一種變PID目標(biāo)值方法在棒材活套套高控制中的應(yīng)用

單凌寒，張瑤，趙春曉，穆太青，袁磊

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司）

某棒材廠可生產(chǎn)Φ12～20 多種規(guī)格的螺紋鋼產(chǎn)品。由于規(guī)格多樣，對(duì)于不同規(guī)格，軋機(jī)的孔型序列有所不同，軋機(jī)的投運(yùn)數(shù)量也因規(guī)格而異。因此，活套前后的機(jī)架孔型和輥縫變化繁多。在改變產(chǎn)品規(guī)格時(shí)，更換軋輥和調(diào)整孔型由人工來完成，對(duì)于調(diào)整工的經(jīng)驗(yàn)要求高，且人為影響因素較大。通過活套的自適應(yīng)調(diào)整，可以優(yōu)化活套上游機(jī)架的線速度，即軋制規(guī)程，從而在很大程度上降低人為因素造成的停機(jī)時(shí)間和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。因此，投入活套系統(tǒng)，可以大大提高這種多規(guī)格、多孔 型的軋制線的品種更換節(jié)奏，使其更為適應(yīng)當(dāng) 前訂單式、無庫(kù)存生產(chǎn)模式所提出的一機(jī)多用、按需生產(chǎn)的要求。

1 軋制生產(chǎn)線概述及基本定義

本方法所應(yīng)用的生產(chǎn)線是中精軋雙線棒材生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為80 萬t/a，終軋保證線速度在15 m/s。雙中精軋?jiān)O(shè)備序列以A/B 區(qū)分，本文僅以A 線為例闡述算法應(yīng)用過程，其軋線排列如圖1 所示。

圖1 生產(chǎn)線布置圖Fig.1 Steel rod production line configuration

A 線全線共17 架軋機(jī)，均為摩根閉口軋機(jī)，軋件通過布置在軋機(jī)出口側(cè)和下一架軋機(jī)入口側(cè)的滾動(dòng)導(dǎo)位實(shí)現(xiàn)軋制表面自旋，繼而進(jìn)入下一架孔型。在粗、中軋之間設(shè)置1#飛剪，用于對(duì)粗軋后的毛坯進(jìn)行切頭、切尾、碎斷；在精軋過水淬段后設(shè)置3#飛剪，用于對(duì)精軋后成品進(jìn)行定尺剪切。全線設(shè)置了3 個(gè)活套裝置，分別是位于中精軋間的 1#活套、精軋 K5 與K4 間的2#活套、精軋K3 與K2 間的3 號(hào)活套。每個(gè)活套起套裝置為氣缸帶動(dòng)的起套鋼輪，在調(diào)解套高過程中，由活套檢測(cè)器檢測(cè)套高并反饋至PLC，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，投入活套套高PID調(diào)節(jié)功能，起套并調(diào)節(jié)套高，直到套高穩(wěn)定于上位機(jī)上設(shè)定的目標(biāo)位置。調(diào)節(jié)完畢后，落套并將優(yōu)化后的軋規(guī)顯示于上位機(jī)上，供操作人員對(duì)比并確認(rèn)優(yōu)化。電氣傳動(dòng)上，所有軋機(jī)均采用天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所的直流傳動(dòng)產(chǎn)品，控制上，自適應(yīng)的軋規(guī)優(yōu)化系統(tǒng)、活套PID整定及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、速度微調(diào)和級(jí)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)、軋規(guī)儲(chǔ)存庫(kù)等均由電傳所成熟的控制算法構(gòu)架。

為下文闡述方便，特規(guī)定可應(yīng)用于本文的幾個(gè)概念：以軋制方向，從前向后，位于活套之前的機(jī)架稱為上游機(jī)架；位于活套之后的機(jī)架稱為下游機(jī)架。當(dāng)工藝要求某一機(jī)架空間位置無孔型設(shè)置時(shí)，則撤銷該機(jī)架的軋輥安放，該機(jī)架的傳動(dòng)軸在軋制過程中不被拖動(dòng)，稱為甩機(jī)架。每一架軋機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)軋輥名義直徑的線速度稱為該機(jī)架的軋制速度。全體投運(yùn)機(jī)架的軋制速度列表稱為軋制規(guī)程，簡(jiǎn)稱軋 規(guī)。對(duì)單一機(jī)架軋制速度的調(diào)節(jié)稱為單機(jī)速度調(diào)整（單調(diào)）；對(duì)于當(dāng)前機(jī)架及其上游機(jī)架軋制速度的同時(shí)調(diào)節(jié)稱為聯(lián)動(dòng)速度調(diào)整（聯(lián)調(diào)）?；钐灼鹛灼矫娲怪庇诘孛?，稱為立套；若起套平面平行于地面，稱為平套?；钐咨鸷螅鄬?duì)活套盤端底形成一拱形，拱形落在活套檢測(cè)儀檢測(cè)線上的點(diǎn)距端底的垂直距離稱為套高。活套調(diào)節(jié)過程中對(duì)上游機(jī)架產(chǎn)生的聯(lián)調(diào)分量稱為活套調(diào)節(jié)量。

2 活套的作用和調(diào)節(jié)過程

在小規(guī)格棒線材生產(chǎn)中，軋件經(jīng)過粗軋和中軋后，橫截面已接近成品面積。為控制終軋成品的尺寸精度，精軋一般都采用活套來實(shí)現(xiàn)無張力或微張力軋制。依據(jù)軋機(jī)秒流量相等原則，針對(duì)孔型尺寸和形狀，以終軋速度為基準(zhǔn)，可以計(jì)算出相鄰機(jī)架的理論線速度，進(jìn)一步，計(jì)算出各架軋制速度，作為初始軋規(guī)。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于手工調(diào)整輥縫所產(chǎn)生的的誤差和長(zhǎng)時(shí)軋制對(duì)軋輥的摩擦損耗導(dǎo)致孔型形狀變化等因素，理論計(jì)算出來的軋規(guī)通常不能保證精軋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無張力軋制。這時(shí)，需要對(duì)機(jī)架間堆拉關(guān)系進(jìn)行分析，逐一調(diào)整上游機(jī)架軋制速度，來修正軋規(guī)。投入活套后，設(shè)定套高為使軋件不張緊狀態(tài)下的定值，通過活套對(duì)套高的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)上游機(jī)架的速度，當(dāng)套高穩(wěn)定時(shí)，表明活套前后機(jī)架秒流量相等，進(jìn)而起到對(duì)軋規(guī)的修正作用。即活套用于調(diào)節(jié)上游機(jī)架速度，實(shí)現(xiàn)無張力軋制，保證成品的規(guī)格尺寸[1]。

由此可見，活套在調(diào)解過程中能夠快速平穩(wěn)的達(dá)到設(shè)定值并維持穩(wěn)定，是設(shè)置活套的目的所在。在應(yīng)用中，活套的控制系統(tǒng)流程入圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖Fig.2 System control flow chart

PID 算法作在自動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用已不勝枚舉，對(duì)于棒線材軋制的活套套高控制而言，只需要保證在調(diào)節(jié)調(diào)高過程中避免震蕩調(diào)節(jié)而導(dǎo)致的軋件過度堆拉，即套高在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定是真正的控制需求。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，活套形狀如圖3 所示。

圖3 活套結(jié)構(gòu)及軋件起套后的形狀Fig.3 Looper structure and the rod form

活套內(nèi)軋件形狀可近似為正弦曲線，則空間的幾何關(guān)系為［2］：

式中：M為套量，h為套高，L為活套牙輪間距?？梢?，設(shè)置不同的套高，在穩(wěn)態(tài)時(shí)只對(duì)套量有所影響。而一旦達(dá)到穩(wěn)態(tài)，則套前機(jī)架和套后機(jī)架的軋制速度負(fù)荷秒流量相等原則，繼而實(shí)現(xiàn)無張力軋制。

因此，套高在設(shè)定為一固定值后，可寬范圍的增大PID 調(diào)節(jié)器的死區(qū)，即視活套量達(dá)到一區(qū)域內(nèi)，選擇趨穩(wěn)值，在合理范圍內(nèi)，用趨穩(wěn)值代替設(shè)定值作為PID 調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，可使得套量最快時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。下面給出在擴(kuò)展死區(qū)前后，在變規(guī)格以后，活套的調(diào)節(jié)過程，如圖4 所示。

圖4 投入本方法前的活套調(diào)節(jié)響應(yīng)Fig.4 Looper affect before change the setpoint

圖5 中，隨著起套過程，PID 調(diào)節(jié)器始終處于調(diào)整狀態(tài)，甚至退出調(diào)整時(shí)，對(duì)上游機(jī)架的速度調(diào)節(jié)仍未達(dá)到一穩(wěn)定值，投入本方法后，經(jīng)過程序判斷，初始起套量快速增至設(shè)定套高調(diào)節(jié)死區(qū)之上，因此擴(kuò)大了死區(qū)上限，使得PID 調(diào)節(jié)反饋偏差量減小，調(diào)節(jié)輸出減小，活套套高趨穩(wěn)。投入本功能后的實(shí)際響應(yīng)如圖5 所示。

圖5 投入本方法后的活套調(diào)節(jié)響應(yīng)Fig .5 Looper affect after change the setpoint

可見，在更換軋制規(guī)格后，原有的活套調(diào)節(jié)器的PID 參數(shù)，在繼續(xù)應(yīng)用于新規(guī)格時(shí)，整個(gè)活套工作期間，都沒有能夠使得套高穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)的震蕩過程幾乎維持了整個(gè)活套器工作區(qū)間。在投入變?cè)O(shè)定值的控制方法后，系統(tǒng)根據(jù)起套初始套量的變化速度，自主判定趨穩(wěn)值，在適當(dāng)時(shí)刻，以趨穩(wěn)值代替了原有的PID 調(diào)節(jié)器設(shè)定值，使得套高能夠快速穩(wěn)定于趨穩(wěn)值內(nèi)，整個(gè)活套工作過程中，對(duì)上游機(jī)架速度的震蕩影響較之前大大減少，從而快速保證了活套前后軋機(jī)的無張力軋制。活套憑借緊隨其后的機(jī)架咬鋼速降補(bǔ)償產(chǎn)生的瞬時(shí)堆起形成初始套高。

3 結(jié)論

實(shí)踐表明，該方法能夠平穩(wěn)快速的實(shí)現(xiàn)變規(guī)格后的活套套高控制。對(duì)于類似活套等控制對(duì)象，無需對(duì)控制模型的深度解耦，即能結(jié)合原有的PID 調(diào)節(jié)器，快速、穩(wěn)定的達(dá)到控制目的。現(xiàn)場(chǎng)投入該方法后，提高了軋線的工作效率，降低了廢品率和故障成本。

［1］劉文斌.活套控制技術(shù)在棒材連軋機(jī)上的應(yīng)用 .重型機(jī)械科技［J］.2002（2）.

［2］高偉，王玉峰.三切分棒材軋制活套高度差與預(yù)切分軋件偏移［J］.軋鋼.