斜連軋軋制過程中速度設(shè)定模型及控制研究

王清華,雙遠(yuǎn)華

(1.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

斜連軋軋制過程中速度設(shè)定模型及控制研究

王清華1,雙遠(yuǎn)華2

(1.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

斜連軋工藝是將穿孔和軋管集成到一臺(tái)機(jī)器上，一次完成熱軋無縫鋼管的新型金屬成型生產(chǎn)工藝。由于金屬軋制過程中形成連軋關(guān)系，因此斜連軋軋機(jī)速度協(xié)調(diào)控制對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量起著重要的作用。依據(jù)金屬秒流量相等原理及斜軋運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，建立了斜連軋機(jī)的速度設(shè)定模型及連軋速度關(guān)系。由于軋機(jī)速度受外界干擾影響較大，采用動(dòng)態(tài)矩陣控制算法作為控制器，對(duì)斜連軋機(jī)軋制段的速度進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，使其與穿孔段速度相協(xié)調(diào)。考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的各種約束條件,在動(dòng)態(tài)矩陣控制算法中采用粒子群算法作為滾動(dòng)優(yōu)化方法。仿真試驗(yàn)對(duì)比了傳統(tǒng)的PID控制器和加入粒子群算法作優(yōu)化后的動(dòng)態(tài)矩陣控制器對(duì)斜連軋機(jī)速度系統(tǒng)的控制性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，速度設(shè)定模型為斜連軋工藝的順利進(jìn)行提供了理論基礎(chǔ)?；诹Ｗ尤核惴ǖ膭?dòng)態(tài)矩陣控制方法超調(diào)量小，響應(yīng)速度較快，振蕩頻率小，提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

預(yù)測(cè)控制； PID控制； 模糊控制； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 粒子群算法

0 引言

斜連軋工藝是將穿孔、軋管等工藝集成到一臺(tái)機(jī)器上，一次完成熱軋無縫鋼管的新型金屬成型生產(chǎn)工藝[1]。文獻(xiàn)[1]中提到的斜連軋機(jī)由三輥斜軋穿孔段和三輥斜軋軋管段組成。軋制流程為：實(shí)心坯料經(jīng)加熱后進(jìn)入穿孔段穿孔，緊接著進(jìn)入軋管段軋制，在穿孔段和軋管段形成連軋關(guān)系，最后脫管。斜連軋工藝具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)[2]。由于存在連軋關(guān)系，穿孔段和軋管段的軋輥速度匹配是順利軋制的重要條件之一。而軋輥速度受到材料、溫度、機(jī)械性能、張力等條件的影響，會(huì)導(dǎo)致其速度不匹配，使鋼管發(fā)生堆積、拉伸、扭轉(zhuǎn)甚至軋卡。

近年來,許多學(xué)者對(duì)軋制過程控制進(jìn)行了研究。國外一些學(xué)者應(yīng)用智能算法，如小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了軋制速度的自適應(yīng)控制[3-4]。為了更好地控制軋制力的變化,研究將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化方法應(yīng)用于軋制力的預(yù)測(cè)[5-7]。預(yù)測(cè)控制是一種基于模型的控制技術(shù)，具有對(duì)模型要求低、魯棒性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、能處理復(fù)雜約束優(yōu)化控制問題等特點(diǎn)[8]，非常適用于實(shí)際工業(yè)過程的控制，如分布式預(yù)測(cè)控制在軋鋼企業(yè)鋼板加速冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用[9]、預(yù)測(cè)控制在自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[10-11]。

本文以斜連軋工藝為研究對(duì)象，根據(jù)斜軋和連軋的特點(diǎn)，建立了精確的速度設(shè)定模型及穿孔段和軋管段軋輥速度匹配公式。由于軋輥速度易受外界因素的擾動(dòng)而產(chǎn)生非線性變化，而預(yù)測(cè)控制可以預(yù)測(cè)未來的輸出，故提出采用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)矩陣控制算法對(duì)軋管段軋輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥轉(zhuǎn)速的迅速、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，為提高鋼管質(zhì)量打下良好的基礎(chǔ)。

1 斜連軋工藝速度設(shè)定模型

斜連軋?jiān)囼?yàn)機(jī)由太原科技大學(xué)設(shè)計(jì)制造。按照金屬斜連軋生產(chǎn)工藝，為了保證軋件在兩組軋輥間順利軋制、既不堆鋼也不拉鋼、軋出產(chǎn)品厚度均勻，必須要控制各軋機(jī)間的金屬秒流量相等[12]。

斜連軋機(jī)在空載及管坯經(jīng)過穿孔段而未進(jìn)入軋管段時(shí)，軋管段的電機(jī)僅拖動(dòng)軋輥運(yùn)行，確保電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定運(yùn)行。在經(jīng)穿孔后的毛管被軋管段軋輥咬入的瞬間，電機(jī)承受突加負(fù)載，會(huì)造成轉(zhuǎn)速下降；而電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不當(dāng)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)超過與穿孔段軋輥轉(zhuǎn)速的匹配值。如果轉(zhuǎn)速不能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，可能造成毛管的軋制速度在穿孔段和軋管段出現(xiàn)速差，導(dǎo)致堆鋼、扭轉(zhuǎn)或拉伸問題，影響鋼管質(zhì)量，甚至造成軋卡。

斜連軋機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斜連軋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

為確保所軋制鋼管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等參數(shù)符合要求，通常要保證終軋溫度基本穩(wěn)定。坯料在斜連軋機(jī)中軋制時(shí)，熱交換的形式是相當(dāng)復(fù)雜的，既存在鋼管輻射散熱、鋼管與冷卻水之間的對(duì)流散熱、鋼管與軋輥接觸時(shí)的傳導(dǎo)散熱，又伴隨有接觸摩擦和塑性變形熱所引起的熱量增加。斜連軋機(jī)結(jié)構(gòu)將斜連軋機(jī)分為3個(gè)區(qū)段，軋機(jī)的兩頭安裝有測(cè)溫儀T1、T2。

加熱后的實(shí)心坯料頭部從a處被穿孔段軋輥咬入，開始穿孔；從b處穿出的毛管頭部到c處被軋管段軋輥咬入，此時(shí)建立連軋關(guān)系；當(dāng)毛管尾部從b處穿出時(shí)，連軋關(guān)系消失，最后荒管從d處穿出。L0段的熱量損失主要是在運(yùn)送過程中高溫坯料向外輻射熱量。由于斜連軋機(jī)運(yùn)送距離較短，因此，輻射溫降為：

(1)

式中：ε為坯料的熱輻射系數(shù)；σ=5.67 W/(m2·K4)；t為坯料的表面溫度，由測(cè)溫儀T1測(cè)出；cp為熱容量；γ為密度；r為管坯的半徑；Δτ=ΔL/v為管坯移動(dòng)時(shí)的溫降時(shí)間,ΔL為管坯移動(dòng)的距離,v為管坯移動(dòng)的速度。

坯料進(jìn)入斜連軋機(jī)后，考慮到坯料在軋機(jī)中產(chǎn)生的塑性變形熱與鋼管、軋輥相接觸所產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)熱損基本可以互相抵消，故把機(jī)架間的輻射冷卻和噴水冷卻合并，作為一個(gè)當(dāng)量的冷卻系統(tǒng)。斜連軋機(jī)每個(gè)區(qū)段的溫降為：

(2)

式中：ti為第i區(qū)段的鋼管溫度；ti-1為第(i-1)區(qū)段的鋼管溫度；tW為冷卻水的溫度；KF為冷卻能力系數(shù)；hi為第i區(qū)段的鋼管壁厚；vi為第i區(qū)段的鋼管速度；Li為第(i-1)區(qū)段到第i區(qū)段的距離。

鋼管在斜連軋過程中，應(yīng)遵守金屬秒流量相等的原則，所以在穩(wěn)定軋制時(shí)：

Fivi=F2v2

(3)

式中:v2為軋管段荒管的出口速度；Fi為第i區(qū)段鋼管的截面積；F2為軋管段的出口斷面面積。

溫降公式(2)可改寫為：

(4)

將兩段的溫降累加起來，得到整個(gè)機(jī)架的溫降公式為：

(5)

式中：tFo為軋管段出口處荒管的溫度，由測(cè)溫儀T2測(cè)出；tFe為穿孔段入口處坯料的溫度，根據(jù)式(1)計(jì)算tFe=t+Δt，溫度t由測(cè)溫儀T1測(cè)出。

為保證軋管段荒管出口溫度，計(jì)算確定軋管段荒管的出口速度：

(6)

斜連軋工藝的穿孔段和軋管段均采用斜軋方式，由斜軋的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，可以得到軋輥轉(zhuǎn)速和軋管段荒管的出口速度的關(guān)系為：

(7)

式中：nr2為軋管段軋輥轉(zhuǎn)速；α2、β2分別為軋管段軋輥的送進(jìn)角和輾軋角；η2為荒管出口斷面的軸向滑動(dòng)系數(shù)；D2為出口斷面上的軋管段軋輥直徑。

綜合式 (6)、式(7)，可得軋管段軋輥的轉(zhuǎn)速設(shè)定模型為：

(8)

當(dāng)斜連軋軋機(jī)工作時(shí)，從穿孔段穿出的毛管緊接著進(jìn)入軋管段進(jìn)行軋制，毛管在兩段之間形成連軋關(guān)系。根據(jù)連軋時(shí)金屬秒流量相等的原則，得：

F1v1=F2v2

(9)

式中：v1為穿孔段毛管的出口速度；F1為鋼管在穿孔段的出口斷面面積。

穿孔段毛管的出口速度v1和軋輥轉(zhuǎn)速nr1的關(guān)系為：

(10)

式中：nr1為穿孔段軋輥轉(zhuǎn)速；α1、β1分別為穿孔段軋輥的送進(jìn)角和輾軋角；η1為毛管出口斷面的軸向滑動(dòng)系數(shù)；D1為出口斷面上的穿孔段軋輥直徑。

穿孔段軋輥的轉(zhuǎn)速設(shè)定模型為：

(11)

由式(8)、式(11)得到穿孔段軋輥轉(zhuǎn)速和軋管段軋輥轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速比為：

(12)

在斜連軋軋制過程中，尤其是在連軋階段，穿孔段軋輥轉(zhuǎn)速和軋管段軋輥轉(zhuǎn)速的比值必須滿足式(12)，軋制過程方可順利進(jìn)行。式(12)中的η1、η2為軸向滑動(dòng)系數(shù)。通常情況下，在孔型中軋管時(shí)，軋件和軋輥之間會(huì)不可避免地產(chǎn)生滑移。軋制速度、溫度、頂頭前伸量、送進(jìn)角大小等都對(duì)滑動(dòng)系數(shù)有所影響[13]，此處的滑動(dòng)系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)公式選取。

2 預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

預(yù)測(cè)控制針對(duì)的是有優(yōu)化需求的控制問題。自問世以來，預(yù)測(cè)控制器在復(fù)雜工業(yè)過程中解決復(fù)雜約束優(yōu)化控制問題方面取得了很大的成功[8]。

在斜連軋軋制工藝中，穿孔段和軋管段兩組軋輥的轉(zhuǎn)速易受外界環(huán)境影響，如金屬的變形抗力、來料溫度、張力等。這些因素導(dǎo)致了傳統(tǒng)PID控制器的控制參數(shù)整定困難，控制效果不理想。為了更好地控制軋輥轉(zhuǎn)速，采用預(yù)測(cè)控制算法作為控制器預(yù)測(cè)下一刻速度的輸出值，以提前預(yù)測(cè)調(diào)整控制的力度，維持良好的動(dòng)態(tài)控制性能。

動(dòng)態(tài)矩陣控制(dynamic matrix control，DMC)算法是基于非參數(shù)模型的預(yù)測(cè)控制算法。該算法采用被控對(duì)象的階躍響應(yīng)特性來描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，是一種最優(yōu)控制技術(shù)[14]。

(13)

同理，在當(dāng)前時(shí)刻起的M個(gè)連續(xù)控制增量Δu(k),…,Δu(k+M-1)的作用下，未來各時(shí)刻的輸出值為：

(14)

(15)

為了消除該預(yù)測(cè)值誤差，對(duì)e(k+1)加權(quán)，以修正對(duì)其他時(shí)刻的預(yù)測(cè)。校正后的預(yù)測(cè)值為：

(16)

式中：H=[h1,h2…,hN]T為校正向量。經(jīng)過校正后的YP通過式(17)進(jìn)行移位，作為(k+1)時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值。

(17)

為了確定M個(gè)連續(xù)的控制增量，使得在未來P時(shí)域內(nèi)的輸出值盡可能接近期望值，取k時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)：

(18)

式中：M為控制時(shí)域;P為優(yōu)化時(shí)域；qi、ri為權(quán)系數(shù)，分別表示對(duì)跟蹤誤差及控制量變化的抑制程度。

在控制系統(tǒng)中，不僅要求輸出跟蹤給定的期望值，還希望控制增量不要?jiǎng)×易兓?。在?shí)際的控制系統(tǒng)中，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，系統(tǒng)的輸出及控制輸入存在一定的約束。若不考慮這些約束，則實(shí)際運(yùn)行時(shí)控制器的性能將會(huì)受到影響。在控制系統(tǒng)中，約束包括控制變量增量約束、控制變量幅值約束以及輸出變量幅值約束，即：

(19)

在預(yù)測(cè)控制的滾動(dòng)優(yōu)化中，在M個(gè)控制時(shí)域內(nèi)用向量形式表示控制增量約束為：

(20)

式(18)用向量形式可表示為：

(21)

粒子群算法是一種受鳥群和魚群等群體覓食行為的啟發(fā)而建立的，基于種群尋優(yōu)的隨機(jī)搜索算法[15]。本文中設(shè)粒子群體規(guī)模為n,維數(shù)為d， 粒子的位置Ui=[ui1,ui2,…,uid]為未來的控制量；vi=[vi1,vi2,…,vid]為粒子的速度,Pi=[pi1,pi2,…,pid]為微粒i所經(jīng)歷過的最好位置。粒子的速度和位置更新方程為：

深化學(xué)生學(xué)業(yè)指導(dǎo)理念?！耙詫W(xué)生為本”的核心思想需要貫穿于高校教育的實(shí)踐中，尤其需要體現(xiàn)在高校學(xué)業(yè)指導(dǎo)工作中。無論是專門展開學(xué)業(yè)指導(dǎo)的任職教師，還是學(xué)生的思想政治輔導(dǎo)員，亦或是專業(yè)課老師，都需要從學(xué)生的實(shí)際需求出發(fā)，尊重學(xué)生主體，注重內(nèi)化于心，外化于行。積極為學(xué)生提供好學(xué)業(yè)指導(dǎo)工作，有效建立學(xué)業(yè)引導(dǎo)的平臺(tái)和渠道，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，推動(dòng)豐富學(xué)業(yè)指導(dǎo)內(nèi)容，優(yōu)化學(xué)業(yè)指導(dǎo)形式，健全學(xué)業(yè)指導(dǎo)體系。從而多維度提高高校教育質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

式中：ω為慣性權(quán)重；r1、r2為在[0,1]區(qū)間均勻分布的相互獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)；c1、c2為加速常數(shù)。

控制量的適應(yīng)值函數(shù)由式(21)得出?；赑SO滾動(dòng)優(yōu)化的DMC算法步驟如下。

①初始化系統(tǒng)狀態(tài)及PSO參數(shù)。

②檢測(cè)實(shí)際輸出y,并與預(yù)測(cè)值相比較后計(jì)算誤差,yr-y(1)→e(k+1)。

③按式(16)得到校正后的預(yù)測(cè)值YP(k+1)。

⑤采用適應(yīng)值函數(shù)式(21)計(jì)算粒子的適應(yīng)值,尋找出最優(yōu)的控制量；根據(jù)式(22)更新粒子的位置和速度，進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化。

基于粒子群算法的動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制器(簡稱PSO-DMC)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PSO-DMC控制器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，滾動(dòng)優(yōu)化的輸出作為控制量作用在軋輥，電機(jī)實(shí)際輸出速度為y，為了使電機(jī)的實(shí)際輸出速度y能夠跟蹤目標(biāo)速度yr，將k時(shí)刻的輸出值y和預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)輸出ym經(jīng)反饋校正后反饋到控制器的輸入端，即在k時(shí)刻預(yù)測(cè)(k+1)時(shí)刻的輸出yP。

3 基于PSO-DMC的斜連軋工藝速度控制

本文中斜連軋機(jī)的穿孔段軋輥采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，軋管段軋輥采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)[16]。

斜連軋工藝參數(shù)見表1。

表1 斜連軋工藝參數(shù)

由于直流電機(jī)電氣傳動(dòng)具有調(diào)速范圍寬、性能好、線路簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，因此考慮對(duì)軋管段軋輥的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。由式(12)可得軋管段的軋輥轉(zhuǎn)速為：

(23)

穿孔段的軸向滑移系數(shù)η1=0.87;軋管段的軸向滑移系數(shù)η2=0.8。根據(jù)式(23)，可得軋管段軋輥轉(zhuǎn)速設(shè)定值為nr2=174 r/min。被控對(duì)象直流電機(jī)型號(hào)為Z4-160-31，額定功率為22 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，額定電壓為400 V，額定電流為64.8 A，電樞回路電阻為0.675 Ω，電樞回路電感為15.2 mH，電動(dòng)機(jī)飛輪慣量GD2=0.88 kg·m2。直流電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)與軋管段軋輥連接，減速比為5。因此，軋管段直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值為870 r/min。

(24)

采用PID控制器和PSO-DMC控制器的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 不同控制器的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

PID控制器的參數(shù)為P=1、I=20、D=0.001。PSO-DMC控制器的參數(shù)為：控制時(shí)域M=2，優(yōu)化時(shí)域P=6，建模時(shí)域N=60。在粒子群算法中，粒子規(guī)模取10，維數(shù)為2，學(xué)習(xí)因子c1=c2=1.5，慣性權(quán)重ω從0.9到0.4線性減小。

由圖3可以得到如下結(jié)論。

①應(yīng)用PID控制器得到的轉(zhuǎn)速超調(diào)量為0.31%，而PSO-DMC控制器的超調(diào)量為0.06%。

②應(yīng)用PID控制器，在0.45 s時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到0.5；而PSO-DMC在 0.33s時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到0。

③與PID控制器相比，采用PSO-DMC控制器后，電機(jī)速度超調(diào)量小,響應(yīng)速度較快，振蕩頻率小，在0.335 s就可以穩(wěn)定到給定值，提高了斜連軋工藝中軋輥轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能。

在軋制過程中，斜連軋工藝在坯料被咬入的瞬間，穿孔段和軋管段的驅(qū)動(dòng)電機(jī)因負(fù)載發(fā)生變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生變化。此外，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也容易受到外界環(huán)境的干擾，而軋制的順利完成要求電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)響應(yīng)快速、抗干擾能力強(qiáng)。因此，在0.5 s時(shí)，設(shè)定負(fù)載從0變化到40 N·m 。負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖4(a)為由PID控制器調(diào)節(jié)軋管段直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，空載啟動(dòng)后，經(jīng)過0.45 s，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在870 r/min；在0.5 s時(shí)加載電機(jī)上的負(fù)載到40 N·m，從圖4(a)可以看到電機(jī)轉(zhuǎn)速受到干擾下降；到0.7 s時(shí)重新穩(wěn)定到給定值。與圖4(b)相比較，由PSO-DMC控制器控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間短，在負(fù)載發(fā)生變化后，僅0.1 s即可恢復(fù)到給定值，快速性較好、波動(dòng)較小，說明了該方法的動(dòng)態(tài)性能良好。

4 結(jié)束語

本文以斜連軋機(jī)為研究對(duì)象，分析了鋼管在斜連軋工藝穿孔和軋制連續(xù)進(jìn)行的特點(diǎn)，并根據(jù)金屬秒流量相等的原理及斜軋運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，建立了斜連軋機(jī)穿孔段和軋制段軋輥的速度模型，研究了兩者之間的匹配關(guān)系，為斜連軋機(jī)順利軋制提供了速度設(shè)定值。由于斜連軋機(jī)的軋輥轉(zhuǎn)速會(huì)受到電網(wǎng)質(zhì)量、管坯材料等外界環(huán)境因素的影響，提出了具有預(yù)測(cè)能力的PSO-DMC預(yù)測(cè)控制方法對(duì)軋管段電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并對(duì)比了常規(guī)PID控制和動(dòng)態(tài)矩陣算法在速度控制系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)性能。

仿真結(jié)果表明，利用預(yù)測(cè)模型對(duì)軋機(jī)的速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，采用基于粒子群算法的動(dòng)態(tài)矩陣控制方法對(duì)軋機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，能更好地抑制外界環(huán)境對(duì)軋機(jī)的影響，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)誤差小，確保斜連軋軋機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

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Research on the Speed Setting Model and Control of the Tandem Skew Rolling Mill

WANG Qinghua1,SHUANG Yuanhua2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China；2.School of Mechanical and Electronic Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

Tandem skew rolling (TSR) process is a new metal forming production process which integrates piercing and rolling in one machine,and completes the seamless hot-rolled steel pipes in once.Since continuous rolling relationship is formed in rolling process of metal,thus the coordinated speed control for TSR mill is significant for improving quality of products.According to the principle of equal flow per second of metal,and the theory of skew rolling kinematics,the speed setting model and the relations of the tandem rolling speed are established.Due to the rolling speed could be easily affected by the external interference,the predictive control of the speed in the rolling section is conducted by using dynamic matrix control (DMC) algorithm to make it coordinated with the speed of piercing section.Considering the constraints in the actual production,the particle swarm optimization (PSO) algorithm is used in DMC algorithm for rolling optimization.In simulation experiment,the control performances are compared between the traditional PID controller and the dynamic matrix controller with the particle swarm optimization (PSO) algorithm integrated.The results show that the speed setting model provides theoretical basis for the tandem skew rolling process.Dynamic matrix control based on particle swarm optimization features smaller overshoot,faster response speed,and lower oscillation frequency,and it can improve the dynamic performance of control system.

Predictive control; PID control; Fuzzy control; Neural network; Particle swarm opfimization(PSO)

資金項(xiàng)目:山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201601D11029)、山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(20143104)

王清華(1980—)，女，碩士，講師，主要從事無縫鋼管生產(chǎn)設(shè)備、工藝及自動(dòng)化方向的研究。E-mail：18903462536@163.com。 雙遠(yuǎn)華(通信作者)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事鋼管軋制設(shè)備及自動(dòng)化、軋制過程人工智能、數(shù)值模擬、CAD/CAE/CAM方向的研究。E-mail：yhshuang@sina.com。

TH-39;TP181

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704004

修改稿收到日期：2016-11-29