高性能、低成本AGC控制器软件设计

摘要

　　随着我国钢铁水平和自动化水平的不断提高，许多钢铁生产企业的板带轧机面临着改造与更新换代。随着液压控制技术的逐渐成熟，对控制设备响应速度的要求也越来越高。使用SIMATIC TDC或PLC虽然能达到很好的控制效果，但是成本过高，维修麻烦。设计一款高性能、低成本的AGC控制器迫在眉睫。

　　经过多年的研究与实践，本文开发了一套基于 PIC 单片机的板带轧机自动厚度控制系统。主控芯片采用 Microchip 公司的 PIC24H 系列的 16 位单片机，辅助芯片采用 Altera 公司 CycloneⅡ系列的 FPGA，依据一般的板带轧机对控制系统性能的要求设计了 AGC 控制器的数字量输入(DI)、数字量输出(DO)接口电路，模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)转换电路，编码器信号采集电路，与上位机通讯电路以及电源转换电路。

　　在硬件电路调试成功后，运用 C 语言并结合各部分芯片的时序以及用法对PIC 单片机进行软件编程，基于 MPLAB 平台编写了全部接口电路的软件程序，同时运用 VHDL 语言对 FPGA 进行编程实现编码器部分的功能。通过在 PCB 电路板上实验验证，成功实现了现场输入信号的采集处理以及控制信号的输出，同时通过 RS485 实现了上位机与单片机的实时通信。在此基础上构建了 AGC 控制系统的总体流程图，编制了在定时中断里实现的位置闭环、压力闭环的 PID 控制程序，以及厚度监控、厚度预控的程序，并进行了半实物实验。根据板厚自动控制的具体过程以及控制器的实际需要，本文在传统 PID 控制的基础上加入了智能控制算法，设计了模糊 PID 控制器对系统进行闭环控制，通过 MATLAB 仿真验证了其可行性，改善了控制性能，提高了控制精度。

　　该 AGC 控制系统，运算速度快，抗干扰能力强，具有良好的实用性，可以降低更新和改造设备的成本，以此推进轧钢行业的技术升级。

　　关键词：AGC；PIC 单片机；FPGA；闭环控制；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

　　板带材在现代工业生产中占有极其重要的位置，是最主要的钢材产品，约占钢材总量的 45%。板带材具有良好的力学性能、表面质量和几何尺寸精度，广泛应用于生活和建设的各个领域。随着社会的进步和经济的发展，钢材的需求量大大增加，板带材在钢材总产量中的比重逐年增加，并发挥着越来越重要的作用[1]。

　　板厚作为衡量板带材质量的重要指标，各钢铁企业都极为重视板厚自动控制技术水平的提高。目前，计算机技术、微处理器技术和数字通信技术飞速发展，先进的自动化控制装备已经广泛地应用在轧钢领域，板厚自动控制系统必须具有极高的可靠性、专业性和灵活性，保证产品的精度、质量和轧制速度。低成本高性能的控制系统越来越被更多的钢铁生产企业需要。

　　板带厚度自动控制(AGC，Automatic Gauge Control)系统是通过测厚仪连续地对轧件的实际出口厚度进行测量，将厚度实测值与设定值进行比较，所得偏差值通过控制器处理后输出相应控制量去调节压下位置、轧制压力、轧制速度等，把厚度控制在允许的偏差范围内。板厚自动控制系统是现代化轧机提高板带材轧制精度必不可少的技术装备，是生产厂家在激烈市场竞争中取得优势的重要保证。

　　板厚自动控制就是借助于辊缝、张力、速度等可调参数，把轧制过程中参数波动的影响消除，使其能达到设定的目标厚度。在实际的轧制过程中，都是将多种厚度控制的方法结合起来使用，以达到更好的控制效果。调整轧辊辊缝是这些厚度控制方法中最主要的。随着轧制速度和自动化程度的提高，目前大部分板带轧机都采用带有液压压下功能的压下装置，它的响应速度比电动压下响应速度快一个数量级以上，而且惯性小、精度更高，可以大大提高系统响应速度以及成品带钢质量。本文主要研究的是液压 AGC 控制系统，通过伺服阀调节液压缸的油量和压力来控制轧辊的位置，从而对带材进行厚度自动控制[2]。

　　AGC 系统的总体配置包括：上位机、下位机、检测元件和执行机构。检测元件主要包括测厚仪、位移传感器和压力传感器。执行机构主要是液压缸(轧机操作侧和传动侧各有一个液压缸)。在 AGC 系统中，上位机与下位机通过串口实现通信，达到互传数据的作用。上位机将得到的数据实时显示在计算机显示画面上，由工作人员对整个生产过程进行监控。这些数据中除了轧制速度、轧制力、液压缸位移、轧件出入口厚度值等轧制结果数据以外，还包括钢卷长度、直径、重量等生产数据，以及生产过程中的质量监控信息和设备状态信息。同时上位机向下位机传送必要的设定数据，如各机架的轧制厚度、液压缸位移、张力等。下位机控制器接收现场传感器采集的信号，与系统设定值比较得到偏差值，经过控制算法的计算输出控制量到伺服阀从而控制液压缸活塞的运动，以保持缸位移值和轧制压力与设定值相同。

　　随着我国钢铁行业的飞速发展，板带轧机及其厚度自动控制技术经历了一个由粗到精、从低级到高级的发展过程，通过对 AGC 系统发展概况的了解，可以将其发展分为以下几个阶段：

　　(1) 人工操作阶段，20 世纪 30 年代以前，由于工业控制处于起步阶段，板带轧机厚度控制也一直处于人工操作阶段，仅仅依靠手动压下来调节板厚。这种方式仅能设定原始辊缝，精度非常低，难以满足高质量板厚控制的要求，因而现代的板带轧机已经不再使用。

　　(2) 电动压下调节板厚阶段，电机出现以后，电动压下调节开始逐渐被采用，由电机通过减速装置驱动压下螺丝来设定原始辊缝。为了进一步控制板厚偏差，采用电动双压下系统，由高速和低速两台电动压下系统分别进行粗调和精调。这种压下系统虽然比单一的电动压下系统要好，但它的精调系统滞后比较严重，响应速度慢，不能适应高速轧机的需要。

　　(3) 现代板厚控制系统阶段，到了 20 世纪 50 年代，英国一些专家推导出了轧机出口厚度的表达式，这也为以后板厚控制奠定了理论基础，从此以后，AGC 系统就飞速发展，逐渐提高了板厚控制的轧制速度与精度。

　　(4) 液压压下调节厚度阶段，随着液压伺服技术和板厚自动控制的成熟，20 世纪 70 年代液压压下逐渐取代电动压下装置应用于厚度控制，液压伺服压下的响应速度比电动压下响应速度快一个数量级以上，这种厚度调节方式结构简单，灵敏度高，能够满足很严格的厚度精度要求[3]，提高了板带精度和生产能力。

　　(5) 智能板厚控制阶段，随着电子技术、自动化技术、通讯技术等信息科技的广泛应用，轧机系统板厚控制逐渐引入了一些高级的智能算法(例如模糊控制、遗传算法等)来进行智能板厚自动控制，这进一步推动了液压 AGC 技术的进步。

　　20 世纪 50 年代，早期轧钢控制通过模拟调节器和简单的单回路控制方式对 AGC系统进行控制。轧钢现场环境恶劣，这种控制方式会产生温度漂移，故障发生率高，控制精度低，抗干扰性也较差。随着直接数字控制(Direct Digital Control，DDC)的出现与发展，开始逐渐应用于板厚自动控制。DDC 控制就是用计算机程序的运算代替模拟调节器内部的电路运算。但是由于当时计算机技术尚不发达，自动化程度不高，一旦计算机出现某些故障，就会造成所有相关控制回路瘫痪、生产停顿的严重局面，这种控制方式不开放，可靠性比较差，也不便于维护。

高性能、低成本AGC控制器软件设计:

厚度监控原理图

模拟 PID 控制器原理图

模糊控制系统基本结构

模糊 PID 控制系统的构成

PID 控制器与模糊 PID 控制器仿真结果比较

PID 控制器与模糊 PID 控制器仿真结果比较

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　第 1 章 绪 论
　　　　1.1 板带厚度自动控制系统概述
　　　　　　1.1.1 板带轧机厚度自动控制系统组成
　　　　　　1.1.2 板带厚度自动控制发展概述
　　　　　　1.1.3 AGC 控制器与控制算法的发展
　　　　1.2 课题背景和意义
　　　　1.3 课题主要研究内容
　　第 2 章 AGC 控制系统微处理器及其开发软件
　　　　2.1 主控芯片 PIC 单片机
　　　　　　2.1.1 PIC24H 单片机特点及配置
　　　　　　2.1.2 PIC 单片机外围电路设计
　　　　　　2.1.3 PIC 单片机开发工具使用
　　　　2.2 辅助芯片 FPGA
　　　　　　2.2.1 FPGA 特点与芯片选型
　　　　　　2.2.2 FPGA 外围电路设计
　　　　　　2.2.3 FPGA 开发平台与开发流程
　　　　2.3 本章小结
　　第 3 章 AGC 控制系统硬件电路设计与改进
　　　　3.1 AGC 系统整体结构
　　　　3.2 FPGA 硬件电路改进
　　　　3.3 数字量接口电路硬件设计与改进
　　　　3.4 模拟量转换电路硬件设计与改进
　　　　3.5 编码器信号采集电路硬件设计与改进
　　　　3.6 AGC 系统电路板设计
　　　　3.7 本章小结
　　第 4 章 AGC 控制系统软件设计与实现
　　　　4.1 AGC 系统软件编程整体结构
　　　　　　4.1.1 AGC 系统主函数设计
　　　　　　4.1.2 AGC 系统中断函数设计
　　　　　　4.1.3 AGC 系统程序初始化
　　　　4.2 AGC 系统接口电路软件编程
　　　　　　4.2.1 数字量接口电路软件编程
　　　　　　4.2.2 模拟量转换电路软件编程
　　　　　　4.2.3 编码器信号采集电路软件编程
　　　　　　4.2.4 FPGA 与 PIC 单片机数据通信软件编程
　　　　　　4.2.5 RS485 通信接口电路软件编程
　　　　4.3 人机交互界面验证
　　　　4.4 本章小结
　　第 5 章 AGC 系统闭环控制软件设计
　　　　5.1 闭环控制方式及原理
　　　　　　5.1.1 压下位置闭环
　　　　　　5.1.2 压力闭环
　　　　　　5.1.3 厚度外环
　　　　5.2 PID 控制在闭环控制中的应用
　　　　　　5.2.1 PID 控制器
　　　　　　5.2.2 PID 控制算法实现
　　　　5.3 模糊控制
　　　　　　5.3.1 模糊控制系统的组成
　　　　　　5.3.2 模糊控制器的基本结构
　　　　5.4 模糊 PID 控制
　　　　　　5.4.1 模糊 PID 控制原理
　　　　　　5.4.2 模糊 PID 控制器设计
　　　　5.5 系统仿真与软件设计
　　　　5.6 本章小结
　　结 论
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
　　致 谢
　　作者简介

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