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基于自抗扰理论的刨花板连续平压自动纠偏控制方法研究


学校代码:10225 学 号:

专 业 学 位 论 文
基于基于自抗扰理论的刨花板连续平压自动纠 偏控制方法研究

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指导教师姓名: 申请学位类别: 论文提交日期: 授予学位单位:

姓名 硕 士

东北林业大学 专 业 领 域 : 论文答辩日期: 授

予学位日期:

东北林业大学

答辩委员会主席: 论 文 评 阅 人:

University Code:10225 Register Code :

Dissertation for the Degree of Master

Particle Board Continuous Press Control Algorithm of Automatic Correction based on Active Disturbance Rejection Theory

Candidate: Supervisor: Associate Supervisor: Academic Degree Applied for: Speciality: Date of Oral Examination: University:

Northeast Forestry University

摘要

摘要
人造板是高效利用木材资源的重要方法之一,刨花板吸音性和隔音性较好,密度均 匀,抱钉力很好,横向抗压能力强,防潮性能较强;刨花板表面光滑平整,纹理与实木 板材基本相似,厚度偏差较小,耐磨损,抗老化,美观,大方,可进行刷油漆和各种贴 面处理。 在刨花板的生产过程中,热压过程是生产工序中极为重要的环节。热压的好坏直接 影响到刨花板成品的质量,其中包括物理性能以及外观的好坏,同时,很重要的是也影 响到产品的成本。所以近 10 年,我国学习吸收西方连续平压机的生产技术后,自主研 发生产了连续平压机,连续平压机压力较为恒定,板厚生产均匀,砂光量极小,大大的 节约了能源和成本。 本文针对连续平压机热压过程中的控制过程进行适当改善,对连续平压机控制系统 从不同角度进行优化。由于热压过程中的复杂性,非线性,以及滞后性等特性,利用传 统 PID 控制办法对热压过程进行控制,系统能够逐渐进入稳定状态,但是控制过程中会 出现较大的超调,这对于整机设备的安全性能有很大的影响,同时进入稳态的时间也较 长,所以我们采用模糊 PID 控制方法,模糊控制是基于熟练技术人员的经验而获得的控 制依据,所以对系统中的非线性以及迟滞的问题有了很好的改善,模糊控制鲁棒性较 强,但是对于系统过程中出现的动态变化的参数调优性较差,因此采用基于遗传算法的 满意度优化方法对系统进行在线辨识,对 PID 增益参数进行动态的调节,达到了良好的 效果,但是上述方法对外部的干扰处理能力较弱,鲁棒性较差,最后利用不依赖于系统 模型的自抗扰控制方法对系统的动态在线辨识以及干扰都有了较好的处理,系统能够迅 速进入稳定且基本消除了超调,以上控制方法都通过 MATLAB 进行了仿真,证明了各方 法的优越性和不足之处。 关键词 刨花板;连续平压;PID 控制;满意度遗传优化算法;自抗扰控制

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Abstract

Abstract
Wood-based panels is an important method for the efficient utilization of timber resources, particleboard has good sound-absorbing and sound proofing, uniform density, holding good nail strength,transferring compressive strength, moisture resistant; particleboard surface is smooth, texture and wood similar plate thickness deviation, wear-resistant, anti-aging, beautiful, generous, you can paint and have a variety of veneer treatment. In the particleboard production process, the hot pressing process is a very important part.Hot pressing has a direct impact on the quality of particleboard, physical properties and appearance of the good or bad, at the same time, it is also important to affect the cost of the product. In the past 10 years, we have learned the advanced skills about the West continuous flat press and produced our continuous flat press machine independently; continuous flat press pressure is relatively constant and production has uniform plate thickness. With sanding a small amount of production, we can have much energy savings and cost. In this paper, the process control of continuous flat presses appropriate to improve, we have optimize continuous flat press control systems from different methods. Complexity, nonlinearity and hysteresis characteristics of the hot pressing process, the use of traditional PID control approach to control the hot pressing process, the system can gradually into a stable state, but larger overshoot in the control process,and also have a great impact on the safety performance of the whole device, while the longer time to steady state, so we use the fuzzy PID control, fuzzy control is based on the experience of skilled technical personnel, so the system nonlinearity and hysteresis have a good improvement, fuzzy control's robustness is strong, but less parameter tuning of the dynamic changes in the system process, therefore the use of satisfaction optimization method based on genetic algorithm foronline identification of PID system, the gain parameters of dynamic adjustment, achieve good results, but the method of interference of external processing ability is weak, poor robustness, Active disturbance rejection control the method does not depend on the system dynamic model for on-line system identification and interference have good processing, system can quickly into the stable and modulation, the above control method are carried out by MATLAB simulation, proved the superiority and deficiency of each method. Keywords Particle board; continuous press; PID control; Satisfaction of genetic optimization algorithm; Active Disturbance Rejection Control

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目录

目录
摘要 ............................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 1 绪论...........................................................................................................................................1 1.1 课题研究背景 .......................................................................................................................1 1.2 国内外人造板机械设备研究现状 ........................................................................................1 1.2.1 国外连续平压机研究现状分析 ..................................................... 错误!未定义书签。 1.2.2 国内人造板研究现状 ..................................................................... 错误!未定义书签。 1.3 课题研究的目的及意义 .......................................................................................................1 1.4 研究的内容及方法 ................................................................................................................1 2 刨花板连续平压自动纠偏控制系统......................................................错误!未定义书签。 2.1 刨花板概述 ........................................................................................ 错误!未定义书签。 2.2 刨花板生产工艺流程 ........................................................................ 错误!未定义书签。 2.2.1 刨花板多层热压工艺 ..................................................................... 错误!未定义书签。 2.2.2 刨花板连续平压工艺 ..................................................................... 错误!未定义书签。 2.3 刨花板连续平压自动纠偏控制系统分析 ........................................ 错误!未定义书签。 2.4 本章小结 .............................................................................................................................10 3 自动纠偏系统传统 PID 控制及仿真 .....................................................错误!未定义书签。 3.1 传统 PID 控制 .................................................................................... 错误!未定义书签。 3.2 对传统 PID 控制的剖析 .................................................................... 错误!未定义书签。 3.3 从 PID 控制得到的经验 .................................................................... 错误!未定义书签。 3.4 常规 PID 控制及其 MATLAB 仿真实验分析 ................................. 错误!未定义书签。 3.5 本章小结 .............................................................................................................................17 4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制 ..............................错误!未定义书签。 4.1 遗传算法概述 .................................................................................... 错误!未定义书签。 4.1.1 遗传算法基本原理 ......................................................................... 错误!未定义书签。 4.1.2 遗传算法的基本操作流程 ............................................................. 错误!未定义书签。 4.2 满意度的基本概念 ............................................................................ 错误!未定义书签。 4.3 满意度函数及其建立 ........................................................................ 错误!未定义书签。 4.4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制........................... 错误!未定义书签。 4.5 本章小结 ............................................................................................ 错误!未定义书签。 5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统设计.................................错误!未定义书签。 5.1 引言 .................................................................................................... 错误!未定义书签。 5.2 自抗扰控制方法的形成过程 ............................................................. 错误!未定义书签。
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5.3 自抗扰控制器的构成模式 ................................................................ 错误!未定义书签。 5.3.1 跟踪微分控制器 ............................................................................. 错误!未定义书签。 5.3.2 扩张状态观测器 ............................................................................. 错误!未定义书签。 5.3.3 误差的非线性反馈 ......................................................................... 错误!未定义书签。 5.4 自抗扰控制器设计与仿真分析 ........................................................ 错误!未定义书签。 5.4.1 ESO 设计 ......................................................................................... 错误!未定义书签。 5.4.2 TD 设计 ............................................................................................ 错误!未定义书签。 5.4.3 NFC 设计 ......................................................................................... 错误!未定义书签。 5.5 仿真结果 ............................................................................................ 错误!未定义书签。 5.6 本章小结 ............................................................................................ 错误!未定义书签。 结论 .............................................................................................................................................35 参考文献 .....................................................................................................................................37 附录 .............................................................................................................................................42 攻读学位期间发表的学术论文 .................................................................................................43 致谢 .............................................................................................................................................44 个人简历 .....................................................................................................................................45

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目录

English Catalog
摘要 ............................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 1 绪论...........................................................................................................................................1 1.1 课题背景(或引言) ...........................................................................................................1 1.1.1 三级标题 ......................................................................................... 错误!未定义书签。 2[单击此处输入标题,页眉会自动更新] ................................................错误!未定义书签。 2.1 二级标题 ............................................................................................ 错误!未定义书签。 2.1.1 三级标题 ......................................................................................... 错误!未定义书签。 2.2 本章小结 .............................................................................................................................10 3[单击此处输入标题,页眉会自动更新] ................................................错误!未定义书签。 3.1 二级标题 ............................................................................................ 错误!未定义书签。 3.1.1 三级标题 ......................................................................................... 错误!未定义书签。 3.2 本章小结 .............................................................................................................................17 结论 .............................................................................................................................................35 参考文献 .....................................................................................................................................37 附录 .............................................................................................................................................42 攻读学位期间发表的学术论文 .................................................................................................43 致谢 .............................................................................................................................................44 个人简历 .....................................................................................................................................45

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English Catalog

1 绪论
1.1 课题研究背景
以板材生产以板材生产制造为核心产业的中国木材工业利用和节约木材资源,是中 国木材产业的重要组成部分。人造板的一部分产品和人们的生产、生活息息相关,同时 在国民经济发展和人民物质生活中发挥重要的作用。随着社会、经济、可持续发展、国 民建设、房地产和消费市场的继续扩大,性能优异、通用性强、适应性高、绿色经济的 板材产品的需求正在不断增长。刨花板生产和使用成为一个主要的保护和高效利用木材 资源的途径,刨花板生产是一个有着高回报的木材工业,同时也伴随着高科技产品的产 生,极大的提高了森林资源的综合利用,有力的缓解了木材资源的日益紧张的供给与需 求之间的矛盾,保护生态环境是积极而且十分重要的。作为人造板之一的刨花板,自 1940 年前后诞生以来,在半个多世纪发展的过程中,凭借其优异的特性,广泛的应用和 相对较低的市场价格,刨花板生产企业得到了飞速发展,己经遍布世界各地[1]。 刨花板是人造板中发展最快的板种之一,它是由木材碎料(木刨花、锯末或类似材 料)或非木材植物碎料(亚麻屑、甘蔗渣、麦秸、稻草或类似材料)与胶黏剂一起热压 而成的板材。它广泛的应用在家具制作、橱柜制作、音响、教具以及复合门板制作等方 面,随着国家对减少废料、废气和废水排放,减少环境污染,降低生产能耗等提出指 标,随着人们对节能减排,绿色环保的意识逐步加强,新的刨花板生产就更要符合经 济、绿色环保的原则。为此,我们自 1979 年至 2008 年,我国先后引进刨花板生产线共 计 52 条,其中 3.5 万 m3/a 及其以下的计 26 条,德国原比森公司的 5 条(分别安装在北 京市木材厂、重庆木材综合加工厂、安徽滁州皖华人造板有限公司、海南三亚刨花板 厂、安徽合肥刨花板厂) 、德国辛贝尔康普公司 10 条,德国原斯库克公司的 2 条,原芬 兰美卓公司 8 条、赫尔本公司 1 条;5 万-10 万 m3/a 17 条,德国原比森公司 7 条,撒瑞 博公司 1 条,原芬兰美卓公司 9 条,10 万 m3/a 及其以上的计 7 条,德国辛北尔康普公 司 2 条、德国迪芬巴赫公司 2 条,原芬兰美卓公司 3 条[2]。引进国外先进生产线能够提 高刨花板的质量,但同时过分依赖进口会导致我们的生产成本增加,在国际市场的竞争 下丧失优势,所以尽快吸收欧美等国家的先进技术,自主研发,开发出符合中国自己国 情的生产技术是解决我国刨花板产业的核心和关键。 我国的刨花板市场需求大,但是我们的刨花板生产质量较低,为了更好的适应我国 “十二五”的要求,需要我们积极努力对刨花板生产过程的工艺控制理论进行研究和改 进,以此为中国林业的未来做出贡献。

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1 绪论

1.2 国内外人造板机械设备研究现状
1.2.1 国内外连续平压机研究现状
1977 年库斯特公司首先生产出了钢带滚子链型连续平压热压机。比利时公司当时安 装了这台年产 12 万 m3 的连续平压热压机在自己的刨花板生产线上,从那至今,己经连 续工作了 20 余年,整台机械情况仍然很好。随后的 1981 年首台钢带油膜型连续平压热 压机被应用于比森公司的刨花板生产线,运转状态良好。1984 年辛北尔康普公司为美国 生产了用于 MDF 生产的连续平压热压机。就连一贯喜欢靠加大板材幅面和增加热压层数 以生产多层热压机而闻名于世的迪芬巴赫公司,也改变原先的办法,加入了生产连续平 压热压机的队伍,之后就在 1990 年向丹麦公司供给了迪芬巴赫公司的第一台热压板幅 面为 2600mmX34000mm 的 CPS 型连续平压热压机。连续平压热压机从开始第一台的产生 到现在虽然只有 20 多年,但是其发展迅猛,目前已发展到第 9 代。除了制造生产的精 密度、自动化水平有了大幅提升以外,整机寿命也有所延长,同时机器零部件的生产也 逐步提高。机械性能和可靠性也有很大提高,单机的生产能力基本上提高了 5 倍,生产 成本也有大幅下降。2005 年全球连续平压热版机的存有数量己经将近 230 台左右,2006 年能够投入运行还将有 30 几台。目前四大机械制造公司提供全球的大多数的连续平压 热压机,其中以辛贝尔康普公司所占份额最高为 53%,其余美卓公司占 23%,迪芬巴赫 占 24%,比森由于所占份额过小已经退出市场。 早先的连续平压热压机基本上都广泛用于生产刨花板,最近则大多是 MDF(中密度 纤维板)和 OSB(定向刨花板)的生产线安装配套。单机年生产量大约是 8-45 万 m ,其 中以 15-30 万 m3 占据其中较大多数,年生产量大约为 25 万 m3,45 万 m3 是其最大的年生 产量。现在欧洲、北美及亚洲等国如马来西亚、印尼、日、泰、韩等规模较大的人造板 生产线 90%以上采用连续平压热压机配套生产,因此连续平压热压机的投入使用,就成 为人造板生产企业先进性的重要标志[3]。 目前的国际人造板连续压机行业被三大巨头德国的辛北尔康普公司、迪芬巴赫公司 以及芬兰的公司(以下简称三大集团公司)统治着。三大集团所成交的人造板压机成套 生产设备几乎覆盖全世界,这是因为他们已占全世界总生产能力和销售额的 85%以上。 最近几年内,国外新兴建造的人造板单条生产线生产能力大多在 24 万 m3/a 左右,并且 其中几乎全部使用连续平压热压机技术 。 连续平压热压机具有生产连续化、工作效率高、板面大、板厚任意调节、能够适应 多种厚度板材的生产等特点,成功地提高了人造板工艺水平,同时使得生产线上相关主 机设备与控制测量技术有了很大程度上的提高,由此引起了人造板装备制造业的一次全 新革命。再观人造板机械制造业的历史,三大巨头公司都是紧紧把握热压机这个人造板 生产过程中的最重要的设备进行技术创新的。全球人造板装备生产制造技术的水平正在 不断提高,国际人造板机械正走向产业大型化、生产高速化、控制水平自动化和高新技 术创新的道路,扩大原材料利用的范围、提高木材资源的利用率和产品质量,节能降耗
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1 绪论

等方向发展[5]。 (1)大型化:为集中整合生产信息、利于产学研开发新技术,实现连续化生产,提 高生产效率和有效降低生产成本,增强在国际市场的影响力,所以人造板厂出现了大鱼 吃小鱼的现象,采用重组兼并的方式,扩大生产规模,同时所使用的人造板机械设备也 走向了大型化集成化的道路。 (2)高速化:人造板机械的主动转轴转速、物料的进给速 度等都在大幅进步,设备的各个工段上的效率、滚筒皮带运输的传送速率在迅速提高, 从而设备的生产效能都被显著提高了。 (3)自动化:随着电脑的普遍使用,这就很好的 解放了工作人员的工作强度,并且使工作的效率加强,工人只需要操作电脑界面就能处 理生产过程中遇到的问题,系统自身就能够处理信号的检测,信号的保护,和整个系统 的控制,这样的话就进一步提高了劳动生产效率、设备利用程度和产品质量。 (4)多样 化:为扩大木质材料利用范围,提高木材利用率,减小边角余料的损失和人造板质量, 适应森林资源匮乏和产品转型中不断调整的要求,全球人造板机械制造厂商不断开发研 制新型人造板机械,以此来满足人造板市场对人造板机械产品样式不断日新月异的多样 化要求。 (5)节能化:随着逐年减少的世界能源,全球开始提高了对能源节约使用和新 型能源的研究开发工作的认识,因此不断提升人造板机器的工作效率就是我们目前急需 进步的方向。 (6)环保化:一部分欧美国家非常重视绿色环保,在工艺和设备上加大资 金的投入,就是用来治理在人造板生产过程中产生的污染物,例如废水、废气和噪声
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1.2.2 国内外人造板研究现状
1954-1956 年,北京木材厂实现了我国第一次刨花板平压生产试验,发现利用大豆 蛋白可以作为胶黏剂使用在刨花板的平压试验中。 1958 年,我国第一套年产 5000m3 平压刨花板生产线是山北京市木材厂自主研发设 计并投产使用[7]。 1983 年 5 月,在另外一些木工机械厂的协助帮助下,信阳木工机械厂获得了包括单 层热压机、气流铺装机等热压工段重要设备的成功开发,我国首套年产 3 万 m3 单层压机 刨花板生产线研发完成,吉林省三岔子林业局刨花板厂应用了该设备[8]。 1950 年前后刨花板成套生产设备步入我国,经过 40 多年的艰苦一卓绝的奋斗历 程,在发展的过程中我国刨花板的制造和生产技术不断进步,尤其在进入 1980 年以 来,通过采购引进欧美一些国家的调施胶技术、连续平压技术、新型铺装技术、计算机 技术以及智能自动化的控制技术等,刨花板生产线的科学技术水平己经迈上了一个新的 台阶。这种技术的先进性不但体现在提升了刨花板的产品质量和改善的胜能这些部分, 更为关键的是在生产过程中有效的减少了刨花板的废物的排放,降低了环境污染,节省 了生产中的耗能,能够实现“十二五”规划中的以较少的原材料损耗和较低的能源消耗 投入达到己经设定好的经济目标的原则,进而使刨花板的生产过程更符合经济、绿色环 保的原则。
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1 绪论

早期的连续平压机技术在国内是一个空白点,2006 年 6 月上海人造板机器厂有限公 司通过对国外技术采取吸收和改进创新相结合的措施,生产了我国第一台连续平压热压 机,并且在厂内完成安装、测试、试运行,由此终结了我国多年不能生产连续平压热压 机的历史,从此使我国不再完全依赖欧美等发达国家的连续平压热压机。连续压机 8 feet 宽,型号为 BY7427/452,用户为斯洛伐克的 BucinaDDD,SPOL.s.r.o.,2007 年 1 月交货,同年 11 月投产,日产刨花板 1400m3(板厚 18mm) 。 该压机的成功研发不但能取代了国外进口机械设备,同时也能降低成本,并且通过 再一次拓展应用的范围,使人造板的生产进入一个全新的环境,这将很大程度上拉近我 国人造板设备制造业与发达国家的区别,赶上世界先进水平,连续平压机的创新生产一 定会带来我国人造板制造业新的革命。

1.3 课题研究的目的及意义
刨花板在 1996 年后的几年之间,有了局部小幅回落,但之后总体上形成了一个持 续稳定上升的时间段,特别是近 5 年的发展脚步更为快速。刨花板在市场中得到认同 后,消费的主力市场逐渐扩展。 同时随着进入 21 世纪,随着知识经济的到来,随着党中央提出的可持续发展理 论,特别是提倡建立节约型社会的呼声后,中共中央出台了一系列“关于加快发展林业 若干问题的决定”的有利举措,使得刨花板生产行业逐渐步入了迅速发展的轨道。在最 近的 3 年到 4 年间,我国的刨花板生产量有了将近一倍的提高。这一段时问的快速发展 伴随着的是市场价格逐年升高、人造板生产量不断增加、刨花板生产企业的经济效益稳 步提而。自 2008 年我国刨花板生产量历史性地突破一万立方米的关口后,2009 年我国 刨花板生产量更是达到创纪录的 1431 万立方米,同比增长了 25.31%[9]。

1.4 研究的内容及方法
刨花板连续平压纠偏控制研究主要是采用合理的连续平压工艺流程,在控制方法上 进行适度改进。改进连续平压的控制精度和检测厚度的方法,大大提高了生产效率。同 时对检测方法和手段进行改进,采用接触式测量的方式对板厚进行检测,配以光栅传感 器测,达到精确测准。在控制方法上,洋细了解了连续平压生产厂家现有的控制方案, 查阅了国内外同行的相关资料,发现我国热压生产中普遍存在砂光量过大,分层鼓泡, 浪费严重等缺点。现在应用在生产线上的机械设备采用的是传统的 PID 控制方案,这对 于工艺流程复杂,被控对象数学模型难以建立,高度非线性,大滞后的刨花板连续平压 控制系统来说,控制过程较为粗糙,误差较大,最后的产品质量不高。所以深入学习和 研究新的方法和手段,不断尝试将先进的控制技术引入到连续平压的控制系统中来,对 我国刨花板的又好又快发有着极为关键的作用,使中国的刨花板在国际市场的竟争中获 得优势有着重要意义。 本文结合生产实际的情况,根据连续平压课题组组装应用的 GreGonDmr5000 型实验

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1 绪论

装置进行相关研究。综合分析了连续平压生产过程中遇到的问题,首先对连续平压工艺 进行了适度的优化,之后对连续平压过程控制算法提出了优化改进方法,对传统的 PID 控制进行了改进,应用基于遗传算法的满意度优化方法,实现了对刨花板连续平压过程 较为精确的控制,但是这两种方法也有一定的局限性,就是对外部的不确定的干扰有较 弱的辨识和控制,针对此问题,本文提出应用自抗扰理论对平压系统进行控制器设计, 同时该方法对外界干扰也有较强的辨识和控制过程。

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2 刨花板连续平压自动纠偏控制系统

2 刨花板连续平压自动纠偏控制系统
2.1 刨花板概述
1 刨花板的标准定义 采取国际 IS0820-1975《刨花板定义和分类》 ,刨花板是利用施加胶料和辅料或未施 加胶料和辅料的木材或非木材植物制成的刨花材料(如木材刨花、亚麻屑、甘蔗渣等) 压制成的板材[10]。 2 刨花板相关标准 (1)分类 根据用途分:a. A 类刨花板;b. B 类刨花板。 根据刨花板结构分:a. 单层结构刨花板;b.三层结构刨花板;c.渐变结构刨花板;d.定 向刨花板;e.华夫刨花板;f.模压刨花板。 根据表面状况分:未饰面刨花板:a.砂光刨花板;b.未砂光刨花板。饰面刨花板:a.浸 渍纸饰面刨花板;b.装饰层压板饰面刨花板;c.单板饰面刨花板;d. 表面涂饰刨花板;e.PVC 饰面刨花板等。 根据所使用的原料分:a.木材刨花板;b 甘蔗渣刨花板;c.亚麻屑刨花板;d.棉秆刨花 板;e.竹材刨花板等;f.水泥刨花板;g.石膏刨花板。 根据制造方法分:a.平压刨花板;b.挤压刨花板 比。 (3)静曲强度:静曲强度是在最大载荷作用时的弯矩和抗弯载面模量之比。 (4)弹性模量:在材料的弹性极限范围内,载荷产生的应力与应变之比。 (5)握螺订力:拨出拧入规定深度的木螺钉所需的力。
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( 2 )内结合强度:内结合强度是垂直于板面使试件破坏的最大拉力和试件面积之

2.2 刨花板生产工艺流程
刨花板的生产过程其实是对木质或非木质材料分离之后又重新组合的过程, ,刨花 板的整个生产过程如图 2-1 所示,全部过程包括原料贮存-削片-刨片-干燥-筛选-干刨 花计量-调胶-胶计量-施胶-铺装-预压-热压-冷却-纵向裁边-横向裁边-堆垛-毛板中间 贮存(冷却)-砂光分等-产品入库[14-15]。

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2 刨花板连续平压自动纠偏控制系统

图 2-1 刨花生产流程

其中刨花干燥的目的是使刨花含水率降低到工艺要求以达到施胶均匀和提高产品质 量的目的,使刨花中含水率基本上趋于一致,降低刨花板的内应力,提高产量,提高热 压机生产能力,便于生产操作。刨花分选的目的:(1)刨花形态不一。 (2)表芯分开施 胶的需要。 (3)满足二次加工的需要。 (4)热压工艺需要。 (5)调拌胶需要。冷却的日 的和作用:1、防止脉醛胶产生预固化,由于机内机壳摩擦温度高;2、拌胶爪等的表面 产生冷凝水(一般温差大于 15℃,则产生冷凝水)减少刨花与拌胶爪之间的摩擦力,降低 动力消耗。热压的目的:在热压机中,板坯在热能和压力的作用下,将其制成具有一定 容重,一定厚度和一定强度的刨花板。砂光的目的和作用:热压后的刨花板表面不光 滑,有一定的预固化层,平均密度就会有所下降,影响刨花板的各项性能和刨花板的表 面质量,所以将会影响到二次加工。因为要得到密实、平整光滑的刨花板板面,控制生 产出符合厚度标准要求的刨花板成品,这就需要对板面进行砂光工序的处理。 其中热压过程是刨花板生产工艺中最重要的环节之一,热压过程的好坏直接影响刨 花板的质量及生产的成本,对之后砂光工序的影响尤为严重,成功的热压过程为整个生 产成本节约大概三分之一的成本。由此可见,热压过程值得我们深入的学习与研究,因 此采取合理有效的热压控制过程算法,对改进热压过程有着至关重要的作用。

2.2.1 刨花板多层热压工艺
刨花板生产过程中最为关键、咽喉所在的步骤就是热压工序,整条生产线的安全性 和产品质量都由它所决定。通过安排符合生产实际的热压时间,热压温度和热压压力的 关系使得刨花板被压制成为具有良好的物理化学指标的板材就是热压工段所做的,因此 对热压工段控制过程的研究有助于我们增加热压效率、提高产品质量。由于工作过程 中,热压工段是典型的非线性,迟滞,模型存在很大的随机性,所以对于刨花板热压控 制系统处理上就有很大难度,它通过液压机来控制热压板闭合的速度和闭合的加速度。 复杂的物理和化学变化在热压过程中一直存在,这就使得系统本身并不具有一个静态的
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2 刨花板连续平压自动纠偏控制系统

稳定点,这就要求我们对热压机的控制要有更高的动态特性和精准性[16]。 刨花板的多层热压工作过程如下:在原始工作位置,热压机压板全部开启,装板机 顶层位于板坯输送机的水平面。当板坯经输送机送入装板机时,装板机上升一层,如此 每装一层上升一层,当每层均装上板坯后,装板机(或用其他装置)将板坯一起送入热 压机。然后热压机油缸通过下顶式运动将热压板全部合拢、闭合,对板坯进行热压。在 热压的同时,装板机快速下降至顶层与板坯输送机的水平面,继续装板坯。当热压结束 时,压机开启,装板机刚好全部到位。装板机再次将板坯送入热压机,同时将压制好的 板材推出热压机,送入卸板机(或在卸板机上采用特殊的办法将板材拉出热压机) 。热 压机再次合拢、闭合,装板机快速下降,卸板机向下一层一层地运动,卸出所压制的板 材,以此周而复始的动作,形成连续自动化的生产[17-18]。 刨花板板坯在周期式热压机中进行多层热压时,通常需要采用厚度规控制板坯厚 度。如果压力在热压过程太大,不仅板坯厚度的准确性受到影响,并可能导致热压板的 变形和厚度规的损坏;如果压力太小了,由于化学物理反弹力的大小,板坯不能被一个 准确的控制量控制厚度,所以在生产过程中需要不断调整出一个合理的热压工艺曲线, 以确保板坯成形的时间,同时减小压力测厚仪的压力,起到保护设备的作用,所以好的 热压机是用定位控制器,即 LVDT 线性变位传感器来控制热压机开档的总距离,厚度规 只起一种辅助控制厚度的作用[19]。 热压机分单层热压机、多层热压机、连续辊压机和连续平压机。多层热压机产出 高、占地面积小,价格也较低,但是生产的刨花板厚度差别较大,预压机也是经常需要 配置的,同时在后序的砂光过程中还会有较大的损耗;单层热压机整机较为简单,预压 机一般可以不使用,同时可压制大面积刨花板,大幅降低板材一的齐边损失,板材的厚 度较为均匀;连续辊压机适于生产 1-l0mm 厚的薄板,同时所压制的刨花板因为压机原理 的缘故容易发生翘曲,力学性能较差 ; 连续平压机压制的板材表面平整、较少出现鼓 泡,密度均匀,砂光量小、不存在齐边损耗、板材厚度调节范围大,但是设备相对来说 价格比较昂贵、前期资金投入较大,由于机械元件精密细小众多,所以设备管理相对较 为严格。使用不同种热压机,其各个方面的消耗都有所差别。以生产 lm 的 16mm 厚刨花 板为例,其耗能的各项指标如表 2-1 所示[20]。从表 2-1 中可以看出,连续平压机在压制 刨花板的过程中各项耗能都较少,比较多层热压机来看,节约能源较多,符合绿色环保 的要求。而多层热压机装板和卸板的过程中会流失掉很多的热量,但是连续平压热压机 无需热压板的张开和闭合过程,这就不会产生能量的损失,仅仅就张开和闭合热压板这 一过程,多层热压机热损失就比连续平压热压机多 18%左右。同时连续平压热压机压制 成型的刨花板,在纵向密度分布更均匀;在板材受到的强度差不多时,多层热压机压制 板材的容重可比连续平压机压制板材的容重多大约 3.1%。

2.2.2 刨花板连续平压工艺
钢带平压式连续热压机通常采用双钢带,故也称双钢带平压式连续热压机。
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2 刨花板连续平压自动纠偏控制系统

(1)滑动摩擦型:将热油松送入热压平板和钢带之间形成油层,从而使钢带在热压 平板土的运动为有润滑的滑动摩擦。 (2)滚动摩擦型:在热压平板和钢带之间,装有很多圆柱形小辊,通常称这种压机 为履带式压机,从而使钢带在热压平板上的运动为滚动摩擦[21]。 连续式平板热压机的工作原理是,成型并经预压的板坯,在输送进热压机之前,由 高频加热器预热,目的是缩短热压时间,减小板坯厚度。采用高频预热,可缩短热压时 间 40%,预热温度在 70℃左右。经预压的板坯,随钢带直接输入压机。 此处研究了综合连续平压和液压控制板厚系统的技术。热压机土的两个热压板之见的距 离大约等于所要压制的板厚。为了能够使控制作用的效果达到最佳,这个距离在需求不 同的热压机有不同的数值。通常来讲,多层热压机可分为简单的三个阶段装板闭合,加 压加温热压处理,张开热压板卸掉压力。但是连续平压系统将三个阶段转换为五个阶 段,即是迅速闭合,预压,保压,逐渐卸压和最终卸压,卸掉一部分压力是指生产线上 没有刨花板板坯的情况。 关于连续平压热压机的性能分析: (1)生产连续化 率。 (2)产品质量提高 生产的刨花板表面光滑平整、质地均匀密实、断面密度相差 不大,预固化层很薄,接近成品状态。所压制的板材力学强度高,在板材密度减少 6% 时,仍具有与多层热压机所压制的板材有相同的力学强度。 (3)板材厚度控制精确 一般厚度公差不大于±0.1mm。 (4)木材材料消耗少 木质材料消耗为多层热压机的 85%。由于加热与加压同时作 用,板材预固化层极薄,因此在后续工段可大幅减少砂光量,大量节约了能源的消耗, 一般刨花板砂光量仅仅为 0.2mm(单面) ,同时也没有横向裁边损失,一座年产 10 万 m3 的刨花板厂,可减少砂光损失和横向裁边量接近 1000m3。 (5)板材规格样式多 首先刨花板板材面积大,宽度可高达 2800mm,对于长度几 乎没有任何限制。板材厚度也可从 2mm 调节到 40mm,且适用性板区间范围宽,这也就是 说对于由板材厚度不相同而导致的生产波动适应性强。 (6)生产效率高 (7)节电、省热 因为在其生产过程中没有提升压板,加压和卸压的等待过程。 在整个连续平压热压控制过程中,热压板几乎是与板坯一直接 连续平压热压机的生产效率是单层压机的 18 倍,多层热压机的 25 倍。 触,压力也保持在一个恒定的状态,电压和电流的输出保持在一个稳定的状态,没有如 多层热压机中出现的电压的最高值和电流的最大值,因而节电、节约能源,直接电耗仅 为多层热压机的一半,热耗低 10%-15%。
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采用连续平压热压机,即是摒弃了多层热压机生产过程的中断

生产线流程的办法,使得生产线形成流水化作业,减少了等待热压的时间,提高了效

由于连续平压热压机不仅仅能在 Y 轴方向各区间连续自

动调整热压压力,而且沿热压板 X 轴方向压力也可精密微调。因而板材厚度尺寸精确,

2 刨花板连续平压自动纠偏控制系统

(8)精简了生产设备

采用连续平压热压机的时候,不用使用装板机、卸板机和

高速传送设备,因此减少了机械设备的占地面积,节约了厂房空间,降低了生产成本。 当生产的产量保持相同的情况下,连续平压机、单层热压机、多层热压机的占地面积之 比为大概 1.0:1.1:1.78。 (9)由于不在生产过程中使用像多层热压使用的厚度规,即整个系统不需要停下 整个设备的运行然后调整厚度然后再进行热压,而是只需要改变热压板之间的厚度,操 作灵活,而且对于整机的使用寿命有了很大程度上的提高。 (10)综合指标高 尽管连续平压热压机的单价较高,但由于它压制出的刨花板性 能好,机械设备单位时间内的工作量大;无装板和卸板的过程,所以节约能耗 ;同时由 于压制精确,基本不用砂光,所以节省材料。在人造板生产规模较为庞大的生产线,就 具有显著的优势,除了板厚精确,密度均匀外,使用连续平压机的人造板生产成本也可 降低大约 16%,被认为是热压机里最好的机械机种。

2.3 刨花板连续平压自动纠偏控制系统分析

图 2-4 刨花板连续平压自动纠偏控制系统原理图

图 2-4 给出了刨花板连续平压自动纠偏控制系统原理图,控制面板利用组态王进行 编写,以便使操作变的简洁明了,利用西门子公司生产的 S7-300 PLC 进行编写控制程 序,将由 GREGON 设备上的压力传感器和厚度传感器测得的模拟数据由 A/D 转换模块转 换后送入 PLC 中,形成控制依据,然后 PLC 输出数字控制指令经 D/A 转换模块转换后送 入触发电路中控制液压传动设备,液压传动系统控制压机系统对刨花板进行热压,形成 刨花板连续平压的精准控制[22-23]。

2.4 本章小结
本章对刨花板做了简单的概括与总结,详实的介绍了刨花板生产流程。重点分析了 刨花板连续平压的生产工艺,指出了多层热压传统工艺的缺点和不足,提出采用刨花板 连续平压自动纠偏控制系统的热压方式,在热压的工艺中对系统做了改造。应用了新的

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2 刨花板连续平压自动纠偏控制系统

检测板厚的方法,摒弃了原来厚度规的使用,在硬件上对系统做了改进。最后,阐述了 连续平压自动纠偏系统的特点,找出了连续平压过程中的关键要素,分析了传统 PID 连 续平压控制方法,在此基础之上提出了下文对连续平压自动纠偏控制系统的优化和改进 的措施。

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3 自动纠偏系统传统 PID 控制及仿真

3 自动纠偏系统传统 PID 控制及仿真
3.1 传统 PID 控制
自从 20 世纪 40 年代以来,电脑的应用普遍开来,用数字控制器代替模拟控制器组 成计算机控制系统,不仅可以编写程序来实现 PID 的各种控制算法,同时可以使用计算 机的逻辑数值运算功能,使 PID 的控制效果更加理想。在电气、能源、机械加工、军事 工业等行业中数字 PID 控制是被广泛采用的一种控制方法,在其中被得到了直接的应 用。将偏差的比例(P) 、积分(I)和微分(D)通过线性的多种组合配成控制量,对被 控对象进行连续控制,所以被称为 PID 控制器,传统 PID 原理框图如图 3-1 所示。

图 3-1 传统 PID 控制系统原理框图

PID 控制器是一个带有三个参数的控制器,它根据给定值 rin(k)和实际输出值 yout(k) 构成偏差: Error(t)=rin(t)-yout(t) PID 的控制规律为: (3-1)

u (t ) ? k p (error (t ) ?

1 TI

? error (t )dt ?
0

t

TD derror (t ) ) dt
[24]

(3-2) 。

式中 kp—比例系数,TI—积分时间常数,TD—微分时间常数 通常来讲,PID 控制器比例、积分、微分环节的作用如下 立即产生控制作用,去减小误差量。
[25]



(1)比例环节:成倍数的放大系统产生的误差,误差一旦出现变化,PID 控制就会 (2)积分环节:主要是用来消除系统的静态误差,使系统静差在控制作用时候较 小。积分作用的大小主要是跟时时间常数 Tt 有直接关系,Tt 越小,积分作用越强;Tt 越 大,积分作用越弱。 ( 3 )微分环节:反映误差信号变化的变化速率,能够在系统出现较大的误差之 前,对系统产生及时的早期信号处理,从而在真正控制作用到来的时候,迅速对系统进 行调节,节约了时间。 PID 控制器早在 30 年代末期就已经出现,经过五十多年来不断的更新换代,由模拟
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3 自动纠偏系统传统 PID 控制及仿真

PID 控制器发展到数字 PID 控制器,己被广泛用于工业过程控制。为了改变 PID 的调节 性能,PID 控制算法也不断改进,出现了步进式 PID 控制算法,微分先行 PID 控制算 法,变速积分 PID 控制算法,带死区的 PID 控制算法,特别是最近几年又出现了鲁棒算 法 PID 控制器、蚁群算法 PID 控制器、遗传算法 PID 控制器。所有这些 PID 控制算法的 出现大大说明了一个问题,就是 PID 的发展是一个长盛不衰的过程,这是因为这些控制 算法中包含了一些深刻的思想,使得人们需要去不断认识,不断创新,不断改进,这些 研究与创新对于 PID 控制器的发展无疑是非常重要的[26-28]。

图 3-2 一个最普通的闭环控制系统

图 3-2 给出了最普遍的闭环控制系统,该系统的闭环传递函数: K1D( s) K 2G(s) C ( s) ? R( s) 1 ? K1D( s) K 2G(s) 动态增益。

(3-3)

式中 K1 为控制器的静态增益、D(s)为动态增益;K2、G(s)分别为广义对象的静态、 在通常情况下,人们期望给定指令侧 R(s)与被控参数 X(s)之间的传递函数为 1。同 时,状态的获得、过程信息的传送以及控制执行命令都需要一个过程,需要一定的时间 响应。这个过程用传递函数可描述为
C (s) ? e ?? t R(s)

(3-4)

式中:τ 表示控制作用的传输时间,即完全滞后时间。许多的工业控制过程,如化 学工业、热能工业、军事工业、能源工业、大型电站等许多生产加工过程特性,大多可 利用带有时间延迟的二阶传递函数大概表达为[29]。

K 2G ( s ) ?

K 2e?? t (T1s? 1)(T2s? 1)

(3-5)

式中 T1、T2 分别为二阶被控过程的惯性时间常数,τ 为纯滞后时间。 如果使用闭环传函满足理想状态的条件方程式( 3-4) ,就可以由式( 3-3)和(35)可得

e?? t K1D(s) ? K2G(s)(1 ? e?? t )
? (T1s ? 1)(T2 s ? 1) K 2 (1 ? e?? t )

由于 1-e-τ t 可以用 τ s 近似表示,所以可得
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3 自动纠偏系统传统 PID 控制及仿真

K1 D( s) ?

(T1s ? 1)(T2 s ? 1) K 2? s

?

T1 ? T 2 1 1 TT 1 2 (1 ? * ? s) K 2? T 1? T 2 s T ? 1T 2
1 ? TD s ) T1s

? K P ( 1?

式中
KP ? T1 ? T2 K 2?

TI ? T1 ? T2
TD ? T1T2 T1 ? T2

由此不难得出控制器的输出为: 1 U (s) ? K P (1 ? ? TD s) E (s) T1s 公式为:

(3-6)

式(3-6)所提出的是模拟系统 PID 控制公式,同时也可列出增量式数字 PID 控制

?U (n) ? KP [e(n) ? e(n ?1)] ? KI e(n) ? KD[e(n) ? 2e(n?1) ? e(n? 2)]
式中 KP、KI、KD 即分别对应比例、积分和微分系数。 T T KI ? KP KD ? KP D T T ,T 为采样周期[30]。 1 , 其中 从上面的公式推导可以得出,对于已经确定好的精确数学模型的被控对象, PID 控 制方法是一个比较得力的控制方式。

3.2 对传统 PID 控制的剖析
在上面所列出的 PID 控制中比例、积分和微分三种控制作用都存在着。 比例控制的优点是:误差如果出现的情况下,控制器立即成倍数的放大偏差信号, 立即产生控制作用,使所要控制的值具有减小误差的趋势,随着控制系数 KP 的增加, 控制作用就会加大。比例控制的缺点就是对于系统能够逐渐恢复稳态的,有可能出现较 大的超调量,这对于系统的安全性是十分不利的。增加 KP 的数值,可缩小静态误差,但 同时如果 KP 设置过大,会导致系统出现动态的调整,无法回到稳定的状态。 积分控制的优点是:积分控制对系统的误差信号有存储的功能,能够有效的消除静 态误差。但是积分控制的弊端就是具有较大的时间延迟,如果设置过大,就会使动态响 应变差,迟迟不能进入稳定状态,影响系统的稳定性。 微分控制的优点是:微分的含义,即对误差信号求导数,从而观察系统曲线斜率的 变化,以便对系统的变化趋势有一定的了解,最终能够快速捕捉系统偏差信号的变化趋
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3 自动纠偏系统传统 PID 控制及仿真

势,随着微分控制作用强度的加大,可使系统迅速进入稳态,响应时一间大幅缩短,但 是这样也带来了一定的影响就是对干扰信号也有同样的动态跟随特性,不利于在系统受 到干扰后恢复稳态。 依据被控制对象的不同恰当地调整 PID 的三个控制参数,大多情况下就能获得较为 成功的控制作用。实际操作证明,对于比例、积分、微分的三个参数的调整,就是综合 各个方面因素考虑的。这里说明,即使有诸多 PID 参数的整定办法及经验,但是这些整 定办法不但耗费时间,而且各个参数之间往往有干扰和影响,最后难于有比较成功的效 果。 分析常规 PID 控制过程容易知道,这种控制方法没办法调和稳定性与动态响应之间 的矛盾,增大控制作用可使偏差信号迅速减少,精确性可以有较大的提升,但这同时使 得系统的稳定性有所下降,反之,如果保证系统的稳定性,对控制作用加以适当降低, 这样又使控制的准确性下降了。即便我们对被控制对象已经调整好了一组合适的 PID 参 数,但是当被控对象发生变化的时候,我们又必须重新调节一组数据,原来的参数又无 法适应新的控制对象[31]。

3.3 从 PID 控制得到的经验
以大多数的生产实际被控对象来说,由于其自身存在的惯性或延迟特点,以及控制 系统中被控对象机械特性的自身不确定性和外界条件的干扰的随机性,以上这些因素全 部都给整个系统的控制带来麻烦和未知性,从而就使得控制过程难于处理,变得复杂。 由物理的层面上得出,控制过程其实是一种信息筛选、分类、处理及能量传递的过程。 因此,提升信息的收集处理能力,在较短的时间内以较小的成本完成整个系统按设定的 方案进行能量传递和转移,这便是控制系统设计应用中所要面临解决的核心问题。 接下来我们看一看 PID 控制中的三种最普遍的控制作用的本质以及它们的具体作用 与类比人的某种智能控制方法,这样可以得到控制规律向着怎样的智能化方向发展。比 例调节作用,本质上起到成倍数放大(或缩小)的作用,它有趋同于人脑的想象思维功 能,人完全可以把一个看到的实物量想象得大一点或小一点,但是人的想象力带有很强 的非线性和时变性,这是智能化的表现,但是这一点是一般的比例控制作用所没有的。 积分调节作用,本质上是对偏差信号的存储记忆功能。人类的记忆力是人们的一种 基本智能化表现,但是人记忆事物是带有某些选择成分,人们经常是有目的的选择性记 忆某些重要有价值的情况,而忘记无关紧要的内容。而常规 PID 控制中的积分作用,则 会想当然地“存储-记忆”误差的信息以及误差变化的内容,这些记忆的信息中有些也 包括了对控制过程不利的,使控制处于不稳定的干扰信息,因此,常规 PID 控制作用中 的积分作用是不具备智能性的[32-33]。 微分调节作用,表现了某些信号的变化趋势,这种与人类预见某些变化的趋势相类 似,但是对于常规 PID 控制中的微分作用的预见性不具备像人类那种基于一些经验的预 测,这是因为它对变化速度快的信号捕捉迅速,而对于信号变化速率较慢的信号捕捉能
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3 自动纠偏系统传统 PID 控制及仿真

力就较差,对于其改变的趋势的预见性就显的太小了。 从上面的论述可以得出,常规 PID 控制中的比例、积分和微分三种控制作用,对于 获得优秀的控制来说都是必须存在的,是必不可少的条件,但是不是完个的条件。这就 可以明确为了得到较为成功的控制过程系统性能,通常来说,仅仅使用线性组合的控制 方式还是远远达不到要求的,同时也必须吸收一些非线性控制办法。因为在系统动态响 应过程中,比例、积分和微分这三种控制作用所完成的任务是远远不够的。所以,在控 制过程中要依据系统的动态特性和所发生的情况,使用灵活多变的最有力的控制方式, 例如使用自学习自调整参数的方法、抗饱和积分(非线性积分) 、对采样采取智能化的 手段等多种渠道。完成这些任务的重要办法就是依靠专家多年的生产实际经验、直观判 断和直觉推理。如此的控制手段对于解决控制系统中的稳定性与精确性的矛盾提供了一 个很好的方法,同时这也能提高整个系统对于随机性情况的适应能力,即鲁棒性。这样 的 PID 控制器,己经同常规 PID 控制器发生了本质的变化,这一类型的 PID 控制已经成 为智能控制领域的一个科研走向,即智能或专家自适应 PID 控制。

3.4 常规 PID 控制及其 MATLAB 仿真实验分析
根据课题组推导出的连续平压控制数学模型:
G( s) ? 523500 s ? 102s 2 ? 10400s
3

利用传统 PID 控制的连续平压纠偏系统阶跃响应曲线如图 3-3 所示,将板厚值设为 期望恒定常值,由 GREGON 设备所得的板厚值和给定值进行比较作差形成偏差值,然后 由执行器件进行动作控制,其中期望跟踪厚度为 1mm,初始值设定为 0mm,采样周期设 定为 0.1s,控制系统选择设计的 PID 增益参数如下: KP ? 50, KI ? 2, KD ? 10 。

图 3-3 传统 PID 阶跃响应曲线

从图 3-3 中看出传统的 PID 控制的超调较大,对设备的要求就会较高,而且系统稳 定的时间较长,同时系统对于干扰的恢复能力较弱,也就是整个系统的鲁棒性较差。
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3 自动纠偏系统传统 PID 控制及仿真

3.5 本章小结
介绍了传统 PID 的基本概念与内容,PID 控制方法是工业中常见的控制办法,操作 简便易行,但是传统 PID 也有它的不足之处。本节利用传统 PID 控制方式对连续平压课 题组推导出的连续平压模型进行 MATLAB 仿真,得到它的阶跃响应曲线,但是传统 PID 控制的超调较大,对设备的安全性有很大的影响,同时对干扰的抑制也没有较好的处 理,对于生产环境十分嘈杂的刨花板生产工厂系统会较难恢复稳定,这就不利用刨花板 的生产,会发生热压不稳定,板厚不均匀,最终影响生产成本。所以在下一章,我们将 引入模糊 PID 控制对刨花板连续平压进行控制及仿真,对系统对干扰和非线性进行改 进。

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4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制

4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制
PID 控制器控制效果的优劣依赖于其参数的整定[34],多数的 PID 整定方案都需要有 受控对象的精确数学模型,但刨花板的热压控制过程十分复杂,不确定因素多,依靠建 立受控对象数学模型或识别系统响应曲线的整定方法难以实现参数的整定 [35]。本章利用 遗传算法建立起满意度函数作为评价标准和参数优化依据,设计了基于遗传 -满意度优 化的模糊 PID 控制方法。

4.1 遗传算法概述
4.1.1 遗传算法基本原理
遗传算法是一类借鉴生物界的进化规律(优胜劣汰适者生存遗传机制)演化而来的 随机搜索办法,它将生物界中的自然选择和种群遗传学原理引入到搜索过程中,使其具 有广泛的适用性
[36]

。遗传算法将自然界中适应环境者生存这一自然规律作为基本思想,

并结合随机信息交换消除迭代过程中的不适应因素。随机信息交换这一思想利用了原有 解本身的知识,从而有力地提高了搜索速度。 遗传算法的搜索过程起始于种群,即一组随机产生的初始解。种群中的个体称为 “染色体”,每条染色体都作为问题的一个解。染色体通常是一串数据或数组,用来表 示所优化问题的解。这些染色体在后续的迭代过程中不断向最优解进化,这个进化过程 就称为遗传[37]。在每一代的进化中,用适应度函数值来评价该染色体的优劣。染色体通 过“交叉”或者“变异”操作而形成下一代染色体。 新一代染色体形成时,根据适应度选择后代保留部分的大小,消除一些个体以保持 种群规模的恒定。适应度函数值高的染色体被选中进行下一代遗传操作的概率较高。经 过若干代迭代进化后,算法将收敛于最优的染色体,该染色体就被视为问题的最优解或 者次优解[38]。

4.1.2 遗传算法的基本操作流程
基本遗传算法的操作方法包括三个环节。首先对问题的解进行编码,即用染色体来 表示问题的可能解,编码后的染色体构成初始种群;适应度函数的确定需要考虑待优化 问题的目标函数,然后根据个体适应度值的大小来选择个体是否能够参与遗传操作;最 后,按照优胜劣汰和适者生存的生物学原理逐代进行衍化,直至得到问题的最优解或者 近似最优解。个体进化结果的优劣由其适应度函数值进行评判,在种群的衍化及变异算 子的作用下个体不断向更高的适应度进化,以此来寻找问题的最优解。遗传算法的操作 可以总结为:编码设计、初始种群生成、适应度函数获取、遗传算子选择及设定,具体 步骤如下: (1)首先确定编码方案并随机产生初始种群,种群中个体的数目需要事先确定,

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4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制

种群中每个个体表示为染色体的基因编码。 (2)设计适应度函数并计算各个个体的适应度函数值,判断是否符合优化准则。 若符合,则输出最佳个体及其所代表的最优解,并终止计算,否则转向步骤(3) 。 (3)参照个体的适应度函数值选择可以作为父代的染色体,适应度低的个体被选 中的概率较低或者直接淘汰,适应度高的个体被选中的概率高,可以留下来继续进行遗 传操作。 (4)采用一定的交叉概率及交叉方法、变异概率和变异方法生成下一代新个体。 (5)由交叉和变异操作获得新一代的种群,并返回步骤(2) 。

4.2 满意度的基本概念
满意度原理来源于对人类处理问题的一般思维和行为方式的研究,人们在处理实际 问题时,衡量解的质量往往是依据满意性而不是最优性 [39]。诺贝尔奖获得者哈西蒙率先 提出了用满意决策代替最优决策的满意度思想。哈西蒙曾以地里摘玉米的实例进行了说 明:在某块地里要找一颗最大的玉米是很困难的,需要把地里所有的玉米进行测量,再 加以比较才能确定,显然玉米地面积越大工作量就越大。但如果找的玉米不要求最大, 而是比较大,即按通常的说法,到地里去摘一颗大玉米,问题就简单多了[40]。 随着满意度研究的深入及运用数学方法研究满意理论而取得的成果,人们发现满意 度理论不仅仅局限于决策科学,它是一种普遍的、系统的原理,可以适用于许多与人类 活动相关的科学领域,如优化、决策、控制、知识系统、分配等 [41]。满意度是裁定问题 解的满意程度的基准,满意标准可以是模糊的,也可以是精确的,其制定需要根据实际 待解决的问题[42]。满意标准可以把问题的解映射为用户对解的满意程度,将客观的问题 解集和主观的用户评价结合了起来。由满意度的定义可以归纳满意度的几点性质: (1)相对性满意度是在给定满意标准下的满意度。一个问题可能存在多个满意标 准,对于不同的标准,满意度可能不同。同时对一个独立的解,其满意度是没有意义 的。只有讨论两个或两个以上的解时,满意度才有意义。 (2)一般性满意度的定义没有限定其具体的数学表现形式,目的就是定义本身只 需要体现其内涵,至于其表现形式,完全可以根据问题本身由用户确定。 (3)唯一性满意度是在给定满意标准下的满意度。对于一个确定的标准,每个解 具有唯一的一个满意度和它对应。

4.3 满意度函数及其建立
满意度是衡量人们对某一问题解决方案的满意程度的一种相对量,是不精确的模糊 语言。为了工程计算或科学研究的方便,人们对一些常用的满意度表示形式进行了量化 的描述,这就是满意度函数建立的初衷[43~46]。满意度函数的建立原则是:真实、合理、 实用、准确、简洁。本文利用遗传算法的思想建立 PID 控制中的满意度函数。PID 控制 问题中参数有三个
kp
k k 、 i 和 d ,构成可供优化选择的参数集。
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4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制

X ? ( x1 , x2 , x3 )

xi ? R, i ? 1, 2,3

X ? Rn

(4-1)

问题的解空间即为 X ,评价该问题的指标有调整时间、上升时间、稳态误差和超调 量,若问题有 n 个解 标集的构成为:
xi

( i =1,2,3?n) ,其中任意一个解设为

xj

=[ x1 , x2 , x3 ],则性能指

j

j

j

Q ? ?(q1 , q2 , q3 , q4 )
令 q k 为某一个性能指标关于参数
j

qk ? R, k ? 1, 2,3, 4?
xj

(4-2)
xj

的对应取值,则某一个解

对应的性能指标

j j j j qj ? ? ?q1 , q 2 , q 3 , q 4? ? ,若这个解对控制效果满意时取 1 ,否则取 0 。设 qk ? ?k ( x) ,则

q ? ? q1, q2 , q3 , q4? ? ?? 1( x), ? 2 ( x ), ? 3 (x ), ?4 ( x x) ? )? ? ( ,为简化计算,现定义满意度函数为:
f (q) ? f (q1 , q2 , q3 , q4 ) f (q) ??0,1?
其中
wk

(4-3)

是关于

qk

的权值,其值的大小取决于某一满意度函数对系统的重要程度。

?w
k ?1

4

k

?1

(4-4)

在遗传算法的繁衍规律中由满意度裁决复制某个体的几率,满意程度越高,其繁衍 后代的概率增大,满意度低的个体将被淘汰[47~49],具体方法是:令第 k 个个体被复制的 概率为其综合满意度 体中选取以概率 相互影响关系,
pc pc

Pk ? f LK 。交叉概率设为 pc ,采用单点交叉法,在所有复制后的个

组成的个体随机进行变异。考虑到遗传算法中变异概率和交叉概率的 和
pm

的计算公式如下:

P c (k ? 1) ? P c (k ) ? [ P c (1)-0.3] / kmax P m (k ? 1) ? P m (k ) ? [0.3 ? P m (1)] / kmax
将综合满意度函数
fL

k ??1, kmax ? k ??1, kmax ?

(4-5) (4-6)

融入遗传算法中作为适应度函数:
4 4

f ? f L (q) ? ? wk qk / ? wk ? aq1 ? bq2 ? cq3 ? dq4
k ?1 k ?1

(4-7)

- 20 -

4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制

设调整时间 意度函数如下:

q1

,上升函数为

q2

,超调量为

q3

,稳态误差为

q4

,由各性能指标设计满

? ?1, ts ? 0.1 q1 ? ? 2 ? ?exp(?20(ts ? 0.1) ), 0.1 ? ts ? ?1, tu ? 0.05 q2 ? ? 2 ? ?exp(?20(tu ? 0.05) ), 0.05 ? tu

(4-8)

(4-9)

?1, ? % ? 5% q3 ? ? ?exp(?50(? % ? 0.04)),5% ? ?
q4 ? exp(?80? s2 )

(4-10) (4-11)

根据选定的控制对象,调整时间应小于 0.1s,上升时间不能超过 0.05 秒,超调量 不能超 5%,因此公式(4-4)中加权系数的选择分别为:0.15,0.15,0.35,0.35,公 式(4-7)修改为:

f ? 0.35q1 ? 0.15q2 ? 0.15q3 ? 0.35q4

(4-12)

最后利用遗传算法搜索三个 PID 参数的基值,参考专家或手工操作的经验设定一个 搜索范围,以减少搜索的盲目性,不断的搜索直到搜寻到合适的范围和基值。

4.4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制
模糊 PID 的控制原理为:在 PID 的基础上,输入量选定为误差 e 及误差变化率 输出量为
?k i ec





?k p



?k d

。 模糊推理

R -

+

Kp Ki Kd
e

PID 控制器 de/dt

对象

y

图 4-1 模糊自适应 PID 控制器

将模糊控制规则离线转化成查询表是常用的控制器实现方法,根据系统的要求,定
- 21 -

4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制

义 误 差 e 、误差 变化 率

ec

、控制 量

?k i



?k p



?k d

的模 糊 集为 { 负大( NB ) 、负 中

(NM) 、负小(NS) 、零(ZR) 、正小(PS) 、正中(PM) 、正大(PB)},输入变量的论域 为
?k i

={-0.06 , -0.04 , -0.02 , 0 , 0.02 , 0.04 , 0.06} ,
?k d

?k p

={-0.3 , -0.2 , -0.1 ,

0,0.1,0.2,0.3},

={-3,-2,-1,0,1,2,3}。由 PID 参数整定的基本规则及

专家或手工操作的经验建立模糊控制查询表如下:
表 4-1 模糊控制规则

ec

e
NM PB/NB/N S PB/NB/N S PM/NM/ NS PM/NM/ NS PS/NS/Z R ZR/ZR/N S ZR/ZR/P M NS PM/NM/N B PM/NM/N M PM/NS/N M PS/NS/NS ZR/ZR/ZR NS/PS/PS NM/PS/P M ZR PM/NM/ NB PS/NS/N M PS/NS/N M ZR/ZR/N S NS/PS/PS PS PS/NS/ NB PS/NS/ NM ZR/ZR/ NS NS/PS/ NS NM/PM /PS NM/PS/P NM/PM S /PS NM/PM/P NM/PM M /PS PM ZR/ZR/P M ZR/ZR/N S NS/PS/N S NM/PM/ NS NM/PB/P S NM/PB/P S NB/PB/P S PB ZR/ZR/P S NS/ZR/Z R NS/PS/Z R NM/PM/ ZR NM/PM/ ZR NB/PB/P B NB/PB/P B

NB N PB/NB/P B S N PB/NB/P M S NS PM/NB/ ZR ZR PM/NM/ ZR PS PS/NM/ ZR P PS/ZR/P M B PB ZR/ZR/P B

? k p ? k '? ?k p ? ? ki ? ki '? ?ki ? k ? k '? ?k k k k p d ? d 其中 i 为调整前的积分系数, p 为调整前的比例系数, d 为调整前

的微分系数。运用各项指标建立起满意度函数后,将其作为遗传算法中的适应度函数,
k k k 进而搜索出 i 、 d 、 p 的基值。由公式(4-13)进行对 PID 参数进行调整,调整结果由

公式(4-7)进行评价。
u (k ) ? k p e(k ) ? ki ? e(k )T ? kd
i ?0 k

e(k ) ? e(k ? 1) T

(4-13)

k k k 根据 3.4 节所设定的传递函数,利用遗传算法搜索 i 、 p 、 d 的基值,参数设定如

下 。 遗 传 代 数 : 100 , 种 群 数 : 50 , 变 异概 率 :

pm1

=0.05 ,

pc1

=0.6 , 采 样 周 期 :

0.1ms,仿真时间:0.5s,遗传过程中综合满意度学习曲线如图 4-2 所示,跟踪仿真结
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4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制

果如图 4-3 和 4-4 所示。

图 4-2 基于满意度的遗传算法

图 4-3 模糊 PID 阶跃响应

图 4-4 基于遗传-满意度优化的模糊 PID 阶跃响应
- 23 -

4 基于遗传-满意度优化的纠偏系统模糊 PID 控制

从仿真图可以看出,基于遗传算法的 PID 控制器的超调量比较大而模糊 PID 的调整 时间比较长,而满意度优化的 PID 阶跃响应近乎零超调,调整时间及上升时间均比较 短,能够达到中密度纤维板压力控制器 PID 参数整定的要求,是一种有效的 PID 控制器 整定方案。

4.5 本章小结
本章应用满意度的理论提出了基于满意度的模糊 PID 控制方法,建立了满意度函数 对 PID 参数进行调整,仿真证明该控制方法能够达到较好的效果。满意理论旨在兼顾优 化效果和响应时间二者的平衡,能在一定的精度范围快速的整定 PID 参数,是一个可以 在实际控制中加以应用的控制手段。

- 24 -

5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统
5.1 引言
控制是以适当的控制力来驾驭被控对象,使其在各种扰动作用之下也能按期望的方 式(依照给定的目标轨迹或设定值)运动变化。施加控制力的根本途径和目的是“感受 控制目标与对象实际行为之间的误差,适当处理这个误差来消除它” ,即“基于误差来 消除误差”[50-51]。传统 PID 控制器便是“基于误差来消除误差”的代表,由于其原理简 单,使用方便,因而在工业上得到了广泛的应用,但是传统 PID 控制器也有其自身的不 足之处。本章将介绍自抗扰控制方法是如何针对传统 PID 控制缺点而逐渐形成的过程以 及自抗扰的具体控制算法,并针对刨花板连续平压系统纠偏控制模型进行仿真验证,结 果表明设计的自抗扰控制方法可以有效的抑制外界干扰,具有较好的鲁棒性和稳定性。

5.2 自抗扰控制方法的形成过程
如果人们根据传统 PID“基于误差反馈来消除误差”的控制思路,并吸纳现代信号 处理技术的研究成果,来抑制或消除传统 PID 控制的缺点,那么将使许多实际工程控制 问题以简单且更有效的方式得到解决。基于这种认识,自抗扰的控制思想逐渐形成了。 中科院系统科学院研究所韩京清研究员致力于一些特殊的非线性功能单元的开发, 1981 年其证明了系统“能抗干性”的充分必要条件以及达到“输出调节”的充分必要条件, 所谓“能抗干性”是指系统派出“外部干扰”的能力;1982 年,其用初等坐标变换方法 讨论了用状态反馈实现系统的稳定抗干扰问题;1984 年,其又用 Yokoyama 标准型与多 项式之间的对应关系,给出用状态反馈实现解耦和稳定解耦的充分必要条件。自上世纪 80 年代末期开始,韩京清研究员相继成功研究开发出非线性跟踪微分控制器、扩张状态 观测器等对信号处理及控制具有独特功能和效率的新型非线性动态结构,从而开发出非 线性 PID 以及自抗扰控制器等具有特殊功能的误差非线性反馈算法[52-54]。 自抗扰控制器正式出现在发表的论文中是在 1998 年的《自抗扰控制器及其应用》 一文,该文论述了自抗扰控制器对时变系统、多变量系统、最小相位系统等不同对象的 使用方法[55]。1999 年,朴军等人利用自抗扰控制原理,将其进行数字仿真软件设计并将 其实现,该软件基于 WIN95,具有友好的用户界面[56],2000 年,黄一等人提出用自稳定 域理论分析二阶 ESO 的收敛性及估计误差问题,揭示采用非光滑连续结构的优越之处
[57]

;还有很多学者尝试将其他控制算法与自抗扰控制器进行结合以便产生更好的控制效 除在自抗扰的纯理论推导的研究上外,还用很多人则致力于将自抗扰应用于工程实

果。 际。1998 年,张荣等人提出将神经网络与自抗扰控制器相结合,提出一种新的控制器,

- 25 -

5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

并深入分析了该控制器结构,其仿真研究表明,该控制器较单一的自抗扰控制器具有参 数适应性更大、动态特征更好等优点[58],2001 年,宋金来等人提出将自抗扰控制应用于 惯性导航系统,结果表明,该系统具有鲁棒性好,对准时间短,精度高等特点,是一种 理想的应用于实际惯导系统中的初始对准方案[59]。很多研究人员不只是研究将自抗扰控 制技术整体进行工程应用,还有些是尝试选取自抗扰控制器的一部分进行应用,如武利 强等人则尝试将自抗扰控制器中的跟踪微分控制器用于对测量数据含有野值的情况进行 滤波处理,通过仿真表明该控制方法操作简单,需调的参数少,具有较好的应用价值
[60]

。 在通过消除误差来实现目标控制的过程中,如何减小或消除各种不确定扰动对控制

对象的作用是很重要的任务。在控制理论发展过程中曾经出现两种原理:一种原理是上 世纪 40 年代由苏联学者提出,欲想克服外扰影响,就要测量外扰,控制器必须同时含 有用于反馈稳定的通道和用于抑制外扰的通道,即“双通道原理” ;另一种原理是上世 纪 70 年代由加拿大学者提出,欲想克服外扰影响,就要知道外扰模型,控制器必须含 有这个外扰模型,即“内模原理” 。但是,自抗扰控制器处理扰动的方法是把作用于被 控对象的所有不确定因素都归结为“未知扰动”的作用,同时通过控制对象的输入一输 出情况对“未知扰动”进行估计并给予补偿。因而,自抗扰控制器不需要事先知道扰动 的具体模型,也不需要直接测量外扰的作用效果。因而,其在本质上彻底突破了“双通 道原理”和“内模原理”的局限性[61]。 自抗扰控制技术继承了传统 PID“基于误差来消除误差”的思想精髓,使用新设计 的非线性效益来克服传统 PID 控制的缺点。因此,通过数字化的方法,将应用传统 PID 控制的场合转变为应用自抗扰的控制方法,就会使原有控制品质和控制精度有所提高。 特别是工作在高度非线性环境中,同时又要求实现高速高精度控制的情况,自抗扰控制 技术更能显出其优越性。自抗扰控制技术己在我国航天器姿态控制
[63] [62]

、火电控制系统

、化工过程

[64]

、精密机械加工

[65]

、无人车驾驶系统

[66]

、现代武器系统[67-69]等领域进行

研究并得到实际应用,取得了一定的经济效益。因而,自抗扰控制器在控制工程不同领 域中的仿真实验和实际应用效果表明,它将以数字控制器的形式,取代延续了半个多世 纪的经典 PID 控制,而进入更高层次的“自抗扰控制时代” 。

5.3 自抗扰控制器的构成模式
自抗扰控制器主要包括: “跟踪微分控制器” 、 “扩张状态观测器” 、 “误差的非线性 反馈”以及“扰动估计的补偿”等 4 个部分。其中,跟踪微分控制器用于安排过渡过 程,所谓过渡过程是指控制器的控制量从初始值到达期望值之间的这段过程。 “自抗 扰”特性指的是实时估计扰动的功能及补偿的功能。扰动的估计补偿能力就是抗干扰功 能。这个功能是自抗扰控制器的最本质的功能,因此在广义上说,具有这两个功能的控 制器都可以称作自抗扰控制器[70]。以二阶自抗扰控制器的结构为例,其基本结构如图 51 所示。
- 26 -

5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

图 5-1 二阶自抗扰控制器的结构框图

5.3.1 跟踪微分控制器
跟踪微分控制器 (Tracking Differentiator, TD) 通过使用惯性环节,实现输入信 号动态特征的快速跟踪,也就是在一边尽快跟踪输入信号的同时,又尽快给出其近似的 微分信号[71]。跟踪微分控制器的离散算法为:
? fh ? than( x1 (k ) ? v(t ), x2 (k ), r , h) ? ? x1 (k ? 1) ? x1 (k ) ? hx2 (k ) ? x (k ? 1) ? x (k ) ? hfh 2 ? 2

(5-1)

其中,r 为快速因子,h 为积分步长。x1 跟踪的是输入信号,x2 跟踪的则是输入信号 的变化率。函数 fhan(x1,x2,r,h)的定义为:
? ? ? 2 ?d ? rh, d 0 ? hd , y ? x1 ? hx2 , a0 ? d ? 8r y ? (a ? d ) ? ? x2 ? 0 sign( y ), y ? d 0 ? ? ? 2 ?a ? ? ? ?x ? y , y ? d 0 ? 2 h ? ? ? ?rsign(a ), a ? d ? ? ? fhan ? ? ? a ? ?r , a ? d ? d ?

(5-2)

利用符号函数的特性,可以去掉 |y|>d0 , |y| ≤d0 和 |a|>d ,|a| ≤ d 这两个条件语 句,同时,经过适当的参数整理可推出如下等价公式:
- 27 -

5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

令 fsg(x,d)=(sign(x+d)-sign(x-d)/2,那么 u=fhan(x1,x2,r,h)可表示为:

? 2 ?d ? rh , a0 ? hx2 , y ? x1 ? a0 ? ?a1 ? d (d ? 8 y ? ?a2 ? a0 ? sign( y )(a1 ? d ) / 2 ?a ? (a ? y ) fsg ( y, d ) ? a (1 ? fsg (a, d )) 0 2 ? ? a fhan ? ?r ( ) fsg (a, d ) ? rsign(a)(1 ? fag ( a, d )) ? d ?
此计算公式的具体推导可以参见文献[72]。

(5-3)

特别需要说明的是,跟踪微分控制器可以很好地应对“突变信号的输入问题” :当 有突变信号输入时,跟踪微分控制器可以产生顺滑的跟踪信号,从而使控制器整体的控 制输入信号连续变化,使系统不会因为突变而产生超调。因此,利用跟踪微分控制器来 安排控制的过渡过程是解决超调与快速性矛盾的一种有效方法。

5.3.2 扩张状态观测器
“扩张状态观测器”(Extended State Observer, ESO)是一种被扩张的系统状态观 测器。所谓“观测器”是指根据外部变量的观测来确定系统内部状态变量的装置,即根 据量测到得系统输入(控制量)和系统输出(部分状态变量或状态变量的函数)来确定 系统所有内部状态信息的装置。扩张状态观测器将各种不同的“扰动” ,不论是来自系 统的内部或是系统的外部,都整合为一种对系统的“总扰动” 。然后通过对这种“总扰 动”和系统状态进行实时观测,并对扰动给予相应补偿,把含有未知扰动的不确定对象 以及非线性对象转化为积分串联型的线性对象。整个动态过程中没有涉及到关于控制对 象传递关系函数的内容,只使用了含有原控制对象的“输入一输出”信息。扩张状态观 测器的离散算法为:
?e(k ) ? z1 (k ) ? y (k ), fe ? fal (e(k ), 0.5, ? ), fe1 ? fal(e(k), 0.25, ? ) ? z (k ? 1) ? z (k ) ? h( z (k ) ? ? e(k )) ? 1 1 2 01 ? z ( k ? 1) ? z ( k ) ? h ( z ( k ) ? ? 2 3 02 fe ? bu ( k )) ? 2 ? ? z3 (k ? 1) ? z3 (k ) ? h( ? ? 03 fe1 )

(5-4) 其中,h 为积分步长,β 01,β 02 和β 03 为增益系数。δ 为可调参数。Fal(e,α ,δ ) 的定义为:
? e ? 1?? , e ? ? fal (e, ? , ? ) ? ? ? ? e ? sign(e), e ? ? ?

(5-5)

利用符号函数的特性,可以去掉 |e|≤δ ,|e|>δ 这个条件语句,同时,经过适当 的参数整理可推出如下的等价公式:
- 28 -

5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统



s?

sign(e? ? ) ? sign(e? ? ) 2 ,则 fal (e, ? , ? ) ? e

?

1??

s ? e sign(e)(1 ? s )

?

(5-6)

只要作用于系统的外界干扰可以对系统输出造成影响,即可以通过观测系统输出来 进行测量,且并不是无限的作用,那么扩张状态观测器就可以对其进行实时跟踪,从而 可以在后续的过程中通过添加额外补偿的方式来尽量消除扰动作用。

5.3.3 误差的非线性反馈
“误差的非线性反馈” (Non-Linear State Error Feedback, NLSEF)就是对误差进 行非线性配置组合。与传统 PID 中的“误差线性加权和”不同,由于使用了“扩张状态 观测器” ,所以在控制器中,就没有必要有积分环节的存在。因为在线性反馈中,系统 的稳态误差与反馈增益成反比,而在非线性反馈中,系统的稳态误差与使用的非线性反 馈函数有关,所以可以通过构造或选择合适的非线性函数来完成误差的反馈环节。可供 选择的非线性组合方式主要有以下三种[73]: (1) u ? ?0 fal (e0 ,?0 , ? ) ? ?1 fal (e1 , ?1 , ? ) ? ?2 fal (e2 , ?2 , ? )

?0 ? 0 ? ?1 ? 1 ? ?2 , 或0 ? ?0 ? ?1 ? 1 ? ?2
(2) u ? ?0e0 ? fhan(e1 ,e2 , r1 , h1 ) (3)

(5-7) (5-8) (5-9)

u ? ? fhan(e1 , ce2 , r2 , h2 )

其中 c,α 0,α 1 和α 2 以及β 0,β 1 和β 2 为可调参数,e0 是控制量的误差,e1 是控 制量的微分误差,e2 是上一级“扩张状态观测器”的输出量。结合式 5-1 与式 5-4 中的 变量,可进一步说明 e0=x1-z1,e1=x2-z2,e2=z3。对于函数 fhan 具有快速消除震颤的特殊 功能:对于 fal 函数,通过其函数图像,能够通过α (*)和δ 来分别决定 fal 函数的 非线性形状和函数的线性区间的大小。 关于扰动抑制问题,如果作用于系统的某一种扰动影响不了系统被控输出,那么对 被控输出的控制来说,这种扰动是用不着去抑制的,需要抑制的是能够影响被控输出的 扰动,或者是那种能够通过测量被控输出而观察到的扰动。由于这种扰动能通过测量被 控输出所观察,所以关于扰动的信息必定包含在被控输出的信号之中。因而若想获得扰 动对系统的作用,就可以通过被控输出的信息进行提炼,这也正是“扰动估计补偿”能 够产生作用的原因。可供选择的扰动补偿方式主要有以下两种: (1)

u ? u0 ?

z3 b
- 29 -

(5-10)

5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

(2)

u?

u0 ? z3 b

(5-11)

其中 b 为可调参数。 将实时的扰动估计补偿引入到控制器的设计当中具有重要的意义,它可以有各种不 同的具体实现方法。某种意义上讲,控制器设计问题的本质,就是采用什么样的措施来 抑制各种扰动作用的问题。由于反馈本身具有抑制扰动的一定能力,因而在控制系统设 计中,很多人在加强反馈的扰动抑制能力上下功夫,以便提高控制器的控制性能。当 “扰动估计补偿”与“扩张状态观测器”相结合的时候,两者就可以共同完成实时抑制 干扰的作用,不论这种干扰是来源于控制模型内部还是外部。 虽然对自抗扰控制器设计问题还没有给出明确的理论层面证明,但大量的仿真实验 表明,对其设计完全可以使用“分离性原理” 。所谓“分离性原理”是指按各自的工程 意义,分别独立设计各组成部分,然后整合出完整结构,即可根据需要分别独立地设计 出“跟踪微分控制器” , “扩张状态观测器” , “误差的非线性反馈”以及“扰动估计补 偿”各部分,然后组合到一起,形成自抗扰控制器。

5.4 自抗扰控制器设计与仿真分析
基于 3.4 节中的连续平压控制系统传递函数模型,将其状态空间模型如下:
? x1 ? x2 ?x ? x ? 2 3 ? ? x3 ? ?102 x3 ? 10400 x2 ? 503500u ? f ( x) ? d ? ? y ? x1

(5-12) f ( x ) 系统控制目标为:设计控制器 u 抑制不确定性 和外界扰动 d 对系统控制精 度的影响,使输出 y 跟踪参考输入 r,提高系统的鲁棒性。基于本章前几节中论述的自 抗扰控制 ADRC(Active Disturbance Rejection Control ,ADRC)的基本原理,针对系 统(1)给出设计流程如下: 定义系统的扩张状态为: x4 ? ?102x3 ?10400x2 ? f ( x) ? d

? x1 ? x2 ?x ? x 2 3 ? ? ? x3 ? x4 ? b0u ? x ? h(t ) ? 4 ? ? y ? x1

(5-13)

ADRC 包括三个部分:①扩张状态观测器(extended state observer, ESO ) ②跟 踪 微 分 器 ( tracking different TD) ③ 非 线 性 反 馈 控 制 器 ( nonlinear feedback controller,NFC)。

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5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

5.4.1 ESO 设计
ESO 的设计目标是根据系统的控制量和输出,估计包含不确定性和扰动的扩张状 态,x4 进行估计,并在控制器中进行补偿,且在系统状态不完全可测的情况下,估计系 统状态,并应用于反馈控制。
? z21 ? z22 ? g1 ( z21 ? x1 (t )) ? z ? z ? g ( z ? x (t )) ? 22 23 2 21 1 ? z ? z ? b u ( t ) ? g 24 0 3 ( z 21 ? x1 (t )) ? 23 ? ? z24 ? ? g 4 ( z21 ? x1 (t ))

(5-14)

其中, gi ( z21 ? x1 (t )) ? ?i fal ( z21 ? x1 (t ), ? , ? ) , i ? 1, 2,3, 4 。 非线性函数 fal 定义为:
? e , x ?8 ? fal (? , ? , ? ) ? ? ?1 ? ? ? e ? sign(e), x ? 8 ?

将公式( 5-14 )带入( 5-13 ) ,并定义 ESO 的观测误差: xi ? z2i ? xi , i ? 1, 2,3, 4 。

? ?z

21

? x1 (t )

, sign(? ) 是符号函数,参数

? ??0,1?

,通常选取为 a= ( m/2n ) ( n=1 ,

2,.....,且 m≤2) ,参数 ? ,

? i 决定了 ESO 的收敛速度。

? x1 ? x2 ? g1 ( x1 ) ? ? x2 ? x3 ? g 2 ( x1 ) ? ? x3 ? x4 ? g3 ( x1 ) ? x ? ?h(t ) ? g ( x ) ? 4 4 1
显然,对于一个有界的 h (t ) ,对于非线性函数 gi (?) ,选取合适的参数 ? , 此时,观测误差是渐进稳定的。

(5-15)

? i 和 ?1 ,

5.4.2 TD 设计
TD 的作用是为了获取参考输入的微分信号。
? z11 ? z12 ? ? z12 ? z13 ? z ? ? R ( fal ( z ? r (t ), ? , ? ) ? b fal ( z , ? , ? ) ? b fal ( z , ? , ? )) 11 1 12 2 13 ? 13

其中,r(t)是参考输入,z1 为 TD 对于参考输入的调制信号,z12 和 z13 是参考输入 r(t) 的一阶和二阶导数。参数 R,b1,b2 决定了 TD 的收敛速度和噪声的抑制性能。
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5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

5.4.3 NFC 设计
NFC 设计的目的是,根据 TD 安排的过渡过程,以及 ESO 对于系统状态的观测结果。 设 计 反 馈 控 制 器 使 输 出 Y 快 速 、 精 确 地 收 敛 于 参 考 输 入 r(t) 。 控 制 器 ? f a (l ?1 , ? , ?? ) ? (? ? ) 3 ?f a l ( ?, ? ) 4 z 2 f a l 2 , ? ,? 3? , ? u? 1 b0 : 其中,

? 1 , ? 2 , ? 3 为 误 差 信 号 , 定 义 为 : ?1 ? z11 ? z21 , ? 2 ? z12 ? z22 ,

? 3 ? z13 ? z23 。

5.5 仿真结果
与前两章的设定厚度相同,采用自抗扰控制方法进行纠偏控制研究,仿真参数设定 如下: ? ? 0.5 , ?1 ? 0.4, ?2 ? 0.5, ?3 ? 0.8 和 ?1 ? 1 ,R=10, b0 ? 2 , b1 ? b2 ? 1 。

1 0.9 0.8 0.7

期望厚度 自抗扰控制 模糊PID控制

位置误差/mm

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 时间 t/s 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

图 5-2 纠偏系统跟踪控制对比曲线

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5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

1 0.9 0.8 0.7 自抗扰控制 模糊PID控制

跟踪误差/mm

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 时间t/s 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

图 5-3 跟踪误差对比曲线

45 40 35 30 自抗扰控制 模糊PID控制

控制输入信号

25 20 15 10 5 0

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 0.3 时间t/s

0.35

0.4

0.45

0.5

图 5-4 控制输入信号变化曲线

通过上面的仿真结果可以看出本章设计的自抗扰控制算法具有更快的调节时间,对 外界的干扰具有更好的抑制作用,且因为该方法无需智能调节进行增益寻优,明显缩短 了跟踪控制的时间,且具有更好的鲁棒性。

5.6 本章小结
传统 PID 控制技术留给了人们重要的控制思想,那就是“基于误差,消除误差” 。 如何根据现代的数字化技术以及信号处理技术来进一步完善和发扬这一控制思想是一个
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5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

很有实用意义的研究方向。中科院系统科学院研究所的韩京清等人正是基于这种考虑设 计出了自抗扰的控制方法。本章分析阐述了自抗扰控制理论的形成基础,即安排合适的 过渡过程并合理的提取微分——“跟踪微分控制器” ;探讨“扰动估计”的补偿办法— —“扩张状态观测器”以及“干扰力估计” ;探讨误差的合适组合方法——误差的非线 性反馈,最后将自抗扰控制方法应用于刨花板连续平压纠偏系统,与上一章研究的智能 模糊 PID 控制方法进行了仿真对比,结果表明该方法具有更快的响应时间和更强的鲁棒 性,具有更高的工程实用价值。

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5 基于自抗扰理论的连续平压纠偏控制系统

结论
刨花板是人造板中的重要板材之一,大量生产和应用刨花板是高效节约和利用木材 的重要途径。我国“十二五”期间,在节能减排和环境保护方面提出更高的要求,如何 在保护森林资源和生态环境的前提下,生产出合格的,高质量的刨花板一直是刨花板研 究的关键。热压是刨花板生产过程中极为关键的步骤。连续平压过程快速,稳定可以提 高生产效率,降低生产成本。连续平压过程均匀平稳,热压精确,一方面可以节省木材 资源,节约成本;另一方面可以有效的提升刨花板的质量。因此本文针对刨花板连续平 压过程,从工艺过程和过程控制方面对系统进行了研究分析。主要研究成果如下: (1)研究分析了传统 PID 控制过程在刨花板连续平压生产过程中的应用,发现传统 PID 控制过程产生较大的超调量,这对系统的安全性有了很大的考验,而且对于干扰的 抑制作用也较弱。对于刨花板生产线,复杂非线性的干扰使得系统恐难恢复稳定;同时 利用课题组购进的 GREGON DMR5000 在线接触式测厚仪器对热压的板材进行测厚以便及 时调整热压压力。 (2)基于传统 PID 的控制过程所提出的复杂非线性问题,利用模糊控制对刨花板连续 平压系统进行改进,模糊控制是一种基于专家知识经验的控制过程,在于对于刨花板连 续平压过程中不明确被控制对象精确的数学模型的前提下就能对被控对象进行控制;同 时对于系统中出现的干扰信号也有较强的抑制作用,系统的超调量也大幅下降,基本消 失。但是模糊控制也遇到了新的问题就是进入稳态的时间较长,不利用系统快速建立控 制过程,也会增大生产刨花板的成本;同时系统对于专家知识没有明确的确定,这些控 制过程的隶属度分类都是凭着熟练操作人员的长期积累形成的,这无形中也对系统的可 靠性提出质疑。 (3)基于模糊 PID 控制过程提出的进入稳态的时间长和对于专家知识的学习问题,采 用了基于满意度的模糊自适应整定办法,用满意度的理论设计了取优的评价函数,用遗 传算法搜索最优去代替经验法或试凑法获取 PID 参数基值,提高了取值的可靠性,并由 满意度函数对 PID 参数的调整进行综合评价。仿真结果表明,该控制方案的非线性环节 明显优于传统 PID 参数整定办法,能够系统的找出合理的 PID 控制参数,减少了主观性 与盲目性。 (4)基于满意度遗传优化模糊 PID 控制可能存在参数寻优时间长且响应慢的问题,利 用不依赖于系统模型的自抗扰控制方法对系统的动态在线辨识以及干扰都有了较好的处 理,对于系统的响应时间和进入稳态的时间都有所减少,系统能够做到快速响应,然后 进入稳态,这对于整个生产过程的安全性和成本都有了极大的保障,同时自抗扰控制对 系统中突发的信号干扰也有较强的抑制作用,这极有利于刨花板的生产过程,利用 MATLAB 进行了模拟仿真,验证了该方法的优越性。 尽管如此,本文的工作仍然是有限的,还有很多问题值得进一步的研究与讨论:
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结论

(1)上述方法还仅仅停留在仿真,实验室实验阶段,离真正的实际推广应用还有很大 的距离,很多问题还需要进一步的细化,深入研究。 (2)刨花板的热压过程十分复杂,易发生参数漂移及模型变化,运用一系列优化办 法设计的模糊控制器在参数调整上计算量非常大,调整的时间牺牲了系统控制的实时 性,如何在保证系统精度的基础上将算法简化是可以研究的方向之一。 (3)遗传算法的全局搜索能力是毋庸置疑的,在将遗传算法用于控制器优化时所做 的改进除了使之能更加适配控制器外,更应着力于增强遗传算法的局部寻优能力。如何 提高局部寻优的概率及速度是值得考虑的问题。

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附录

附录

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攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间发表的学术论文
[1] [2]

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致谢

致谢
本课题承蒙×××基金资助,特致殷切谢意。 衷心感谢导师×××教授和 交通学 院 ××副教授对本人 的精心 指导。他们的 言传身教 将使我 终生 受益。在 ×××××进行合作 研究期 间, 承蒙 ×××教授 热 心指导与 帮助, 不胜 感激。感 谢×××××实验室 主任×××教授,以 及实验 室 全体老师和同学的热情帮助和支持! 感谢交通学院老师和同窗们的关心和支持!感谢所有帮助过我的人们!

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个人简历

个人简历

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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 东北林业大学 或其他教育

机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日

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