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                    高性能、低成本AGC控制器軟件設計

                    添加時間:2019/08/15 來源:燕山大學 作者:杜楠
                    本文以板帶材自動控制設備升級改造時面臨的主要問題為出發點,經過多年的實踐,開發了一套基于單片機的 AGC 控制系統,依據一般的板帶軋機對控制系統提出的要求設計了硬件電路板,同時開發了其軟件控制系統。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      隨著我國鋼鐵水平和自動化水平的不斷提高,許多鋼鐵生產企業的板帶軋機面臨著改造與更新換代。隨著液壓控制技術的逐漸成熟,對控制設備響應速度的要求也越來越高。使用SIMATIC TDC或PLC雖然能達到很好的控制效果,但是成本過高,維修麻煩。設計一款高性能、低成本的AGC控制器迫在眉睫。

                      經過多年的研究與實踐,本文開發了一套基于 PIC 單片機的板帶軋機自動厚度控制系統。主控芯片采用 Microchip 公司的 PIC24H 系列的 16 位單片機,輔助芯片采用 Altera 公司 CycloneⅡ系列的 FPGA,依據一般的板帶軋機對控制系統性能的要求設計了 AGC 控制器的數字量輸入(DI)、數字量輸出(DO)接口電路,模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)轉換電路,編碼器信號采集電路,與上位機通訊電路以及電源轉換電路。

                      在硬件電路調試成功后,運用 C 語言并結合各部分芯片的時序以及用法對PIC 單片機進行軟件編程,基于 MPLAB 平臺編寫了全部接口電路的軟件程序,同時運用 VHDL 語言對 FPGA 進行編程實現編碼器部分的功能。通過在 PCB 電路板上實驗驗證,成功實現了現場輸入信號的采集處理以及控制信號的輸出,同時通過 RS485 實現了上位機與單片機的實時通信。在此基礎上構建了 AGC 控制系統的總體流程圖,編制了在定時中斷里實現的位置閉環、壓力閉環的 PID 控制程序,以及厚度監控、厚度預控的程序,并進行了半實物實驗。根據板厚自動控制的具體過程以及控制器的實際需要,本文在傳統 PID 控制的基礎上加入了智能控制算法,設計了模糊 PID 控制器對系統進行閉環控制,通過 MATLAB 仿真驗證了其可行性,改善了控制性能,提高了控制精度。

                      該 AGC 控制系統,運算速度快,抗干擾能力強,具有良好的實用性,可以降低更新和改造設備的成本,以此推進軋鋼行業的技術升級。

                      關鍵詞:AGC;PIC 單片機;FPGA;閉環控制;PID 控制;模糊 PID 控制器

                    Abstract

                      With the increasing levels of China's steel and automation, many strip mills of the steel production enterprises are facing reconstruction and replacement. With the hydraulic servo control technology matures, ancillary control equipment requires higher control speed. Although using SIMATIC TDC or PLC can achieve a good result , the cost is too high and it is hard to repair. It is urgent to design a high-performance and low-cost AGC controller.

                      After years of research and practice, This paper developed an automatic thickness control system based on PIC microcontroller. Using the PIC24H series which is the 16 bit single chip of Microchip company as the main control chip , while using the FPGA of Altera's CycloneⅡseries as an auxiliary chip. The control system hardware circuit is designed based on the general performance requirements of strip mills. It is includes analog input and output interface circuits , digital input and output interface circuits , the encoder interface circuits, communications interface circuits , and power part circuits .

                      Using C language and combine the various parts of the chip timing and usage to program on the PIC microcontroller after the success of debugging the system hardware circuit. The software program of all the interface circuits were written on the MPLAB platform. While the FPGA using VHDL language to program to achieve the function of encoder part, and finally through the PCB board to experimental verification. The system successfully achieved the live input signal acquisition and processing, and the output of control signal, the real-time communication between PC and microcontroller via RS485.

                      The overall flow of AGC control system was built based on all these and the program of the position closed-loop, pressure closed-loop based on the PID in the timer interrupt and the thickness advanced control, the thickness gauge control was programmed and was proved by the semi physical simulation. Depending on the process of AGC and the actual needs of the controller , This paper join the intelligent control algorithm based on traditional PID control algorithm, design fuzzy PID controller for closed-loop control system and show the feasibility of the algorithm through MATLAB simulation. It improved the control performance and control accuracy.

                      The AGC control system has fast speed of operation, strong anti-interference ability and good practicality, can greatly reduce the cost of upgrading equipment and promote technological upgrading of rolling industry.

                      Keywords: AGC; PIC single-chip microcomputer; FPGA; closed loop control; PID control; fuzzy PID controller

                      板帶材在現代工業生產中占有極其重要的位置,是最主要的鋼材產品,約占鋼材總量的 45%。板帶材具有良好的力學性能、表面質量和幾何尺寸精度,廣泛應用于生活和建設的各個領域。隨著社會的進步和經濟的發展,鋼材的需求量大大增加,板帶材在鋼材總產量中的比重逐年增加,并發揮著越來越重要的作用[1]。

                      板厚作為衡量板帶材質量的重要指標,各鋼鐵企業都極為重視板厚自動控制技術水平的提高。目前,計算機技術、微處理器技術和數字通信技術飛速發展,先進的自動化控制裝備已經廣泛地應用在軋鋼領域,板厚自動控制系統必須具有極高的可靠性、專業性和靈活性,保證產品的精度、質量和軋制速度。低成本高性能的控制系統越來越被更多的鋼鐵生產企業需要。

                      板帶厚度自動控制(AGC,Automatic Gauge Control)系統是通過測厚儀連續地對軋件的實際出口厚度進行測量,將厚度實測值與設定值進行比較,所得偏差值通過控制器處理后輸出相應控制量去調節壓下位置、軋制壓力、軋制速度等,把厚度控制在允許的偏差范圍內。板厚自動控制系統是現代化軋機提高板帶材軋制精度必不可少的技術裝備,是生產廠家在激烈市場競爭中取得優勢的重要保證。

                      板厚自動控制就是借助于輥縫、張力、速度等可調參數,把軋制過程中參數波動的影響消除,使其能達到設定的目標厚度。在實際的軋制過程中,都是將多種厚度控制的方法結合起來使用,以達到更好的控制效果。調整軋輥輥縫是這些厚度控制方法中最主要的。隨著軋制速度和自動化程度的提高,目前大部分板帶軋機都采用帶有液壓壓下功能的壓下裝置,它的響應速度比電動壓下響應速度快一個數量級以上,而且慣性小、精度更高,可以大大提高系統響應速度以及成品帶鋼質量。本文主要研究的是液壓 AGC 控制系統,通過伺服閥調節液壓缸的油量和壓力來控制軋輥的位置,從而對帶材進行厚度自動控制[2]。

                      AGC 系統的總體配置包括:上位機、下位機、檢測元件和執行機構。檢測元件主要包括測厚儀、位移傳感器和壓力傳感器。執行機構主要是液壓缸(軋機操作側和傳動側各有一個液壓缸)。在 AGC 系統中,上位機與下位機通過串口實現通信,達到互傳數據的作用。上位機將得到的數據實時顯示在計算機顯示畫面上,由工作人員對整個生產過程進行監控。這些數據中除了軋制速度、軋制力、液壓缸位移、軋件出入口厚度值等軋制結果數據以外,還包括鋼卷長度、直徑、重量等生產數據,以及生產過程中的質量監控信息和設備狀態信息。同時上位機向下位機傳送必要的設定數據,如各機架的軋制厚度、液壓缸位移、張力等。下位機控制器接收現場傳感器采集的信號,與系統設定值比較得到偏差值,經過控制算法的計算輸出控制量到伺服閥從而控制液壓缸活塞的運動,以保持缸位移值和軋制壓力與設定值相同。

                      隨著我國鋼鐵行業的飛速發展,板帶軋機及其厚度自動控制技術經歷了一個由粗到精、從低級到高級的發展過程,通過對 AGC 系統發展概況的了解,可以將其發展分為以下幾個階段:

                      (1) 人工操作階段,20 世紀 30 年代以前,由于工業控制處于起步階段,板帶軋機厚度控制也一直處于人工操作階段,僅僅依靠手動壓下來調節板厚。這種方式僅能設定原始輥縫,精度非常低,難以滿足高質量板厚控制的要求,因而現代的板帶軋機已經不再使用。

                      (2) 電動壓下調節板厚階段,電機出現以后,電動壓下調節開始逐漸被采用,由電機通過減速裝置驅動壓下螺絲來設定原始輥縫。為了進一步控制板厚偏差,采用電動雙壓下系統,由高速和低速兩臺電動壓下系統分別進行粗調和精調。這種壓下系統雖然比單一的電動壓下系統要好,但它的精調系統滯后比較嚴重,響應速度慢,不能適應高速軋機的需要。

                      (3) 現代板厚控制系統階段,到了 20 世紀 50 年代,英國一些專家推導出了軋機出口厚度的表達式,這也為以后板厚控制奠定了理論基礎,從此以后,AGC 系統就飛速發展,逐漸提高了板厚控制的軋制速度與精度。

                      (4) 液壓壓下調節厚度階段,隨著液壓伺服技術和板厚自動控制的成熟,20 世紀 70 年代液壓壓下逐漸取代電動壓下裝置應用于厚度控制,液壓伺服壓下的響應速度比電動壓下響應速度快一個數量級以上,這種厚度調節方式結構簡單,靈敏度高,能夠滿足很嚴格的厚度精度要求[3],提高了板帶精度和生產能力。

                      (5) 智能板厚控制階段,隨著電子技術、自動化技術、通訊技術等信息科技的廣泛應用,軋機系統板厚控制逐漸引入了一些高級的智能算法(例如模糊控制、遺傳算法等)來進行智能板厚自動控制,這進一步推動了液壓 AGC 技術的進步。

                      20 世紀 50 年代,早期軋鋼控制通過模擬調節器和簡單的單回路控制方式對 AGC系統進行控制。軋鋼現場環境惡劣,這種控制方式會產生溫度漂移,故障發生率高,控制精度低,抗干擾性也較差。隨著直接數字控制(Direct Digital Control,DDC)的出現與發展,開始逐漸應用于板厚自動控制。DDC 控制就是用計算機程序的運算代替模擬調節器內部的電路運算。但是由于當時計算機技術尚不發達,自動化程度不高,一旦計算機出現某些故障,就會造成所有相關控制回路癱瘓、生產停頓的嚴重局面,這種控制方式不開放,可靠性比較差,也不便于維護。

                    高性能、低成本AGC控制器軟件設計:

                    厚度監控原理圖
                    厚度監控原理圖

                    模擬 PID 控制器原理圖
                    模擬 PID 控制器原理圖

                    模糊控制系統基本結構
                    模糊控制系統基本結構

                    模糊 PID 控制系統的構成
                    模糊 PID 控制系統的構成

                    PID 控制器與模糊 PID 控制器仿真結果比較
                    PID 控制器與模糊 PID 控制器仿真結果比較

                    PID 控制器與模糊 PID 控制器仿真結果比較
                    PID 控制器與模糊 PID 控制器仿真結果比較

                    目 錄

                      摘 要
                      Abstract
                      第 1 章 緒 論
                        1.1 板帶厚度自動控制系統概述
                          1.1.1 板帶軋機厚度自動控制系統組成
                          1.1.2 板帶厚度自動控制發展概述
                          1.1.3 AGC 控制器與控制算法的發展
                        1.2 課題背景和意義
                        1.3 課題主要研究內容
                      第 2 章 AGC 控制系統微處理器及其開發軟件
                        2.1 主控芯片 PIC 單片機
                          2.1.1 PIC24H 單片機特點及配置
                          2.1.2 PIC 單片機外圍電路設計
                          2.1.3 PIC 單片機開發工具使用
                        2.2 輔助芯片 FPGA
                          2.2.1 FPGA 特點與芯片選型
                          2.2.2 FPGA 外圍電路設計
                          2.2.3 FPGA 開發平臺與開發流程
                        2.3 本章小結
                      第 3 章 AGC 控制系統硬件電路設計與改進
                        3.1 AGC 系統整體結構
                        3.2 FPGA 硬件電路改進
                        3.3 數字量接口電路硬件設計與改進
                        3.4 模擬量轉換電路硬件設計與改進
                        3.5 編碼器信號采集電路硬件設計與改進
                        3.6 AGC 系統電路板設計
                        3.7 本章小結
                      第 4 章 AGC 控制系統軟件設計與實現
                        4.1 AGC 系統軟件編程整體結構
                          4.1.1 AGC 系統主函數設計
                          4.1.2 AGC 系統中斷函數設計
                          4.1.3 AGC 系統程序初始化
                        4.2 AGC 系統接口電路軟件編程
                          4.2.1 數字量接口電路軟件編程
                          4.2.2 模擬量轉換電路軟件編程
                          4.2.3 編碼器信號采集電路軟件編程
                          4.2.4 FPGA 與 PIC 單片機數據通信軟件編程
                          4.2.5 RS485 通信接口電路軟件編程
                        4.3 人機交互界面驗證
                        4.4 本章小結
                      第 5 章 AGC 系統閉環控制軟件設計
                        5.1 閉環控制方式及原理
                          5.1.1 壓下位置閉環
                          5.1.2 壓力閉環
                          5.1.3 厚度外環
                        5.2 PID 控制在閉環控制中的應用
                          5.2.1 PID 控制器
                          5.2.2 PID 控制算法實現
                        5.3 模糊控制
                          5.3.1 模糊控制系統的組成
                          5.3.2 模糊控制器的基本結構
                        5.4 模糊 PID 控制
                          5.4.1 模糊 PID 控制原理
                          5.4.2 模糊 PID 控制器設計
                        5.5 系統仿真與軟件設計
                        5.6 本章小結
                      結 論
                      參考文獻
                      攻讀碩士學位期間承擔的科研任務與主要成果
                      致 謝
                      作者簡介

                    (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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