4300mm中厚板全液壓滾切剪電液伺服控制系統(tǒng)

張 偉，李宏杰，黃慶學(xué)，朱士偉，獨(dú)家?guī)?太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，太原 030024)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)量已經(jīng)成為衡量經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的一項(xiàng)重要因素，其中中厚板是一項(xiàng)重要的鋼鐵材料。在造船、軍工、交通運(yùn)輸、機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域有重要的作用，是現(xiàn)代社會不可缺少的組成部分[1]。

中厚板生產(chǎn)線在我國近年來也得到了飛速的發(fā)展，中厚板的生產(chǎn)過程如圖1所示。

圖1 中厚板生產(chǎn)過程

從圖1中看出在中厚板生產(chǎn)線上，定尺剪作為最后一道工序，有著極為重要的作用，其控制精度高低直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣。本文將以紹興某鋼廠4300mm全液壓滾切剪為項(xiàng)目背景，對其整體構(gòu)成及控制系統(tǒng)做較為深入的分析。

在我國，滾切剪控制系統(tǒng)近幾年取得了較大的發(fā)展，部分車間基本達(dá)到了國際水平，PLC400+ET200M這樣的控制架構(gòu)被廣泛采用。但是在主液壓缸位置精度控制上與國際水平還有一定的差距。雖然近年來提出了模糊PID、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等等先進(jìn)的控制算，然而離線整定PID參數(shù)的方法雖然對PID參數(shù)調(diào)整有一定的作用，但是軋鋼過程連續(xù)性相對較強(qiáng)，生產(chǎn)設(shè)備常常處于較長時間的工作，設(shè)備的參數(shù)在負(fù)載擾動時變效應(yīng)的作用下會發(fā)生一定的變化。所以這種離線整定PID參數(shù)的辦法相對比較麻煩，在線整定也就迫在眉睫。

自適應(yīng)交互理論的提出對在線整定PID參數(shù)提供了一個有效的方法，將PID控制系統(tǒng)分解成交互作用的四部分，基于自適應(yīng)交互理論，采用自適應(yīng)交互理論P(yáng)ID控制器，應(yīng)用在兩個主液壓缸的控制中，并且通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩個主液壓缸可以在系統(tǒng)特性發(fā)生變化時，自動調(diào)整PID參數(shù)，保持控制效果。

1 全液壓滾切式定尺剪原理

1.1 機(jī)械運(yùn)動原理

在經(jīng)歷了斜刃剪、圓盤剪之后，滾切剪也應(yīng)運(yùn)而生，由太原科技大學(xué)獨(dú)立研發(fā)的全液壓滾切剪近年來得到了行業(yè)的認(rèn)可，滾切剪的原理如圖2.

圖2 全液壓滾切剪的剪切機(jī)構(gòu)

如圖2所示，全液壓滾切式定尺剪由兩液壓缸A、B，上刀刃C，下刀刃D，1-5、5-4、2-6、6-3四連桿和7-8導(dǎo)向桿，還有兩個活塞桿構(gòu)成。

運(yùn)動過程描述：A缸由初始位置開始向外伸出推動活塞桿運(yùn)動，到達(dá)某一位置時，上刀刃開始咬入鋼板，B缸開始收縮運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)上刀刃的純滾切運(yùn)動，當(dāng)A缸到達(dá)極限位置時，左邊連桿成直線狀態(tài)，A缸開始收縮，B缸伸出，到達(dá)B缸極限位置及右邊連桿成直線狀態(tài)時鋼板斷開，B缸開始收縮A缸伸出直到恢復(fù)初始狀態(tài)完成一次剪切。

圖3 滾切剪主缸的理想位置曲線

兩個缸A、B的運(yùn)動過程需按照圖3所示位置曲線執(zhí)行[2]，才能很好的完成鋼板的滾切式剪切。

1.2 液壓系統(tǒng)特性分析

液壓定尺剪的液壓伺服系統(tǒng)由于閥口非對稱、液壓缸非對稱、閥芯位移較大、負(fù)載的變化性等特點(diǎn)，所以非線性問題非常嚴(yán)重。但是非對稱閥控制非對稱缸，可以很好的緩解液壓缸換向中的壓力突變問題，也可以提高系統(tǒng)的承載能力，這是研究其數(shù)學(xué)模型的必要性之所在。

1.2.1 比例閥的位移數(shù)學(xué)模型[3]

在工程中所采用的是高頻響閥，一般可將其轉(zhuǎn)化為一階系統(tǒng):

(1)

其中X11為閥芯位移，U為控制電壓，K1S為閥的增益。

1.2.2 液壓缸比例閥的負(fù)載流量方程[3]：

Q1=KqX-KpP1

(2)

式中：Kq——態(tài)工作時閥的負(fù)載流量增益；

Kp——穩(wěn)態(tài)工作時閥的壓力-流量系數(shù)；

P1——負(fù)載的壓力值；

X——閥芯的位移量；

Q1——負(fù)載的流量值。

1.2.3 液壓缸負(fù)載的流量方程[3]:

(3)

式中：Ct——液壓缸泄露系數(shù)；

V——液壓缸容積；

βe——有效體積彈性模數(shù)值；

Ame——活塞面積；

y——液壓缸的位移值。

1.2.4 液壓缸負(fù)載的力平衡方程[3]：

(4)

式中:fe——作用在活塞上的任意負(fù)載；

Ae——活塞有效的面積；

BP——負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)；

KS——負(fù)載彈簧剛度；

m——總的質(zhì)量。

1.2.5 比例閥控制液壓缸的數(shù)學(xué)模型[3]：

由公式(1)～(4)可得數(shù)學(xué)模型為：

(5)

式中：Kt——流量的壓力系數(shù)；

Wh——液壓的固有頻率；

εh——液壓的阻尼比。

由式(5)可得，液壓缸位移和閥的位移的傳遞函數(shù)為：

(6)

經(jīng)過以上對液壓缸的分析，不難看出，由于液壓缸的時變性、非線性等特點(diǎn)對電氣控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

1.3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用PLC400+ET200M這種控制架構(gòu)，主要負(fù)責(zé)接近開關(guān)，操作按鈕和外部檢測信號控制，所有通訊采用PROFIBUS-DP和TCP/IP通信協(xié)議，如圖4所示。

液壓滾切剪的位置電氣控制系統(tǒng)采用帶檢測反饋的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它包括2個高性能電液比例閥及2個位移磁尺傳感器，后者在剪切過程中不斷發(fā)出反饋訊號，使得系統(tǒng)按給定曲線進(jìn)行跟蹤控制，以實(shí)現(xiàn)左、右油缸在各運(yùn)動點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。這些動作可以在人工干預(yù)下單獨(dú)完成，也可以在自動狀態(tài)下由控制系統(tǒng)自動完成。

圖4 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖4中，ET200M(1)是主操作臺站，ET200M(2)是換刀操作臺，ET200M(3)是流體柜操作臺，兩個變頻器分別控制：擺動輥道電機(jī)、定尺行走電機(jī)，控制器為力士樂控制器，上位機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)，以上內(nèi)容構(gòu)成全液壓定尺剪系統(tǒng)控制架構(gòu)。

工作過程主要是在剪前的光電開關(guān)發(fā)迅，鋼板自動停止，剪前的鋼板通過六個液壓靠邊裝置，將鋼板靠邊對齊。之后剪前輥道、擺動輥道、剪后輸出輥道同時啟動輸送鋼板，將鋼板停到合適的位置，進(jìn)行切頭尾、定尺及切試樣等工作，廢料經(jīng)液壓推料裝置和液壓翻料裝置輸送到收集筐中進(jìn)行收集。

2 自適應(yīng)交互PID控制算法在液壓缸位置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 自適應(yīng)交互理論

自適應(yīng)交互算法來自于BRAND和LIN[4]提出自適應(yīng)交互理論，其對象是一個復(fù)雜系統(tǒng)分成的N個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都有一個可積的輸入、輸出信號。

子系統(tǒng)間的交互作用可以通過系統(tǒng)間的連接實(shí)現(xiàn)，自適應(yīng)交互的目的就是通過調(diào)節(jié)連接權(quán)值使性能函數(shù)取得最小值。

比如，自適應(yīng)交互PID控制器，是將PID的比例、積分、微分作為三個子系統(tǒng)，它們是被控系統(tǒng)的輸入，這三個子系統(tǒng)間通過其三個參數(shù)組成的矩陣作為連接權(quán)值，自適應(yīng)目的在于調(diào)節(jié)連接權(quán)值使系統(tǒng)的性能達(dá)到要求。

根據(jù)鄒俊等[5]的研究表明連接權(quán)值的解為：

(7)

式中：bc——系統(tǒng)間的鏈接權(quán)值；

γ——自適應(yīng)系數(shù)；

e——系統(tǒng)性能函數(shù)。

2.2 自適應(yīng)交互PID控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

在硬件情況一定時，控制的好壞主要決定于控制器的性能，然而控制器的性能又被控制器的參數(shù)所決定，所以控制器的參數(shù)在硬件條件一定的情況下，直接決定控制效果。同時，鋼鐵生產(chǎn)中需要長時間連續(xù)工作，生產(chǎn)設(shè)備也就需要長時間的運(yùn)作，其運(yùn)行過程會產(chǎn)生很多負(fù)載擾動，這對于控制器的參數(shù)將產(chǎn)生很大程度的影響，可以用人工對參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，可這樣費(fèi)時費(fèi)力，所以對于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)有著非常大的必要性。

PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際值構(gòu)成控制偏差，將控制偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制[5]。

根據(jù)自適應(yīng)交互理論將PID分解成4個子系統(tǒng)，分別為：比例回路、積分回路、微分回路、被控系統(tǒng)回路。

其中系統(tǒng)連接權(quán)bc=[ap,ai,ad]，系統(tǒng)性能指標(biāo)為e=(u-o4)2，則式(7)在此時可近似線性化處理為：

(8)

(9)

(10)

將簡化后的控制式與常規(guī)的PID相結(jié)合，可得自適應(yīng)交互式PID控制器，如圖4所示。

圖5 自適應(yīng)交互PID控制系統(tǒng)

在此實(shí)驗(yàn)中，u作為位置給定o4作為系統(tǒng)輸出G(s)為實(shí)際液壓缸，兩路液壓缸在實(shí)際應(yīng)用中控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示：

圖6 兩路液壓缸控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The control structure diagram of two hydraulic cylinders

在圖5中，協(xié)同動作控制是根據(jù)A缸的實(shí)際位移經(jīng)過協(xié)同算法處理之后作為B缸的給定值，以此來進(jìn)行A、B缸的協(xié)同。A、B缸的位置跟隨都是通過自適應(yīng)交互PID如圖4所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。

在實(shí)驗(yàn)中為了驗(yàn)證自適應(yīng)交互PID控制的優(yōu)勢，同時進(jìn)行了單純的PID控制，主要是將圖5中的自適應(yīng)交互PID控制器改為單純的PID控制器。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析

現(xiàn)場調(diào)試完畢之后，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取，試驗(yàn)過程分為PID控制剪切鋼板，自適應(yīng)交互PID控制剪切鋼板，如圖6所示，A Set為A缸給定值，A PID為PID控制下的A缸位移，A adaptive PID為在自適應(yīng)交互PID控制下的A缸位移，B Set為B缸的設(shè)定值，B PID為B缸在PID控制下的位移，B adaptive PID為B缸在自適應(yīng)交互PID控制下的位移。

圖7 剪切鋼板數(shù)據(jù)記錄

通過圖6可以明顯看出在單純的PID控制下無論A缸還是B缸控制效果都不是很好，原因在于外界存在一定的擾動時，單純的PID參數(shù)無法自身進(jìn)行調(diào)整，然而自適應(yīng)交互PID可以在外界干擾，或者系統(tǒng)特性發(fā)生一定變化時保持良好的控制性能。

在圖8中可以看出自適應(yīng)交互PID算法，在根據(jù)給定曲線剪切鋼板后，鋼板剪切質(zhì)量達(dá)到了工藝要求。

圖8 鋼板剪切效果

4 結(jié)論

由于自適應(yīng)交互PID控制器可以有效的避免常規(guī)PID控制在設(shè)備長時間運(yùn)行時負(fù)載擾動引起的控制效果下降的問題，所以對參數(shù)進(jìn)行了自適應(yīng)調(diào)節(jié)之后控制效果更好，更穩(wěn)定。

經(jīng)過以上分析及現(xiàn)場數(shù)據(jù)，該電液比例伺服系統(tǒng)在使用自適應(yīng)交互PID控制算法之后，很好的滿足了頻率響應(yīng)特性，也同時使得定尺剪的剪切精度在受到外界干擾時得到了明顯的改善，滿足了客戶的要求。

參考文獻(xiàn)：

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