一種冷軋工作輥彎輥控制方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種冷軋工作輥彎輥控制方法及其應(yīng)用，屬于冶金機(jī)械及自動(dòng)化、軋制技術(shù)，本技術(shù)是將實(shí)際彎輥力反饋值與彎輥力設(shè)定值的偏差信號(hào)通過(guò)總線輸入到PLC（可編程控制器）中，PLC中設(shè)置有單積分控制器與比例積分控制器，兩類控制器獨(dú)立并聯(lián)，兩組信號(hào)進(jìn)行疊加后得到PI+I（非線性組合控制器）的輸出，將此輸出通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)綇澼亪?zhí)行機(jī)構(gòu)；此方法可應(yīng)用于冷軋8液壓缸工作輥彎輥機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的方法在不需要增加新設(shè)備的前提下，滿足彎輥系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，尤其是正負(fù)彎之間快速、無(wú)超調(diào)切換的要求。
【專利說(shuō)明】一種冷軋工作輥彎輥控制方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金機(jī)械及自動(dòng)化、軋制技術(shù)。尤其涉及一種兼顧彎輥力的控制精度和響應(yīng)速度的控制方法，更具體的說(shuō)將優(yōu)化的非線性組合控制算法應(yīng)用于彎輥控制。
【背景技術(shù)】
[0002]液壓彎輥是開(kāi)發(fā)與應(yīng)用得最早的板形控制技術(shù)，它是1965年開(kāi)發(fā)，1970年開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的。彎輥裝置的作用是提高軋輥平衡力，增大軋輥彎曲力矩，使軋輥在輥身長(zhǎng)度方向上容易發(fā)生彎曲變形。液壓彎輥曲線是二次曲線，而實(shí)際上是比較復(fù)雜的曲線，對(duì)其復(fù)合波、局部波的控制基本上是無(wú)能為力的，所以在板寬范圍以外的彎輥效果不好，不能解決邊部減薄問(wèn)題，而且增大彎輥力又會(huì)減少軸承壽命。但是，液壓彎輥有減小板凸度、改善帶鋼平直度、提高生產(chǎn)率及降低輥磨損等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于垂直方向與水平方向的彎輥裝置中，成為現(xiàn)代化帶鋼軋機(jī)的重要標(biāo)志之一。
[0003]目前液壓彎輥裝置可以通過(guò)向工作輥或支撐輥輥頸兩種不同的方式來(lái)施加液壓彎輥力，而彎輥力按照方向還可分為正彎和負(fù)彎兩種作用，主要有三種形式:正彎工作輥、負(fù)彎工作輥和正彎支撐輥。工作輥液壓彎輥裝置的主要形式為并列的兩個(gè)液壓缸，因此有16缸工作棍彎棍機(jī)構(gòu),每一個(gè)液壓缸活塞都是朝伸出的方向出力。如果對(duì)機(jī)械和液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，取消負(fù)彎液壓缸，使得原來(lái)的正彎液壓缸活塞在伸出縮回兩個(gè)方向都可以出力，則原正彎液壓缸具備正彎和負(fù)彎的功能，這樣就成為現(xiàn)在的8缸工作輥彎輥機(jī)構(gòu)。
[0004]對(duì)如圖3所示的其中一個(gè)具體的上工作輥彎輥液壓缸而言，凸塊固定在工作輥軸承座上，液壓缸固定在軋機(jī)牌坊上。換輥時(shí)凸塊隨工作輥輥系被抽出，而與液壓缸活塞連成一體的T型塊則不動(dòng)，為了換輥的便捷、快速，T型塊上下表面必須留有一定的間隙，約IOmm0但正是該間隙的存在，導(dǎo)致正負(fù)彎切換的時(shí)候，T型塊會(huì)脫離一側(cè)接觸另一側(cè)，且中間需經(jīng)過(guò)一段不與凸塊接觸的自由段。由于冷軋正負(fù)彎切換是在正常軋制過(guò)程中，因此有一定的時(shí)間要求，尤其在超過(guò)600m/min的高速軋制時(shí),切換時(shí)間不能大于I秒，因此，自由段活塞必須保持一定的速度動(dòng)作，同時(shí)由于液壓缸內(nèi)并沒(méi)有位移傳感器，無(wú)法知道活塞當(dāng)前位置，不能提前減速，這就導(dǎo)致T型塊與另一側(cè)接觸時(shí)有一個(gè)較大的沖擊，彎輥力會(huì)突然變得很大，然后再調(diào)整回來(lái)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，沖擊時(shí)的彎輥力最大會(huì)超過(guò)設(shè)定彎輥力約200KN，這會(huì)造成嚴(yán)重的板形問(wèn)題甚至斷帶，因此，這種沖擊是絕對(duì)不允許的。
[0005]在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)還發(fā)現(xiàn)彎輥系統(tǒng)的另一個(gè)特性，每次換輥以后，彎輥在閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程中控制器輸出給伺服閥的基準(zhǔn)值都會(huì)變化。舉例說(shuō)明:某次換輥以后，當(dāng)彎輥處于閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，此時(shí)控制器給伺服閥的輸出電流在0.2±0.03mA范圍內(nèi)；下次換輥以后，輸出電流范圍可能變到在0.3±0.03mA。也就是說(shuō)，輸出電流出現(xiàn)J ±a的形式，此處J表示電流的基準(zhǔn)值，a表示電流的調(diào)節(jié)量，每次換輥以后J變化較大，a變化較小。從機(jī)械結(jié)構(gòu)分析，出現(xiàn)這種狀況的原因是每次換輥后輥系特性改變，導(dǎo)致達(dá)到同樣的彎輥力需要輸出電流隨之改變。
[0006]近年來(lái)研究者們對(duì)彎輥的穩(wěn)定控制和死區(qū)調(diào)節(jié)的難點(diǎn)進(jìn)行了深入研究，大家都致力于研究出更好的方法手段來(lái)實(shí)現(xiàn)彎輥的有效控制，以提高金屬板帶軋制的質(zhì)量來(lái)滿足市場(chǎng)需求。上海寶信公司王育華的專利“工作輥的正負(fù)彎輥切換方法”(專利號(hào)CN 102198115A)提出增加液壓缸的方法將工作輥?zhàn)笥覂蓚?cè)的彎輥油缸分為兩組，至少有一組彎輥油缸處于“撐開(kāi)”或“拉緊”狀態(tài)，并且總的彎輥力始終等于要求的工藝設(shè)定值，這種方法能達(dá)到正負(fù)彎輥力平滑切換，但需要增加液壓缸。“冷連軋機(jī)工作輥彎輥連續(xù)無(wú)死區(qū)控制裝置”(專利號(hào)CN 2815535Y)通過(guò)內(nèi)外彎輥缸的組合實(shí)現(xiàn)切換，“一種軋機(jī)彎輥控制在線切換裝置”(專利號(hào)CN 201586664U)通過(guò)增加壓力傳感器使得彎輥力的檢測(cè)有了備份，兩套檢測(cè)裝置可以在線切換，而非對(duì)正負(fù)彎輥力的切換進(jìn)行操作。燕山大學(xué)的高英杰在文章“熱連軋機(jī)彎輥控制系統(tǒng)的改造與實(shí)踐”中提出了分級(jí)控制背壓的方法來(lái)使比例減壓閥工作在線性特性區(qū)內(nèi)，通過(guò)改變系統(tǒng)背壓來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的彎輥控制策略。但是當(dāng)既需要小范圍的正負(fù)彎輥力切換控制又需要較大的彎輥力輸出時(shí)，由于液壓系統(tǒng)的慣性，系統(tǒng)背壓無(wú)法頻繁改變，故此方法不適用于軋制條件較為復(fù)雜的軋制生產(chǎn)。
[0007]為解決上述問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中也嘗試用以下兩種方案進(jìn)行解決，機(jī)械方面的辦法是在T型塊外側(cè)與凸塊之間的間隙處塞上墊塊，減小甚至消除間隙的影響，顯然，為了達(dá)到效果，T形塊、墊塊和凸塊必須貼合緊密，這導(dǎo)致?lián)Q輥前墊塊必須先取下，換輥完成后再裝上，但也是由于T形塊、墊塊與和凸塊貼合緊密，導(dǎo)致墊塊的裝卸特別費(fèi)時(shí)費(fèi)力，經(jīng)常需要彎輥缸多次的切換動(dòng)作才能完成，工作輥換輥時(shí)間增加約20分鐘；工藝方面的辦法是在正負(fù)彎切換前，把軋制速度降至某一較低的安全速度再進(jìn)行切換，這樣的話，正負(fù)彎切換的時(shí)間可適當(dāng)放長(zhǎng)，活塞動(dòng)作變慢，沖擊自然也就減小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，切換時(shí)間為3秒時(shí)沖擊可以降低至約50KN，切換時(shí)間為60秒時(shí)沖擊可以降低至1(T20KN，一般情況下20KN以內(nèi)的彎輥力波動(dòng)是可以接受的。但是這個(gè)彎輥力切換過(guò)程從降速開(kāi)始算起，到切換完成再回到之前的軋制速度，整個(gè)過(guò)程不少于5分鐘。因此，這會(huì)嚴(yán)重降低軋制效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)冷軋8液壓缸工作輥彎輥機(jī)構(gòu)彎輥力軋制穩(wěn)定性和響應(yīng)速度難以兼顧的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種采用比例積分控制方法與單積分控制方法協(xié)同作用，滿足彎輥系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，尤其是正負(fù)彎之間快速、無(wú)超調(diào)切換的要求。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0010]本發(fā)明涉及一種冷軋工作輥彎輥控制方法，在PLC (可編程控制器)中設(shè)置有單積分控制器與比例積分控制器，通過(guò)上述兩種控制器的組合形成PI+I非線性組合控制器
(3)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彎輥的非線性化控制。
[0011]所述彎輥控制方法的優(yōu)選方案為，將實(shí)際彎輥力反饋值(2)與彎輥力設(shè)定值(I)的偏差信號(hào)通過(guò)PR0FIBUS-DP (可連接分散型外圍設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線)輸入到PLC (可編程控制器)中，PLC中設(shè)置有單積分控制器與比例積分控制器，兩類控制器獨(dú)立并聯(lián)，兩組信號(hào)進(jìn)行疊加后得到PI+I (非線性組合控制器)(3)的輸出，將此輸出通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)綇澼亪?zhí)行機(jī)構(gòu)。
[0012]所述彎輥控制方法的優(yōu)選方案為，所述PI+I (非線性組合控制器)的輸出信號(hào)接到模式識(shí)別系統(tǒng)(12)，進(jìn)行參數(shù)自整定。
[0013]所述彎輥控制方法的優(yōu)選方案為，所述單積分控制器與比例積分控制器中，各自設(shè)定不同的系數(shù)和輸出上限，實(shí)現(xiàn)組合控制方法的非線性化。
[0014]所述彎輥控制方法的優(yōu)選方案為，所述比例積分控制器的積分系數(shù)為單積分控制器的積分系數(shù)的5?10倍，比例積分控制器的積分限幅為單積分控制器的積分限幅的
0.0T0.1 倍。
[0015]本發(fā)明還涉及上述彎輥控制方法的應(yīng)用，所述方法可應(yīng)用于冷軋8液壓缸工作輥彎輥機(jī)構(gòu)。
[0016]所述彎輥控制方法應(yīng)用的優(yōu)選方案為，所述方法的具體應(yīng)用步驟如下:
1)設(shè)計(jì)單積分控制器:設(shè)定較小的初始積分系數(shù)范圍3X10_6飛X10_6，同時(shí)設(shè)定足夠大的輸出上限0.5，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入偏差的積分響應(yīng)輸出；
2)改進(jìn)比例積分控制器:對(duì)于比例算法，輸出上限為允許的最大輸出；對(duì)于積分算法，將初始積分系數(shù)設(shè)定為2.5X 10_5，為其輸出上限值設(shè)定“0.02”(軋制狀態(tài))與“1.0”(放開(kāi)控制)兩種模式；
3)參數(shù)優(yōu)化:通過(guò)軋制的狀態(tài)變量，基于模式識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)果調(diào)整比例積分控制器中的比例系數(shù)、積分系數(shù)和單積分控制器中的積分系數(shù)；
4)動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證:若控制器初始值設(shè)定不合理，則根據(jù)狀態(tài)變量以自動(dòng)軋制狀態(tài)下10倍步長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)控制器各參數(shù)，當(dāng)輸出值模式良好時(shí)，切換到自動(dòng)彎輥控制方式。
[0017]該發(fā)明具體指將彎輥力設(shè)定值(I)作為控制方法輸入，通過(guò)比例積分控制方法和單積分控制方法各自不同的系數(shù)設(shè)定和輸出上限設(shè)定實(shí)現(xiàn)組合控制方法的非線性化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)非線性對(duì)象的控制。這種方法的應(yīng)用使彎輥系統(tǒng)在不同的工況條件下都能有良好的控制效果。
[0018]一般而言，軋機(jī)操作側(cè)的4個(gè)工作輥彎輥缸，分別是入口上側(cè)、入口下側(cè)、出口上偵U、出口下側(cè)彎輥缸，另外4個(gè)工作輥彎輥缸位于傳動(dòng)側(cè)對(duì)應(yīng)位置。根據(jù)不同的彎輥工作模式，控制系統(tǒng)給各工作輥彎輥缸發(fā)送不同控制信號(hào)，對(duì)每個(gè)缸獨(dú)立控制以達(dá)到對(duì)整個(gè)彎輥裝置的精確控制。
[0019]針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的彎輥控制有一定的滯后性，且從伺服閥(9)到液壓缸(4)的運(yùn)作和各彎輥缸協(xié)同作用時(shí)都有一定的干擾等問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種在板帶軋制現(xiàn)場(chǎng)兼顧彎輥力的控制精度和響應(yīng)速度的控制方法。彎輥控制特點(diǎn)要求在軋制過(guò)程中彎輥力的響應(yīng)速度要快且幅值波動(dòng)要小，利用本設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制方法可解決響應(yīng)速度與波動(dòng)幅值之間的矛盾，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)良好板形對(duì)彎輥力調(diào)控的需求。
[0020]彎輥控制的一項(xiàng)重要指標(biāo)即動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)場(chǎng)控制常要求彎輥力要進(jìn)行頻繁變換且每次調(diào)控的調(diào)整量有小有大。作為控制器的輸入，實(shí)際彎輥力與彎輥力設(shè)定值(I)的偏差信號(hào)就會(huì)有很多或小或大的突變。每次突變相當(dāng)于一個(gè)沖擊信號(hào)，而微分控制的沖擊響應(yīng)值理論上是無(wú)窮大，實(shí)際響應(yīng)也很大。這就會(huì)造成微分控制器有很大的輸出，無(wú)法對(duì)彎輥裝置進(jìn)行有效控制，同時(shí)大控制量也會(huì)造成彎輥對(duì)工作輥有很大作用力，會(huì)造成事故。因此在本發(fā)明中舍去了常規(guī)比例積分微分(PID)控制中的微分控制，設(shè)計(jì)了以PI (比例積分)控制為核心的PI+I非線性組合控制器(5.3)來(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)。
[0021]現(xiàn)場(chǎng)彎輥控制系統(tǒng)主要由正負(fù)彎輥執(zhí)行機(jī)構(gòu)、彎輥缸液壓檢測(cè)裝置、搭載控制器的PLC設(shè)備、人機(jī)交互服務(wù)器和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器等組成。首先利用彎輥缸液壓檢測(cè)裝置檢測(cè)操作側(cè)與傳動(dòng)側(cè)的彎輥力，其表示形式為電信號(hào)，通過(guò)PR0FIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊到PLC、人機(jī)交互服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器上。然后在PLC中將檢測(cè)值與彎輥力設(shè)定值
(I)做差得到控制器的輸入信號(hào)，通過(guò)PI+I非線性組合控制器(3)得到輸出信號(hào)再通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送給正負(fù)彎輥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)彎輥的閉環(huán)控制。
[0022]理論P(yáng)I控制是基于連續(xù)時(shí)間的微積分運(yùn)算。然而現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)氖枪潭l率采樣的離線電信號(hào)交由PLC控制。PLC控制是一種離散的采樣控制，在PLC控制系統(tǒng)中所使用的是數(shù)字PI控制方法。通過(guò)將模擬PI表達(dá)式中的積分、微分運(yùn)算數(shù)值計(jì)算方法來(lái)逼近，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)字PI控制，只要采樣周期r取值足夠小，這種逼近就可以相當(dāng)精確。將積分項(xiàng)用矩形和代替，使模擬PI離散化為差分方程，可作如下近似:
【權(quán)利要求】
1.一種冷軋工作輥彎輥控制方法，其特征在于，在PLC (可編程控制器)中設(shè)置有單積分控制器與比例積分控制器，通過(guò)上述兩種控制器的組合形成PI+I (非線性組合控制器)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彎輥的非線性化控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述彎輥控制方法，將實(shí)際彎輥力反饋值與彎輥力設(shè)定值的偏差信號(hào)通過(guò)總線輸入到PLC (可編程控制器)中，其特征在于:PLC中設(shè)置有單積分控制器與比例積分控制器，兩類控制器獨(dú)立并聯(lián)，兩組信號(hào)進(jìn)行疊加后得到PI+I (非線性組合控制器)的輸出，將此輸出通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)綇澼亪?zhí)行機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述彎輥控制方法，其特征在于，所述PI+I(非線性組合控制器)的輸出信號(hào)接到模式識(shí)別系統(tǒng)，進(jìn)行參數(shù)自整定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述彎輥控制方法，其特征在于，所述參數(shù)自整定為動(dòng)態(tài)調(diào)整PLC中比例積分控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和單積分控制器中的積分系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述彎輥控制方法，其特征在于，所述單積分控制器與比例積分控制器中，各自設(shè)定不同的系數(shù)和輸出上限，實(shí)現(xiàn)組合控制方法的非線性化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述彎輥控制方法，其特征在于，所述比例積分控制器的積分系數(shù)為單積分控制器的積分系數(shù)的5?10倍；軋制模式時(shí)，比例積分控制器的積分限幅為單積分控制器的積分限幅的0.0r0.1倍、放開(kāi)模式時(shí)，比例積分控制器的積分限幅為單積分控制器的積分限幅的:T4倍。
7.如權(quán)利要求1所述彎輥控制方法的應(yīng)用，其特征在于，所述方法可應(yīng)用于冷軋8液壓缸工作輥彎輥機(jī)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述彎輥控制方法的應(yīng)用，其特征在于，所述方法的具體應(yīng)用步驟如下: 1)設(shè)計(jì)單積分控制器:設(shè)定初始積分系數(shù)范圍3X10_6飛X10_6，同時(shí)設(shè)定足夠大的輸出上限0.25、.75，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入偏差的積分響應(yīng)輸出； 2)改進(jìn)比例積分控制器:對(duì)于比例算法，輸出上限為允許的最大輸出；對(duì)于積分算法，將初始積分系數(shù)設(shè)定為1.5X10_5飛X10_5，為其兩種模式設(shè)置輸出上限值分別為.0.0r0.07 (軋制模式)與1.0?2.0 (放開(kāi)模式)； 3)參數(shù)優(yōu)化:通過(guò)軋制的狀態(tài)變量，基于模式識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)果調(diào)整比例積分控制器中的比例系數(shù)、積分系數(shù)和單積分控制器中的積分系數(shù)； 4)動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證:若控制器初始值設(shè)定不合理，則根據(jù)狀態(tài)變量以自動(dòng)軋制狀態(tài)下10倍步長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)控制器各參數(shù)，當(dāng)輸出值模式良好時(shí)，切換到自動(dòng)彎輥控制方式。
【文檔編號(hào)】B21B37/30GK103639210SQ201310642618
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】張飛, 姚鈺鵬, 孫文權(quán), 任曉懷, 時(shí)劍橋 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)