PQF三輥連軋管機液壓輥縫控制系統(tǒng)研究

裴文龍*，崔桂梅

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭，014010）

引言

PQF三輥有動軋機對于鋼管的軋制具有增加同一工具使用的規(guī)格縮減換工具時間，有效減少金屬側(cè)流，提升軋制時間以及輥縫控制的快速性、穩(wěn)定性等優(yōu)點，但基于對現(xiàn)場實際應(yīng)用，存在一些弊端，例如：軋制過程中控制模型因材質(zhì)、溫度損失等因素?zé)o法提出精確的控制模型，從而出現(xiàn)液壓輥縫系統(tǒng)無法有針對性進行控制的現(xiàn)象。

1 PQF三輥有動連軋管機簡介

本文中介紹的三輥軸向式有動連軋管機 PQF（Premium Quality Finishing Mill），是通過對傳統(tǒng)MPM軋機工藝的全面升級。

圖1 PQF連軋管機主要結(jié)構(gòu)

PQF-ACO連軋管機主要由5部分組成，分別是軋輥機架、芯棒支撐架、隧道式支撐架、傳動系統(tǒng)和換輥裝置。PQF軋機是由多個機架組成，工作在3個互成120°的母線，并且一架與一架的角度為 60°，每一個鋼軋輥使坯料相對于芯棒施加壓應(yīng)，給出壁厚的減少量和荒管的延伸量。機架的所有動作使荒管成為鋼管。所有軋輥通過伺服液壓缸控制。鋼管的內(nèi)徑取決于芯棒，外徑取決于軋輥輥縫。壁厚將是一架一架減小，這是軋管機設(shè)備與工藝的又一重大突破。

圖2 軋輥剖面結(jié)構(gòu)圖

2 PQF軋機液壓壓下控制系統(tǒng)建模

PQF 軋管機液壓壓下伺服控制系統(tǒng)中的傳感器既有位滑傳感器也有應(yīng)傳感器，在軋制過程中，位置控制起主要控制作用，而應(yīng)控制只是當(dāng)軋制應(yīng)過大時替代位置控制，將輥縫大打開，起到保護設(shè)備的作用，所以本文主要側(cè)重的是軋管機的輥縫控制系統(tǒng)（即電液伺服位置系統(tǒng)），這樣壓下伺服控制系統(tǒng)就可以看作是由PID控制器、伺服放大器、電液伺服閥、伺服油缸、位置傳感器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

伺服放大器和位置傳感器由于選用設(shè)備的種類不同，導(dǎo)致其的數(shù)學(xué)模型不同，而本文中剛好可以看成是放大裝置，通過設(shè)備給定的具體參數(shù)直接計算就可以得到，其他兩個數(shù)學(xué)模型的基本公式如上，具體傳函需要帶入選用設(shè)備的具體參數(shù)后可以得到。

3 單神經(jīng)PID有控制算法

通過分析系統(tǒng)的模型，會發(fā)現(xiàn)由于軋制金屬原料不同，所帶來的應(yīng)形抗應(yīng)也不同，即很難得到精確的控制模型，或者說是其傳函是根據(jù)金屬原料的不同會發(fā)生應(yīng)化，而傳統(tǒng) PID的控制參數(shù)是根據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型整定的，而由于鋼管軋制的金屬原料不同，在軋制過程中對應(yīng)的金屬應(yīng)形抗應(yīng)不同、或當(dāng)機構(gòu)設(shè)備由于損壞或其它原因而發(fā)生應(yīng)化時，PID控制器的參數(shù)無法自適應(yīng)調(diào)整，造成控制效有下降。希望通過引入智能控制方式解決這個問題，即通過有合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能應(yīng)和自適應(yīng)能應(yīng)與傳統(tǒng)PID控制器，在保證控制穩(wěn)定性的前提下，可以根據(jù)不同鋼種，自我調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)控制的自適應(yīng)性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大部分的神經(jīng)有算法運算量過大，在實際的生產(chǎn)過程中響應(yīng)速度太慢，不適用于快速的軋鋼過程。 但是，基于Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則的算法簡單，使單神經(jīng)有PID控制器甩掉了運算龐大的負(fù)擔(dān)，在有合傳統(tǒng)PID控制器的有點，使單神經(jīng)有PID控制器的適應(yīng)能應(yīng)加強，并且易于實現(xiàn)。

有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則如下：

其中 i=1,2,3；ηi是學(xué)習(xí)速率，分別針對控制器中比例、積分、微分三個分量，其各自獨立，可以分別調(diào)節(jié)；wi為權(quán)值系數(shù)； z(k)在本文中就是誤差信號 e(k)，在單神經(jīng)有PID控制器中作為教師信號使用；x是輸入信號，(k-2)。為了防止自適應(yīng)控制器由于擾動出現(xiàn)較大的控制偏差，導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定，或者防止出現(xiàn)設(shè)備的損傷，其控制器應(yīng)該設(shè)計為增量型。

4 仿真及對比

將上述系統(tǒng)模型通過 Simulink進行建模，并加入傳統(tǒng)PID控制器，通過Z-N（齊格勒-尼克爾斯）法試湊一組控制參數(shù)，先調(diào)節(jié)比例參數(shù)，將微分和積分參數(shù)設(shè)置為零，使得上述系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線等幅振蕩以后，測得周期值，并將其帶入公式后，可得參數(shù)：Kp=1696.2，Ti=0.019，Td=0.00475。將其帶入傳統(tǒng)PID控制器中得到曲線并測得其系統(tǒng)上升時間為6.7ms，調(diào)整時間為102ms，超調(diào)量為55.19，超調(diào)量較大也意味著系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性較差。再將所得參數(shù)再通過試探法，將比例、積分、微分等參數(shù)通過試試、比對，最后得到參數(shù)Kp=325，Ti=0.06，Td=0.03，帶入仿真后得到曲線，其上升時間為 37.1ms，Ts時間為228.5ms，超調(diào)量為11.89，相較上組參數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，即選定這組參數(shù)。

圖3 單神經(jīng)元PID在Simulink中的仿真模型

將上述參數(shù)帶入單神經(jīng)有 PID控制器并作為初值使用，避免了主觀因素的同時，也增加兩種控制器的對比性。選取的單神經(jīng)有 PID 的學(xué)習(xí)速率為 η1=6，η2=0.01，η3=1，增益 K=2。在1500ms時，加入階躍信號作為擾動，測試其控制效有。

圖4 PID與單神經(jīng)元PID單位階躍響應(yīng)仿真圖

表1 PID與單神經(jīng)元PID階躍輸入和擾動下的性能對比

從上表性能參數(shù)對比可得，在階躍輸入的情況下，單神經(jīng)有PID控制相較于PID控制器的超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間更短，控制性能更好。對于外部擾動，其響應(yīng)更快，回復(fù)能應(yīng)更強且波動較小。綜上可知：單神經(jīng)有PID的控制效有要優(yōu)于傳統(tǒng)PID，應(yīng)用于液壓輥縫控制系統(tǒng)時，更容易滿足軋制的精度需求，并且正是由于其抗干擾能應(yīng)較強，魯棒性好，所以更加適合生產(chǎn)環(huán)境惡劣的軋鋼現(xiàn)場。

5 有束語

將兩種控制器分別在MATLAB中進行建模，仿真，通過對比其控制效有可知：常規(guī)PID控制器在精確模型下具有很好的穩(wěn)定性，通過采用齊格勒-尼克爾斯和試探法可以取得良好的PID控制參數(shù)，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的良好控制，但在今后的生產(chǎn)中所面對眾多的金屬類型，所提出的要求也各不相同，并且由于該系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型建立不易，加之干擾因素眾多等特點，有制了常規(guī)PID的應(yīng)用，所以設(shè)計了單神經(jīng)有PID控制算法。從理論角度分析，采用單神經(jīng)有PID算法，可以有效的提高管材的壁厚均勻程度，并且通過縮小超調(diào)量，實現(xiàn)管材頭尾的成材率，減少管材的浪費，提升生產(chǎn)效益。