CN108043884A - 一种基于pid主辅双闭环纠偏控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，属于冶金机械设备自动化检测与控制技术领域。本发明包括互相连接的主控制系统和辅助控制系统，主控制系统包括用于实时检测铝板带的实际位置的红外传感器、实时采集并处理数据的数据采集单元、进行偏差计算的控制器单元和接受控制信号的执行机构；辅助控制系统包括用于检测开卷机减速机底座位置的光栅尺和用于计数的计数采集单元。本发明采用双闭环控制，相比于现有的单闭环控制系统，可有效地提高了铝板带在轧机入口的纠偏精度、系统的稳定性和精确性。
Description
技术领域
本发明属于冶金机械设备自动化检测与控制技术领域，具体涉及一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，是一种在线检测装置，适用于铝箔轧制过程铝板带纠偏的在线控制。
背景技术
铝箔的轧制属精密轧制，质量和产量受各种因素的影响十分敏感。在铝箔的冷轧生产过程中，由于来料铝卷的差异、辊面粗糙度不同、运送辊轴向不平行以及铝板带张力的波动等原因，导致铝板带横向跑偏。铝板带跑偏会造成铝卷不能整齐的卷曲，影响轧制生产效率，甚至造成断带损坏轧机设备。
因此，为了保证生产线高速、安全的运行，有必要安装纠偏装置。目前，多数纠偏系统采用PLC控制，相比于工控机控制，成本较高，而随着电子技术的发展，高性能的单片机完全可以满足铝板带纠偏系统的需求，并且系统控制灵活，成本低。其次，现有纠偏系统多数仅根据铝板带检测的位置，来控制执行机构，容易出现液压缸压力不足，响应速度慢等现象，影响系统的稳定与精度，最终影响生产效率。。
发明内容
本发明的目的在于克服现有纠偏装置存在的上述缺陷，提出了一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，采用双闭环控制，使纠偏系统稳定、快速、精确，保证了铝箔轧制生产线高速、安全运行。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，包括主控制系统和辅助控制系统，辅助控制系统与主控制系统连接；主控制系统包括：
红外传感器，实时检测铝板带的实际位置并输出实际位置的检测信号；
数据采集单元，其输入端与红外传感器的输出端连接，用于实时采集并处理红外传感器的检测信号；
控制器单元，其输入端连接数据采集单元和辅助控制系统，用于对铝板带的实际位置与设定值进行偏差计算，得到铝板带偏差量，控制器单元处理后的铝板带偏差量作为辅助控制系统的补偿量；
与控制器单元连接的执行机构，执行机构包括依次连接的伺服阀和液压缸，伺服阀与控制单元输出端连接，根据控制器单元输出的控制信号进行相应动作；
辅助控制系统包括：
光栅尺，用于检测开卷机减速机底座的位置并输出其检测到的开卷机减速机底座的位置信号；
计数采集单元，其输入端与光栅尺的输出端连接，其输出端与控制器单元输入端连接；计数采集单元用于计数并将其计数结果传递给控制器单元，计数结果与设定值进行比对后并与主控制系统中得出的铝板带偏差量经控制器单元计算得出系统的输出控制量，同时控制器单元判断主控制系统中的铝板带偏差量是否改变，控制单元输出控制信号给执行机构；
还包括与主控制系统及辅助控制系统的供电单元，供电单元分别为主控制系统和辅助控制系统供电。
进一步地，红外传感器采用两对对射式红外传感器以测量铝板带两侧的实际位置。
进一步地，数据采集单元采用AC6021数据采集卡，进行红外传感器检测信号的采集和处理。
进一步地，计数采集单元采用PCL833计数板卡。
进一步地，控制器单元包括工控机和PCL728D/A转换卡，AC6021数据采集卡、PCL833计数板卡和PCL728D/A转换卡与工控机连接。
进一步地，主控制系统采用比例积分控制调节，增加了纠偏系统的准确性与稳定性。
进一步地，辅助控制系统采用比例控制调节，使纠偏系统响应快速与稳定。
进一步地，还包括与主控制系统及辅助控制系统的供电单元，供电单元分别为主控制系统和辅助控制系统供电。
本发明分为主控制系统与辅助控制系统，控制对象为开卷机的位置，执行机构为伺服阀和液压缸；其中，主控制系统中利用两对对射式红外传感器测量铝板带两侧的位置，并用AC6021A/D数据采集卡对红外传感器输出的检测信号进行采集与处理；辅助控制系统中，利用光栅尺检测开卷机减速机底座的位置，并采用PCL833计数板卡来完成计数；AC6021A/D数据采集卡和PCL833计数板卡的输出信号给PCL728D/A转换卡，最终通过PCL728D/A转换卡输出电压信号来完成伺服阀的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，结构简单、操作方便、自动化程度高、设备投资小，有效地实现了铝箔轧制过程中铝板带纠偏控制，保证了铝箔轧制过程顺利进行，提高了铝箔轧制工作效率；
(2)本发明所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，采用双闭环控制，主控制系统采用PI控制调节，既能保证控制系统的良好动态性能，没有滞后时间，又具控制无稳态偏差等特点；而辅助控制系统采用P控制调节，即能保证整个控制系统的稳定性，又保证系统响应的快速性；
(3)本发明所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，对红外传感器采集的数据进行模糊化处理后，再传入控制器单元中，提高系统控制的准确性。
(4)本发明所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，控制器单元中设有工控机，调节方便，为用户提供友好界面，更加人性化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是红外传感器布置示意图。
图3是本发明原理图。
图4是双闭环控制的原理图。
图中：1、红外传感器；101、发射器；102、接收器；2、测量架；3、铝板带；4、控制器单元；5、伺服阀；6、液压缸；7、减速机底座；8、光栅尺；9、PCL833计数板卡；10、AC6021数据采集卡；11、PCL728D/A转换卡。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统进行进一步说明。
本发明所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，如图3或图4所示，包括互相连接的主控制系统和辅助控制系统，主控制系统包括依次连接的红外传感器1、数据采集单元、控制器单元4和执行机构；控制器单元4包括工控机和PCL728D/A转换卡11，PCL728D/A转换卡11与工控机连接并插入工控机相应的卡槽内，工控机用于人机交互，为用户提供友好界面，方便用户查看系统运动状态以及有关参数设置；执行机构包括依次连接的伺服阀5和液压缸6，伺服阀5与工控机输出端连接连接，辅助控制系统包括依次连接的光栅尺8和计算采集单元，光栅尺8用于检测开卷机减速机底座7的位置并输出其检测到的开卷机减速机底座7的位置信号给计算采集单元，计算采集单元输出端与控制器单元4连接；还包括为主控制系统和辅助控制系统供电的供电单元。
如图1或图2所示，红外传感器1采用两对对射式红外传感器，安装在测量架2上且在铝板带3左右两侧的上下对称位置，用于连续检测铝板带3两侧的实际位置，红外传感器1的发射器101和接收器102设置在铝板带3的上下两侧；数据采集单元采用AC6021数据采集卡10，AC6021数据采集卡10的输入端与红外传感器1输出端连接，其输出端与PCL728D/A转换卡11连接；计数采集单元采用PCL833计数板卡9，其输入端与光栅尺8连接，输出端与PCL728D/A转换卡11连接。
在检测系统投入使用前，需要分别对红外传感器1和光栅尺8进行标定。红外传感器1的电压输出范围是-10V～10V，并设检测到铝板带3位置偏右时输出的电压值为正；反之，铝板带3位置偏左时输出电压为负值；输出电压为0时，说明铝板带3位置居中。通过试验标定得出红外传感器1输出值与铝板带3偏差量之间的等量关系。考虑铝板带3边缘常常具有碎边等不规则形状，因此，对红外传感器1的采样值进行了处理，即对铝板带3位置检测值采用冒泡法得到26个数值，并去除其中3个最大值和最小值，将剩下的20个数值取平均值。
主控制系统利用两对对射式红外传感器1检测铝板带3的实际位置，进而可以准确测量得到铝板带3偏离中线的位置，红外传感器1将其输出的铝板带3实际位置的检测信号传递给AC6021数据采集卡10，AC6021数据采集卡10进行采集和处理后如将模拟量转化为数字量并输入到控制器单元4中进行偏差计算，得到铝板带3偏差量；辅助控制系统利用光栅尺8检测开卷机减速机底座7的位置，检测信号采用PCL833计数板卡9来完成计数，主控制系统检测到的铝板带3偏差量，作为辅助控制系统的补偿量，通过PCL728D/A转换板卡进行电压信号的输出，即：控制器单元4将两个系统得出的偏差值进行处理，最终得出纠偏系统的输出控制量，控制器单元4输出控制信号给执行机构，使执行机构作出相应的动作，开卷机位置要始终保持在机械中心位置上，即当主控制系统中有铝板带3通过时，其红外传感器1测量信号的偏差值为辅助控制系统的补偿量，使伺服阀5和液压缸6动作；而没有铝板带3通过时，主控制系统输出偏差为零。主控制系统与辅助控制系统均采用PID控制调节，由于被控制对象是伺服阀5，所以采用位置式PID进行控制，为了系统响应的快速性与稳定性，辅助控制系统仅采用比例控制调节P调节，而主控制系统为了准确性与稳定性加入了比例与积分调节，即比例积分控制调节PI调节。
由于输送给伺服阀5的输出控制量为经过处理的铝板带3偏差量与开卷机减速机底座7位置偏差量，而红外传感器1与光栅尺8的尺度不一致。因此，需要将主控制系统中得出的铝板带3偏差量换算成光栅尺8的调节值，即需要对红外传感器1与光栅尺8进行标定。
当检测到主控制系统中所得的偏差量改变时，则系统将重新对偏差量进行计算。纠偏系统整个控制在两个线程的控制下来完成，即其中一个线程是用来对偏差信号进行采样与处理，另一个线程主要完成当偏差量变化时，能够对控制目标进行刷新；提高控制的精度和稳定性。
该纠偏系统中存在两个循环，即外循环和内循环，外循环用于铝板带3位置的检测与处理，当铝板带3位置的偏差超过设定值时，主控制系统对该偏差量进行处理，并启动内循环；内循环通过光栅尺8读数，并与外循环中铝板带3的偏差运算结果进行处理，并输送给伺服阀5，控制液压缸6并减速机底座7位置进而实现铝板带3的纠偏。即只有当检测到铝板带3位置偏大超过设定值时，系统才会进行调节。
根据实际需要，对纠偏系统设置±3mm的偏差范围，即铝板带3的偏差在这个范围之内，达到轧制要求时，系统是不进行调节的，避免了伺服阀5响应过于频繁的问题。
相比于现有的单闭环控制系统，本发明可有效地提高了铝板带3在轧机入口的纠偏精度、系统的稳定性和精确性，已应用于某厂800mm单机架冷轧机铝箔轧制的生产线，提高了轧制的平稳性和精确性，提高了生产效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，其特征在于：包括主控制系统和辅助控制系统，辅助控制系统与主控制系统连接；主控制系统包括：
红外传感器(1)，实时检测铝板带(3)的实际位置并输出实际位置的检测信号；
数据采集单元，其输入端与红外传感器(1)的输出端连接，用于实时采集并处理红外传感器(1)的检测信号；
控制器单元(4)，其输入端连接数据采集单元和辅助控制系统，用于对铝板带(3)的实际位置与设定值进行偏差计算，得到铝板带(3)偏差量，控制器单元(4)处理后的铝板带(3)偏差量作为辅助控制系统的补偿量；
与控制器单元(4)连接的执行机构，执行机构包括依次连接的伺服阀(5)和液压缸(6)，伺服阀(5)与控制单元输出端连接，根据控制器单元(4)输出的控制信号进行相应动作，辅助控制系统包括：
光栅尺(8)，用于检测开卷机减速机底座(7)的位置并输出其检测到的开卷机减速机底座(7)的位置信号；
计数采集单元，其输入端与光栅尺(8)的输出端连接，其输出端与控制器单元(4)输入端连接；计数采集单元用于计数并将其计数结果传递给控制器单元(4)，计数结果与设定值进行比对后并与主控制系统中得出的铝板带(3)偏差量经控制器单元(4)计算得出系统的输出控制量，同时控制器单元(4)判断主控制系统中的铝板带(3)偏差量是否改变，控制单元输出控制信号给执行机构；
还包括与主控制系统及辅助控制系统的供电单元，供电单元分别为主控制系统和辅助控制系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，其特征在于：红外传感器(1)采用两对对射式红外传感器以测量铝板带(3)两侧的实际位置。
3.根据权利要求2所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，其特征在于：数据采集单元采用AC6021数据采集卡(10)，进行红外传感器(1)检测信号的采集和处理。
4.根据权利要求3所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，其特征在于：计数采集单元采用PCL833计数板卡(9)。
5.根据权利要求4所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，其特征在于：控制器单元(4)包括工控机和PCL728D/A转换卡(11)，AC6021数据采集卡(10)、PCL833计数板卡(9)和PCL728D/A转换卡(11)与工控机连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，其特征在于：主控制系统采用比例积分控制调节。
7.根据权利要求6所述的一种基于PID主辅双闭环纠偏控制系统，其特征在于：辅助控制系统采用比例控制调节。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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