺服系統(tǒng)控制激光測頭來測量爐襯厚度。通過爐襯厚度數(shù)據(jù)與冶煉厚度安全數(shù)據(jù)比較，及時對爐襯進行濺渣護爐，適時更換，從而延長爐襯使用壽命，達到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的［1］。為了提高測厚系統(tǒng)的測量精度，可以在測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法上著手。文中主要研究提高激光測厚系統(tǒng)中二維伺服系統(tǒng)的控制精度，并在軟件上進行了仿真研究。

1 數(shù)字伺服系統(tǒng)組成

數(shù)字控制伺服系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 數(shù)字伺服控制系統(tǒng)

首先伺服電機驅(qū)動激光頭以恒定的速度按照指定的軌跡對AOD爐爐襯進行全方位的掃描測厚，得到AOD爐全部爐襯厚度信息。然后對AOD爐爐襯進行局部定位測厚，此時要求伺服電機能夠控制激光測頭以較快的速度到達給定位置。具體為：首先設(shè)定目標位置，然后定位獲得空間位置偏差，通過計算機控制產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，對直流伺服電機進行驅(qū)動，驅(qū)動伺服電機控制激光測頭按要求的速度到達指定位置進行測厚［2］。

此控制系統(tǒng)的應(yīng)用對象是吉林鐵合金股份有限公司AOD爐，鑒于鋼廠的環(huán)境特殊和電機的具體要求，AOD爐爐襯激光測厚系統(tǒng)中的驅(qū)動電機選用一種盤型直流伺服電動機。另外還具有以下特性：

l）占用空間?。?/p>

2）單位體積輸出功率大、精度高，高速連續(xù)運行能耗??；

3）加速快；

4）耐熱性能好。

2 直流電動機數(shù)學模型

額定勵磁下他勵直流電動機等效電路如圖2所示［3］。

圖2 額定勵磁下他勵直流電動機等效電路

由圖2得主電路電壓的微分方程為

電力拖動系統(tǒng)的微分方程為

由式（1）、式（2）可得電流與電壓間的傳遞函數(shù)為

感應(yīng)電勢與電流間的傳遞函數(shù)為

式（3）和式（4）的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3（a）、（b）所示，由此可得直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3（c）所示［4］。

圖3 直流電動機在額定勵磁下的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

因此，得直流電動機的傳遞函數(shù)為：

3 控制系統(tǒng)仿真

又知電機的實際參數(shù)為Ce＝Cm＝0.2N·m／A，L＝0.5H，J＝1.2kg·m2，R＝2.0Ω，所以

AOD爐激光測厚系統(tǒng)的精度越高，越有利于延長爐役，節(jié)約成本，這就要求控制系統(tǒng)能夠控制伺服電機以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運行，使激光測頭到達指定位置測量AOD爐爐襯厚度。其中，伺服電機的轉(zhuǎn)速控制影響到激光測頭能不能準確到達指定位置和測量數(shù)據(jù)的精度。在對AOD爐爐襯進行全方位掃描過程中，要求伺服電機以恒定的轉(zhuǎn)速控制激光測頭對AOD爐爐襯進行測量。在定點測量時，要求伺服電機以較快的轉(zhuǎn)速控制激光測頭到達指定位置進行測量。因此，伺服電機轉(zhuǎn)速的控制精度對AOD爐爐襯激光測厚系統(tǒng)的精度至關(guān)重要。

文中主要應(yīng)用PID、模糊和模糊PID三種控制方法對AOD爐激光測厚系統(tǒng)中直流伺服電機轉(zhuǎn)速控制進行了仿真。

3.1 常規(guī)PID控制

常規(guī)PID控制系統(tǒng)圖如圖4所示［5］。

圖4 PID控制系統(tǒng)仿真圖

系統(tǒng)輸入為單位階躍信號，階躍時間為0s，采樣時間T＝0.1s，仿真時間t＝80s，調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)，取kp＝3，ki＝1，kd＝3時，系統(tǒng)輸出最優(yōu)。系統(tǒng)輸出n波形如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)輸出n波形

從圖5可以看出，輸入為單位階躍信號時，系統(tǒng)輸出超調(diào)量為50%，峰值時間是10s。系統(tǒng)響應(yīng)時間為50s。

3.2 模糊控制

二維模糊控制系統(tǒng)仿真模型如圖6所示［6－7］。

圖6 模糊控制系統(tǒng)仿真圖

輸入e和ec，通過已經(jīng)建立的模糊規(guī)則整定后控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行。選定NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB7個模糊子集，隸屬函數(shù)均選三角形。根據(jù)e、ec的論域確定量化因子ke，kec以及比例因子ku。模糊規(guī)則的建立原則：e不小時，去除誤差為主；當e小時，系統(tǒng)穩(wěn)定性為主，防止系統(tǒng)超調(diào)。基于此原則和專家經(jīng)驗建立的模糊控制規(guī)則見表1。

表1 模糊控制控制規(guī)則

系統(tǒng)輸出波形如圖7所示。

圖7 單位階躍信號下模糊控制輸出

從圖7可以看出，輸入為單位階躍信號時，系統(tǒng)輸出超調(diào)量為30%，峰值時間是6s，系統(tǒng)響應(yīng)時間為20s。

3.3 模糊PID控制

輸入e和ec，通過已經(jīng)建立的模糊規(guī)則整定后獲得新的PID參數(shù)，從而控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行。其中e、ec、kp、ki、kd均采用三角形隸屬函數(shù)。

3.3.1 kp整定原則

當響應(yīng)在上升過程中（e為P），增大kp；當超調(diào)時（e為N），降低kp。當誤差在零附近時（e為Z），分3種情況：

1）ec為N時，超調(diào)越來越大，此時，降低kp；

2）ec為Z時，為了降低誤差，增大kp；

3）ec為P時，正向誤差越來越大，增大kp。

3.3.2 ki整定原則

采用積分分離策略，即誤差在零附近時，增大ki；否則，ki取0。

根據(jù)以上原則，再結(jié)合專家經(jīng)驗來實現(xiàn)模糊規(guī)則庫的編輯［8］。模糊規(guī)則見表2～表4。

表2 模糊PID kp模糊控制規(guī)則

表3 模糊PID ki模糊控制規(guī)則

表4 模糊PID kd模糊控制規(guī)則

模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖如圖8所示。

單位階躍信號下模糊PID控制系統(tǒng)輸出如圖9所示。

圖8 模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖

圖9 單位階躍信號下模糊PID控制系統(tǒng)輸出

從圖9可以看出，模糊PID控制伺服電機時，系統(tǒng)輸出超調(diào)量為0，系統(tǒng)響應(yīng)時間為10s。

4 結(jié) 語

通過傳統(tǒng)PID、模糊、模糊PID三種控制方法對AOD爐激光測厚系統(tǒng)中伺服電機的控制仿真，可以得出：在AOD爐激光測厚系統(tǒng)中伺服電機的控制上，模糊控制器較傳統(tǒng)的PID控制器有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)，抗干擾能力強［9］。模糊PID控制器結(jié)合了兩者的優(yōu)點，響應(yīng)速度更快，超調(diào)量更小，抗干擾能力更強，能夠很好地滿足AOD爐激光測厚系統(tǒng)中伺服電機控制的需要。

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