板形模糊控制技术的发展

板形模糊控制技术的发展朱洪涛吕程刘相华王国栋马文忠张文学摘要：简要介绍了模糊逻辑在板形控制中的应用背景、研究状况及发展，探讨了板形模糊控制的策略，为提高板形控制精度提供了新的方案。关键词：模糊逻辑；板形控制；新方案DevelopmentoffuzzytechnologyforshapecontrolZHUHong-tao1,LUCheng1,LIUXiang-hua1,WANGGuo-dong1,MAWen-zhong2，ZHANGWen-xue2.(1.StateKeyLab.ofRollingandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110006,China;2.BaoshanIron&Steel(Group)Co.)Abstract:Theapplicationbackground,researchprogressanddevelopmentoffuzzylogicinshapecontrolarebrief～lyintroduced,andtheshapecontrolstrategyisdiscussed.Inordertoimproveprecisionofshapecontrol,anewschemeisputforward.Keywords:fuzzylogic;shapecontrol;newscheme1前言为改善产品质量及提高生产率，板形控制日益成为钢铁企业面临的重要课题。板形受大量非线性因素，如轧辊原始凸度、弯辊力、轧制速度、温度分布及来料缺陷等的影响。而且，轧制过程的动态特性使控制中难以考虑所有影响因素，因此板形控制十分复杂。板形控制通常建立在基于数学模型的现代控制理论基础上，但其具有的复杂非线性使得难以建立精确的控制模型。当模型不能很好完成控制工作时，操作者必须手工干预。操作者的经验对于板形控制的稳定进行及精度提高具有重要意义。随着知识处理技术的发展，智能控制日益实用。在智能控制中，无论是神经网络还是模糊逻辑都是以实际生产数据和操作者的经验为基础的。近年来，模糊逻辑在板形控制中的应用研究得到迅猛发展。2模糊控制的发展及在板形控制中的导入自1965年L.A.Zadeh提出模糊集合论以来，逐渐发展产生了模糊控制这一新型控制理论。1974年，Mamdani首先将模糊控制用于锅炉和蒸汽机的控制。此后，模糊控制的发展主要经历了基本模糊控制、自组织模糊控制和智能模糊控制3个阶段。随着模糊控制技术的发展完善，板形模糊控制的研究日益受到重视。早期研究工作主要集中于一些常规控制方法不能获得较好控制品质的情况，如轧辊喷射冷却模糊控制［1～2］；特殊形式轧机（森吉米尔轧机）的板形控制［3～4］。自1995年以来，韩国科学与技术高等学院的Jong-YeobJung等人就普通六辊轧机的板形控制进行了系列、详细的研究，探讨了利用模糊逻辑进行六辊轧机板形控制的可行性，研究了对称板形的动态及静态控制特性。近来，Jong-YeobJung等已将模糊逻辑应用于控制包括非对称板形在内的任意板形，取得了较大进展［5～6］。我国对板形模糊控制的研究也进行了一定程度的探讨，但距国际先进水平尚有一定差距。3模糊逻辑在板形控制中的应用3.1六辊轧机板形模糊控制六辊轧机辊系由支撑辊、中间辊和工作辊组成。板形控制机构为工作辊及中间辊弯辊。其板形控制系统采用4次多项式来描述板形：（1）式中，x为经过正规化后沿板宽方向各点距中心的距离（-1≤x≤1）；λ1～λ4为板形系数，可用最小二乘法获得。为描述板形，引入板形参数Λ1～Λ4,非对称板形参数对称板形参数Λ2=λ2+λ4、Λ4=λ2/2+λ4/4。板形参数在模糊控制系统中作为输入量。定义变量lamp和lamm,lamp=Λ1+Λ2(W/S侧),lamm=-Λ1+Λ2（D/S侧）。其中，lamp和lamm被用来计算非对称板形弯辊加权因子，也作为输入变量被引入系统。用对称板形参数Λ2和Λ4进行模糊推理，计算工作辊和中间辊的弯辊力（△Fw和△Fi）．在这种情况下，弯辊力在W/S侧和D/S侧是相等的．但是，控制任意板形时，仅用△Fw和△Fi控制具有明显的缺陷。因此，采用2级模糊控制的方式：第1级用Λ2和Λ4计算对称弯辊力，第2级用lamp和lamm计算W/S侧和D/S侧加权弯辊力。图1为对任意板形的模糊控制算法图。图1六辊轧机任意板形模糊控制算法图第1级对称板形控制，为提高精度和加速收敛，分粗调和精调2种方式。粗调控制时，输入变量采用三角形隶属度函数，论域为[-7,7],语言变量包括LPB,PB,PM,PS,ZE,NS,NM,NB,LNB。精调控制也采用三角形隶属度函数，语言变量为LN,SN,ZE,SP,LP,论域采用[-2,2]。带钢对称板形可分为“边浪、中浪、W形浪、M形浪”。对每种板形，分别建立对应于输入变量Λ2、Λ4和输出变量Fw、Fi的模糊控制规则。模糊控制系统对“边浪”进行控制时（粗调）的规则如下：如果Λ2=LPB,那么△Fw=LPB,△Fi=PB如果Λ2=PB,那么△Fw=PB,△Fi=PM如果Λ2=PM,Λ4=PM,那么△Fw=PM,△Fi=PM如果Λ2=PM,Λ4=PS,那么△Fw=PM,△Fi=PS如果Λ2=PM,Λ4=ZE,那么△Fw=PM,△Fi=ZE如果Λ2=PS,那么△Fw=PS,△Fi=ZE如果Λ2=ZE,那么△Fw=ZE,△Fi=ZE进行第2级非对称板形控制时，输入变量lamp和lamm的语言变量值为｛LPA、SPA、ZEA、SNA、LNA｝；输出变量wtp、wtm、itp和itm则包括PBA、PSA、ZRA、NSA、NBA5个语言变量。表1例示说明了Λ20、Λ40和Λ10、Λ30时计算弯辊加权因子（wtp、wtm、itp和itm）的模糊控制规则。表1模糊推理规则规则lammlampwtmwtpitpitm1LPALPAPSAZRA--2LPASPAPSAZRA--3LPAZEAPSANSA--4LPASNAPBANSA--5LPALNAPBANBA--6SPASPAPSAZRA--7SPAZEAPSAZRA--8SPASNAPSANSA--9SPALNAPBANBA--对模糊控制算法进行仿真研究。仿真结果表明，控制简单板形时，只需3～4步即可达目标板形；控制复杂板形时，也只需8～11步；无论是静态控制特性还是动态控制特性均十分良好；通过控制W/S侧和D/S侧不同的弯辊，该算法能有效地控制任意板形。3.2模糊逻辑在轧辊分段冷却控制中的应用实施冷却液轧辊分段控制时，不仅要考虑板形偏差大小，还要依据板形偏差随时间变化率及板宽方向的局部延伸，综合地加以判断。（1）板形偏差大小如果板形偏差为正，则喷射冷却液使轧辊冷却抑制膨胀，可减小板形偏差。如偏差为负，停止喷射冷却液，轧辊因轧制产生热膨胀，可减小板形偏差。（2）板形偏差随时间变化率如果板形偏差变大，喷射冷却液抑制其变化。板形偏差变小，停止喷射冷却液。（3）板宽方向的局部延伸如果板形偏差呈局部性突出，在突出的部分喷射冷却液抑制其突出。分段冷却板形模糊控制如图2所示。下面就分类、推理、评价分别说明。图2冷却液喷射板形模糊控制结构图ANBi-Ai负大；ANSi-Ai负小；AZOi-Ai为零；APSi-Ai正小；APBi-Ai正大；BNBi-Bi负大；BNSi-Bi负小；BZOi-Bi为零；BPSi-Bi正小；BPBi-Bi正大；CFi-形状平；CSi-形状凸小；CBi-形状凸大所谓模糊化（模糊分类），就是把检测到的信息转换为模糊推理用知识，以便在推理部分利用熟练操作者的知识进行推理。用板形仪检测出的延伸率偏差△ε进行Ai～Ci演算，见表2。符号t表示时间，x表示板宽方向的坐标，i表示板形仪板宽方向的区域号。依据Ai～Ci的值，根据图2所示的隶属度函数求解隶属度。表2板形评价项目板形评价项目计算式板形偏差大小Ai=△εi板形偏差随时间变化率Bi=Ai/t板宽方向的局部延伸Ci=2Ai/X2推理，就是求解△ai在正大（PB）、正小（PS）、零（ZE）、负小（NS）、负大（NB）上的隶属度。模糊判决，就是用重心法求解计算冷却液喷射程度，决定冷却喷嘴的开关。冷却液板形模糊控制已应用于日本古河铝工业株式会社福井厂的第2FCM。实际运行结果表明，采用模糊控制后，局部板形凸凹能减少一半，可实现高速轧制，生产率提高20%。3.3森吉米尔轧机板形模糊控制森吉米尔轧机板形调节通过第1中间辊横移及AS-U辊调整机构进行。因其结构复杂，非线性因素较强，现代控制理论难以建立理想的板形控制模型，进行板形控制时需要人工干预。运用神经网络和模糊控制技术建立的板形控制系统，如图3所示。板形检测信号由神经网络实现板形识别，分解为几种基准波形，并给出基准波形的隶属度。神经网络的输出实际上作为模糊推理的前件部。模糊控制部分依据规则进行推理，给出各执行机构的操作量。图3森吉米尔轧机板形神经网络-模糊控制示意图图3示出，神经网络给出模式1的隶属度最大，模式5的隶属度为中值。模糊推理的结果，AS-U的2号辊调整，中间辊向外侧串动。然而，熟练操作者手工控制时，大多只对板形模式最具特性的部分进行控制，图3所示情况，通常只调整AS-U辊。3.4名古屋钢铁厂的冷轧板形模糊控制日本名古屋钢铁厂开发的冷轧板形模糊控制系统如图4所示，用弯辊、压下平衡和冷却液喷射进行板形控制。检测出的板形用四阶多项式模拟，计算与目标板形的偏差。为求出各执行机构所分担的控制目标，进行形状分离；用响应快的弯辊、压下平衡调节一次、二次板形偏差；剩余高次板形偏差用响应慢的冷却液进行控制。图4新日铁冷轧板形模糊控制结构图的对于弯辊控制，取板形偏差E为输入，语言值取｛NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB｝7档，弯辊控制量也取7档；冷却液的控制取板形偏差E和偏差变化率Ec为输入量，冷却喷射的开关为输出量。这一系统投入实际运行，控制效果良好。4结语近年来板形模糊控制技术的研究取得了较大进展，主要研究工作活跃在日本及韩国。冷却液喷射板形模糊控制和森吉米尔轧机板形模糊控制已得到实际应用，效果良好。新日铁名古屋钢铁厂的冷轧实现了弯辊和冷却液联合模糊控制。普通轧机利用弯辊模糊控制手段控制任意板形虽已取得较大进展，尚需得到进一步的实践检验。综合上述情况，表明板形模糊控制技术以及它与其它智能技术综合地运用，具有广阔前景。作者简介：朱洪涛（1971～），男（汉族）河北唐山人，博士（024）23906472作者单位：朱洪涛吕程刘相华王国栋东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室辽宁沈阳110006;马文忠张文学宝山钢铁集团公司热轧厂上海201900参考文献[1]堺俊夫ほか.フアヅイ理论による形状制御[J].日立评论.1989,71(8):103～108.[2]片山恭记ほか.新しい制御手法と压延への适用[J].铁と钢,1993,79(3):56～61.[3]服部哲ほか.ニユ-ロファヅイ应用压延机形状制御ツステム[J].日立评论,1991,73(8):21～28.[4]中岛正明ほか.ニユ-口ファヅイ应用バタン计测制御计法の压延机形状制御への适用[J].日立评论,1993,75(2):9～12.[5]Jong-YeobJungetal.Simulationoffuzzyshapecontrolforcold-rolledstripwithrandomlyirregularstripshape.Journalofmaterialsprocessingtechnology,1997,63(1～3):248～253.[6]Jong-YeobJungetal.Fuzzy-controlsimulationofcross-sectionalshapeinsix-highcold-rollingmills.Journalofmaterialsprocessingtechnology,1996,61