CN106958548A - 一种基于比例同步的冷床横移控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于比例同步的冷床横移控制方法，所述方法利用由工控机控制的两个比例伺服阀分别控制步进冷床的两个横移液压缸，每个横移液压缸活塞杆的位移反馈信号的差值经一个比例调节器处理后叠加到工控机输出的对应比例伺服阀的控制信号上，形成模拟闭环回路；反馈信号的差值由工控机进行PD算法处理后叠加到下一个输出控制量中，形成数字闭环回路，在数字闭环回路中，采用PID学习迭代算法将两个横移液压缸的同步误差调节到理想范围之内。本发明采用双闭环控制策略和PID学习迭代算法对两横移液压缸的速度进行控制，能够有效减小现场干扰、液压缸制造精度及老化程度等因素造成的同步误差，提高连铸机步进冷床横移液压缸的控制精度。

Description

一种基于比例同步的冷床横移控制方法

技术领域

本发明涉及一种连铸机步进冷床横移液压系统的控制方法，可有效消除两个横移液压缸的同步误差，属于冶金技术领域。

背景技术

步进冷床是炼钢厂连铸机的重要设备，连铸机生产的铸坯通过冷床冷却、矫直，然后出坯、码垛，步进冷床由固定机架和活动机架组成，连铸机的步进冷床的活动机架由横移机构和升降机构驱动实现连铸坯的翻转、冷却，步进冷床的横移机构由两个横移液压缸组成，连铸机步进冷床横移液压系统的同步控制方式有两种，一种是采用节流调速、同步马达、同步阀实现的开环控制，一种是采用电液换向阀实现的闭环控制，开环控制误差大，精度不高，容易使铸坯走斜，或是使连铸机冷床结构变形，随着对连铸机铸坯质量要求的提高和对设备完好率要求的提高，冷床横移控制逐步向闭环控制方向发展，液压同步闭环控制系统的组成较复杂、造价偏高，但由于它靠的是对输出量进行检测、反馈，从而构成反馈闭环控制，在很大程度上消除或抑制了不利因素的影响，因此有望获得高精度的同步驱动。对于液压闭环同步控制来说，“同等方式”和“主从方式”是通常采用的两种控制策略。“同等方式”是指两个需同步控制的执行元件跟踪设定的理想输出，分别受到控制而达到同步驱动的目的。“主从方式”是指两个需同步控制的执行元件以其中一个的输出为理想输出，而其余的执行元件均受到控制来跟踪这一选定的理想输出，并达到同步驱动。两者相比，为获得高精度的同步输出，按“同等方式”工作的液压同步闭环控制系统中的各执行元件、反馈元件、检测元件及控制元件间应具有严格的匹配关系。在实际应用中发现，由于连铸机不定期生产不同规格、不同长度、不同断面尺寸的连铸坯，造成冷床上负载分布不均匀，由于两个横移液压缸的结构参数不可能完全一致，生产过程中的磨损也不尽相同，或是更换周期也不一样，这些现场干扰、制造精度及老化程度上的不同都会使两个横移液压缸产生同步偏差，在连铸机步进冷床横移闭环控制中，当控制对象不同时，控制器的参数难以自动调整以适应外界环境的变化。以上因素导致现有的冷床横移控制系统很难使两个横移液压缸完全同步，存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于比例同步的冷床横移控制方法，以提高两个横移液压缸的控制精度，消除同步误差。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种基于比例同步的冷床横移控制方法，所述方法利用由工控机控制的两个比例伺服阀分别控制步进冷床的两个横移液压缸，每个横移液压缸活塞杆的位移反馈信号的差值经一个比例调节器处理后叠加到工控机输出的对应比例伺服阀的控制信号上，形成模拟闭环回路；反馈信号的差值由工控机进行PD算法处理后叠加到下一个输出控制量中，形成数字闭环回路，在数字闭环回路中，采用PID学习迭代算法将两个横移液压缸的同步误差调节到理想范围之内。

上述基于比例同步的冷床横移控制方法，所述方法包括以下步骤：

a. 工控机首先根据生产条件及两个横移液压缸的参数生成期望轨迹曲线，得到期望轨迹位移M；

b. 工控机通过第一位移传感器实时检测第一横移液压缸的活塞杆伸出位移La，通过第二位移传感器实时检测第二横移液压缸的活塞杆伸出位移Lb；

c. 如果在某一时刻两个横移液压缸的活塞杆伸出位移之差的绝对值大于等于设定的阈值Lv，即︱La-Lb︱≥Lv，工控机停止工作并输出故障报警信号；如果两个横移液压缸的活塞杆伸出位移之差的绝对值小于设定的阈值Lv，即︱La-Lb︱＜Lv，则进入步骤d；

d. 判断两个横移液压缸的活塞杆伸出位移是否均处于理想范围之内，即是否满足：La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2），其中，△t是两个横移液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移M相比的最大允许误差，然后根据判断结果选择不同的操作：

① 若满足La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2），则工控机控制第一横移液压缸2和第二横移液压缸5分别按原速度运行；

② 若La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2）不成立，第一横移液压缸的控制方法为：第一横移液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移M的误差△La（△La= M-La）由对应的比例调节器（即第一比例调节器）进行比例调节后叠加到工控机输出的对应比例伺服阀（即图1中的第一比例伺服阀9）的控制信号中，同时△La经A/D转换后传到设置在工控机内的PD处理单元进行PD算法处理，由PD处理单元的输出数据对第一横移液压缸的同步误差进行调节，同时△La传到设置在工控机内的PID迭代学习单元进行PID迭代学习算法处理，处理后的数据与设置在工控机内的第一控制量储存器中的期望轨迹数据叠加在一起作为第一横移液压缸下一次的控制量；第二横移液压缸的控制方法与第一横移液压缸的控制方法相同，且二者的控制同步进行；

重复上述控制信号的迭代学习过程，直至两个横移液压缸的同步误差被控制在理想范围之内，即La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2）；

e. 工控机根据La和Lb的值判断两个横移液压缸的活塞杆是否到达目标位置，如果两个横移液压缸的活塞杆均已到目标位置，则控制结束；否则控制流程跳转到步骤b；

f. 两个横移液压缸活塞杆返回的控制流程与伸出的控制流程相同。

上述基于比例同步的冷床横移控制方法，与两个横移液压缸的后腔相连接的油管上均设有由电磁切断阀控制的液控单向阀，所述电磁切断阀的控制端接工控机的输出端口。

本发明采用双闭环控制策略和PID学习迭代算法对两横移液压缸的速度进行控制，能够有效减小现场干扰、液压缸制造精度及老化程度等因素造成的同步误差，提高连铸机步进冷床横移液压缸的控制精度。

附图说明

图1是本发明冷床横移液压系统原理图；

图2是本发明所采用的PID迭代学习控制方法的方框图；

图3是本发明冷床横移控制方法流程图。

图中标记如下：1、第一位移传感器；2、第一横移液压缸；3、电磁切断阀；4、第二位移传感器；5、第二横移液压缸；6、第二液控单向阀；7、第二比例伺服阀；8、高压过滤器；9、第一比例伺服阀；10、第一液控单向阀。

文中所用符号为：M为横移液压缸的期望轨迹位移，La为第一横移液压缸的活塞杆伸出位移，Lb为第二横移液压缸的活塞杆伸出位移，Lv为两个横移液压缸的活塞杆伸出位移之差的绝对值的阈值，△t为两个横移液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移M相比的最大允许误差，△La为第一横移液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移M的误差，△Lb为第二横移液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移M的误差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基于比例同步的冷床横移控制方法，该方法运用PID迭代学习控制方法，实现了对系统的高品质控制。

基于比例同步的冷床横移控制方法所采用的控制装置包括：设置在工控机中的PID 迭代学习控制器，A/D转化模块，D/A转化模块，两个比例调节器、两个反馈控制器、两个位移传感器和两个伺服比例阀。PID 迭代学习控制器包括PD处理单元、PID 迭代学习单元和两个控制量存储器，它能够实现PID 迭代学习算法、PD算法、控制量存储功能，连铸机冷床横移作业是具有重复运动特点的液压系统，每一次行程中的运行条件是相似的，并且控制目标的要求也是相同的，因此可以利用计算机的储存功能，将上一个行程的误差信息应用到下一个行程的控制中，使得系统的输出愈来愈接近系统的控制目标，从而可以提高系统的动态响应速度和控制精度，这个过程就是迭代学习控制器的原理。反馈控制器，就是通过测量当前横移油缸活塞杆的实际伸出量将这个实际值与期望值进行比较，然后根据比较结果来修正输入量，从而使横移油缸输出量接近期望值的器件。位移传感器，是安装在横移油缸的活塞杆用来检测横移油缸活塞杆运动位移的器件。A/D转化模块，是把模拟信号转化为数字信号的模块，D/A转化模块，是把数字信号转化成模似信号的模块，比例调节器，也就是比例放大器，伺服比例阀，是液压控制的元件，液压缸是液压系统的执行元件。

液压系统包括第一位移传感器1、第一横移液压缸2、电磁切断阀3、第二位移传感器4、第二横移液压缸5、第二液控单向阀6、第二比例伺服阀7 、高压过滤器8、第一比例伺服阀9第一液控单向阀10。

如图1所示，连铸机冷床横移液压系统中，电磁切断阀3的电磁铁1DT得电，打开第一液控单向阀10和第二液控单向阀6。工控机给第一比例伺服阀 9和第二比例伺服阀 7发送让两横移液压缸的活塞杆伸出的信号，高压油通过第一比例伺服阀 9和第二比例伺服阀7，经第一液控单向阀10和第二液控单向阀6，分别进入第一横移液压缸2和第二横移液压缸5的后腔，推动两横移液压缸的活塞杆伸出，前腔的液压油经第一比例伺服阀 9和第二比例伺服阀 7流回到油箱，到达目标位置时，工控机给第一比例伺服阀 9和第二比例伺服阀 7发让两横移液压缸停止的信号，同时电磁切断阀8电磁铁1DT失电，第一液控单向阀10和第二液控单向阀6的控制油缷荷，第一液控单向阀10和第二液控单向阀6分别把第一横移液压缸2和第二横移液压缸5的后腔的液压油锁死。第一横移液压缸2和第二横移液压缸5就完成了活塞杆伸出动作。电磁切断阀3的电磁铁1DT得电，工控机给第一比例伺服阀 9和第二比例伺服阀 7发送让两横移液压缸后退的信号，高压油通过第一比例伺服阀 9和第二比例伺服阀 7，分别进入第一横移液压缸2和第二横移液压缸5的前腔，推动两横移液压缸的活塞后退，两横移液压缸后腔的液压油经第一液控单向阀10和第二液控单向阀6，以及第一比例伺服阀 9和第二比例伺服阀 7流回油箱，第一横移液压缸2和第二横移液压缸5完成了后退的动作。

如图2所示，连铸机冷床横移液压系统采用双闭环控制系统进行控制，系统对同步误差的控制采用模拟和数字双闭环的控制方法，将两路位移反馈信号的差值比例调节后叠加到系统输出中形成模拟闭环回路。同时，将差值信号经数据采集卡 A/D转化为数字信号输入到工控机中，差值经过PD算法处理后叠加到系统的下一个输出控制量中，从而形成了数字闭环回路。两位移传感器采集两横移液压缸伸出的实际量，把采样结果进行比较后，把比较结果传给反馈控制器，经比例调节器调节后，直接叠加到系统输出中去控制伺服比例阀，同时差值信号经数据采集卡A/D转化成数字信号，差值经过PD算法处理后叠加到系统的下一个输出控制量中，在线采用PD算法对系统的同步误差进行调节。其中，比例调节能够对系统的偏差立即产生作用，从而减少了偏差。微分调节则反映了系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见系统偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，并改善了系统的动态性能。同时，差值信号传到PID迭代学习单元进行算法运算，PID学习迭代单元是采用PID型学习律，运算结果作为误差的校正项，控制量存储器存储每次控制比例伺服阀的期望轨迹控制量，在迭代学习控制中，第(k+1)次的控制等于第k次控制加上第k次输出误差的校正项，两位移传感器的采样频率可以依据系统的闭环频带来确定，一般是闭环频带的4-10倍，未加控制器前的系统频带宽度约为 10Hz，而添加控制器后的系统带宽变化也不会太大，因此选择控制系统的采样频率为40HZ，系统的采样周期为T=25ms

基于比例同步的冷床横移控制方法包括以下步骤：

a.工控机首先根据生产条件、液压缸的各方面参数生成期望轨迹曲线，期望轨迹位移为M。

生成期望轨迹曲线的过程一般是这样的：首先根据连铸机生产的流数、拉钢的拉速、铸坯的截面规格以及生产出的铸坯的定尺长度计算出为了满足出坯的要求，冷床一个运行周期（冷床一个运行周期包括：冷床升降的周期加上冷床横移的周期，冷床升降的周期包括冷床上升的时间加上冷床下降的时间，冷床横移的周期包括冷床横移液压缸伸出的时间和冷床横移液压缸收回的时间)的最大值T，那么冷床横移运行的周期不能大于T-t（t为冷床升降周期），依据横移液压缸的平均伸出速率和收回速率，便可计算出横移液压缸伸出量的最大值X，横移液压缸的伸出量在小于X范围内，至少大于一个定齿条齿槽长度，且充分考虑定齿条齿尖与铸坯规格因素，使铸坯在运行过程中实现翻转的情况，最终来确定期望轨迹位移为M。

b. 在某一时刻，第一位移传感器1检测第一横移液压缸2的活塞杆伸出位移La，第二位移传感器4检测第二横移液压缸5的活塞杆伸出位移Lb。

c. 如果第一横移液压缸2的活塞杆伸出位移与第二横移液压缸5的活塞杆伸出位移之差大于等于Lv，即La—Lb≥Lv，说明两横移液压缸之间的距离达到了对冷床结构产生破坏作用的程度，故控制系统停止工作，并报设备故障。如果︱La—Lb︱＜Lv，则进入步骤d。

d.判断两个横移液压缸的活塞杆伸出位移是否均处于理想范围之内，即是否满足：La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2），其中，△t是两个横移液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移M相比的最大允许误差，然后根据判断结果选择不同的操作：

① 若满足La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2），反馈控制系统按差值为0进行控制，第一横移液压缸2和第二横移液压缸5分别按原速度运行。

② 若La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2）不成立｛共有三种情况：第一种情况是La，Lb同时都不在（M -△t/2， M+△t/2)内，第二种情况是La 不在（M -△t/2， M+△t/2)内， Lb在（M -△t/2， M+△t/2)内，第三种情况是Lb不在（M -△t/2， M+△t/2)，La在（M -△t/2，M+△t/2)内｝，设第一横移液压缸2与第二横移液压 5的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移M的误差分别为△La，△Lb，△La= M-La ，△Lb=M-Lb，第一位移传感器1检测的位移La传给第一反馈控制器，△La经第一比例调节器进行比例调节后，叠加到系统控制中去，比例调节能够对系统的偏差立即产生作用，从而减少了偏差，同时△La经A/D转换，传到工控机中的PD处理单元，进行PD算法处理，输出数据对系统的同步误差进行调节，微分调节则反映了系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见系统偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，并改善了系统的动态性能。同时△La传到工控机中的PID迭代学习单元，进行PID迭代学习算法处理的数据与控制量储存器中的期望轨迹数据叠加在一起作为下次的控制量。第二横移液压缸5的控制方法和第一横移液压缸2的控制原理一样，且同步进行。

重复上述控制信号的迭代学习过程，直至两个横移液压缸的同步误差被控制在理想范围之内，即La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2）。

e. 工控机通过第一位移传感器1和第二位移传感器4检测第一横移液压缸2和第二横移液压缸 5的活塞杆是否到达了目标位置，如果到达了目标位置，则控制结束。如果没有到达目标位置，则控制流程跳转到步骤b。

f. 第一横移液压缸2和第二横移液压缸5活塞杆返回的控制流程与伸出的情况相同。

Claims (3)

1.一种基于比例同步的冷床横移控制方法，其特征是，所述方法利用由工控机控制的两个比例伺服阀分别控制步进冷床的两个横移液压缸，每个横移液压缸活塞杆的位移反馈信号的差值经一个比例调节器处理后叠加到工控机输出的对应比例伺服阀的控制信号上，形成模拟闭环回路；反馈信号的差值由工控机进行PD算法处理后叠加到下一个输出控制量中，形成数字闭环回路，在数字闭环回路中，采用PID学习迭代算法将两个横移液压缸的同步误差调节到理想范围之内。

2.根据权利要求1所述的一种基于比例同步的冷床横移控制方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

a. 工控机首先根据生产条件及两个横移液压缸的参数生成期望轨迹曲线，得到期望轨迹位移M；

b. 工控机通过第一位移传感器（1）实时检测第一横移液压缸（2）的活塞杆伸出位移La，通过第二位移传感器（4）实时检测第二横移液压缸（5）的活塞杆伸出位移Lb；

c. 如果在某一时刻两个横移液压缸的活塞杆伸出位移之差的绝对值大于等于设定的阈值Lv，即︱La-Lb︱≥Lv，工控机停止工作并输出故障报警信号；如果两个横移液压缸的活塞杆伸出位移之差的绝对值小于设定的阈值Lv，即︱La-Lb︱＜Lv，则进入步骤d；

d. 判断两个横移液压缸的活塞杆伸出位移是否均处于理想范围之内，即是否满足：La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2），其中，△t是两个横移液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移M相比的最大允许误差，然后根据判断结果选择不同的操作：

① 若满足La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2），则工控机控制第一横移液压缸（2）和第二横移液压缸（5）分别按原速度运行；

② 若La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2）不成立，第一横移液压缸（2）的控制方法为：第一横移液压缸（2）的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移M的误差△La（△La= M-La）由对应的比例调节器进行比例调节后叠加到工控机输出的对应比例伺服阀的控制信号中，同时△La经A/D转换后传到设置在工控机内的PD处理单元进行PD算法处理，由PD处理单元的输出数据对第一横移液压缸（2）的同步误差进行调节，同时△La传到设置在工控机内的PID迭代学习单元进行PID迭代学习算法处理，处理后的数据与设置在工控机内的第一控制量储存器中的期望轨迹数据叠加在一起作为第一横移液压缸（2）下一次的控制量；第二横移液压缸（5）的控制方法与第一横移液压缸（2）的控制方法相同，且二者的控制同步进行；

重复上述控制信号的迭代学习过程，直至两个横移液压缸的同步误差被控制在理想范围之内，即La，Lb∈（M -△t/2， M+△t/2）；

e. 工控机根据La和Lb的值判断两个横移液压缸的活塞杆是否到达目标位置，如果两个横移液压缸的活塞杆均已到目标位置，则控制结束；否则控制流程跳转到步骤b；

f. 两个横移液压缸活塞杆返回的控制流程与伸出的控制流程相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于比例同步的冷床横移控制方法，其特征是，与两个横移液压缸的后腔相连接的油管上均设有由电磁切断阀（3）控制的液控单向阀，所述电磁切断阀（3）的控制端接工控机的输出端口。