CN109534056A - 一种可速度协调控制的多辊系统及其速度协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可速度协调控制的多辊系统及其速度协调控制方法，该多辊系统包括三个以上依次间隔串联的输送装置，输送装置包括电机、传动机构、辊子、电机驱动器及距离传感器；电机与传动机构和辊子依次机械连接，使得电机输出的旋转运动经传动机构传递至辊子，带动辊子上的被输送板带材运动；电机驱动器与电机电气连接，以控制电机的旋转速度；距离传感器安装于辊子的上游一侧，用于测量辊子上游侧被输送板带材的悬垂程度。本发明使得多个辊子的速度调整可以从全局的层面进行协调，当上游装置速度波动时，下游装置速度不会产生较大波动，对于减少多辊系统中的波动有明显效果。

Description

一种可速度协调控制的多辊系统及其速度协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种多辊系统及其控制方法，具体是关于一种柔性板带材生产过程多工序速度自动同步的多辊系统及其速度协调控制方法。

背景技术

在生产制造领域，大量存在柔性板带材经多级装置连续生产的过程。传统方法一般采用下游装置速度逐级跟随上游装置速度的方式，即下游装置速度的自动调节只依赖于被输送的柔性板在单独的两台装置之间的状态。这种方法的局限在于，当生产流程非常多时，上游装置速度的微小扰动常常会延生产流程逐级放大，使得生产线下游装置速度出现较大波动，导致生产出的柔性板带材质量下降。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可速度协调控制的多辊系统及其速度协调控制方法，使多个辊子的速度调整可以从全局的层面进行协调，当上游装置速度波动时，下游装置速度不会产生较大波动。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种可速度协调控制的多辊系统，包括三个以上依次间隔串联的输送装置，所述输送装置包括电机、传动机构、辊子、电机驱动器及距离传感器；所述电机与所述传动机构和辊子依次机械连接，使得所述电机输出的旋转运动经所述传动机构传递至所述辊子，带动所述辊子上的被输送板带材运动；所述电机驱动器与所述电机电气连接，以控制所述电机的旋转速度；所述距离传感器安装于所述辊子的上游一侧，用于测量所述辊子上游侧所述被输送板带材的悬垂程度。

所述的多辊系统，优选的，多个所述辊子均等高布置，半径大小均为R，相邻两所述辊子之间的水平距离为Li，且Li>3R。

所述的多辊系统，优选的，通过工业总线使全部所述距离传感器以及全部所述电机驱动器均与工业控制器连接在一起，使得所述工业控制器可读取全部所述距离传感器测量值以及可通过所述电机驱动器分别调节相应所述辊子的旋转速度。

所述的多辊系统，优选的，所述被输送板带材的悬垂程度表征量为所述被输送板带材悬垂最低点与所述辊子最高点的竖直距离。

一种上述多辊系统的速度协调控制方法，包括以下步骤：

1)初始化工业控制器，包括以下步骤：

①设定矩阵A为：

式中，n为辊子个数；I_n×n为n行n列的单位矩阵；

②设定矩阵B为：

③设定矩阵Q为：

q·I_2n×2n

式中，q为0.01～0.1之间的常数；I_2n×2n为2n行2n列的单位矩阵；

④求解如下Riccati方程：

A^TX+XA-XBB^TX+Q＝0

式中，X为代价矩阵；T表示矩阵的转置；

⑤计算输出增益矩阵K：

K＝B^TX

式中，K为n行2n列矩阵；

⑥设定n个悬垂程度状态量，记为目标状态量D_1t…D_it…D_nt；

⑦设定n个积分器S₁…S_i…S_n的初始值均为0；

⑧设定工业控制器采样周期T_s；

2)工业控制器执行控制循环，每个循环周期为T_s，每个循环周期中执行以下步骤：

①通过工业控制器读取每个距离传感器输出值，将输出结果换算为状态量D₁…D_i…D_n；

②将状态量D₁…D_i…D_n线性化为l₁…l_i…l_n；

③将目标状态量D_1t…D_it…D_nt线性化为l_1t…l_it…l_nt；

④更新积分器数值：

S_i＝S_i+T_s(l₁-l₁t)

⑤计算各辊子1-3的运行速度v_i：

⑥通过工业控制器向每个电机驱动器发送指令，使第i个电机输出至辊子的转速线速度为v_i；

⑦等待循环周期时间结束，开始下一个循环；

3)反复执行步骤2)。

所述的多辊系统的速度协调控制方法，所述步骤2)中，将状态量或目标状态量线性化的方法包括以下步骤：

①求解方程：

式中，D_i为待线性化的状态量；R_i为第i个辊子半径；L_i为第i个辊子与前一个辊子轴线之间的水平距离；x为接触角，是表征柔性板材在辊子上接触程度的量；

②求解线性化结果：

式中，l_i为所求结果。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明使得多个辊子的速度调整可以从全局的层面进行协调，当上游装置速度波动时，下游装置速度不会产生较大波动，对于减少多辊系统中的波动有明显效果。

附图说明

图1是本发明多辊系统的结构示意图；

图2是本发明多辊系统的的几何参数图；

图3是本发明多辊系统与工业控制器连接后的结构框图；

图4是本发明方法下游辊子速度对上游辊子速度阶跃的跟随效果图；

图5是传统跟随方法下游辊子速度对上游辊子速度阶跃的跟随效果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提出的多辊系统包括n个(n≥3)依次间隔串联的输送装置。其中，每一输送装置包括电机1-1、传动机构1-2、辊子1-3、电机驱动器1-4及距离传感器1-5。电机1-1与传动机构1-2和辊子1-3依次机械连接，使得电机1-1输出的旋转运动可输出至辊子1-3，带动辊子1-3上的被输送板带材2运动。电机驱动器1-4与电机1-1电气连接，可驱动电机1-1在一定转速范围内运转。距离传感器1-5安装于辊子1-3的上游一侧，可测量辊子1-3上游侧被输送板带材2的悬垂程度。

在一个优选的实施例中，如图2所示，n个辊子1-3均等高布置，半径大小均为R(即R1＝…＝Ri＝…＝Rn＝R)，相邻两辊子1-3之间的水平距离为Li，且Li>3R。

在一个优选的实施例中，如图3所示，通过工业总线使n个距离传感器1-5以及n个电机驱动器1-4均与工业控制器连接在一起，使得工业控制器可以读取n个距离传感器1-5测量值以及可以通过n个电机驱动器1-4分别调节n个辊子1-3的旋转速度。

在一个优选的实施例中，被输送板带材2的悬垂程度表征量为被输送板带材2悬垂最低点与辊子1-3最高点的竖直距离(即D1…Di…Dn)。

基于上述实施例提供的多辊系统，本发明还提出了该多辊系统的速度协调控制方法，具体步骤包括：

1)初始化工业控制器，包括以下步骤：

①设定矩阵A，一种优选的矩阵A为：

式中，n为辊子个数；I_n×n为n行n列的单位矩阵。

②设定矩阵B，一种优选的矩阵B为：

③设定矩阵Q，一种优选的矩阵Q为：

q·I_2n×2n

式中，q为0.01～0.1之间的常数；I_2n×2n为2n行2n列的单位矩阵。

④求解如下Riccati方程：

A^TX+XA-XBB^TX+Q＝0

式中，X为代价矩阵；T表示矩阵的转置。

⑤计算输出增益矩阵K：

K＝B^TX

式中，K为n行2n列矩阵。

⑥设定n个悬垂程度状态量，记为目标状态量D_1t…D_it…D_nt。

⑦设定n个积分器S₁…S_i…S_n的初始值均为0。

⑧设定工业控制器采样周期T_s。

2)工业控制器执行控制循环，每个循环周期为T_s，每个循环周期中执行以下步骤：

①通过工业控制器读取每个距离传感器1-5输出值，将输出结果换算为状态量D₁…D_i…D_n。

②将状态量D₁…D_i…D_n线性化为l₁…l_i…l_n。

③将目标状态量D_1t…D_it…D_nt线性化为l_1t…l_it…l_nt。

④更新积分器数值：

S_i＝S_i+T_s(l₁-l_1t)

⑤计算各辊子1-3的运行速度v_i：

⑥通过工业控制器向每个电机驱动器1-4发送指令，使第i个电机1-1输出至辊子1-3的转速线速度为v_i。

⑦等待循环周期时间结束，开始下一个循环。

3)反复执行步骤2)。

上述步骤2)中，将状态量或目标状态量线性化的方法包括以下步骤：

①求解方程：

式中，D_i为待线性化的状态量；R_i为第i个辊子半径；L_i为第i个辊子与前一个辊子轴线之间的水平距离；x为接触角，是表征柔性板材在辊子上接触程度的量。

②求解线性化结果：

式中，l_i为所求结果。

如图4和图5展示了使用本发明所提出的方法控制效果与传统“逐级跟随”方式控制效果对比。本本实施例中，n＝9，即多辊系统中有连续布置的9个输送装置。图中记录了当上游生产速度突然发生阶跃变化时(线速度从0.1m/s升至0.15m/s)，下游各输送装置速度变化曲线及通过响应距离传感器采集的悬垂量变化曲线。通过对比可以看到，当上游速度变化时，使用逐级跟随的方法控制时，由于反馈量在多辊系统中是逐级传递的，第9个输送装置(“星”标)调整结束时间明显迟于第1个输送装置(“圆”标)，并且第9个输送装置超调量大于第1个输送装置的超调量(如图5所示)；使用本发明方法进行控制时，第9个输送装置(“星”标)调整结束时间与第1个输送装置(“圆”标)几乎相当，并且第9个输送装置超调量明显小于第1个输送装置的超调量(如图4所示)。由此可见，本发明方法对于减少多辊系统中的波动有明显效果。

上述各实施例仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进行示例性描述，并不局限于上述具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可速度协调控制的多辊系统，包括三个以上依次间隔串联的输送装置，其特征在于，所述输送装置包括电机(1-1)、传动机构(1-2)、辊子(1-3)、电机驱动器(1-4)及距离传感器(1-5)；

所述电机(1-1)与所述传动机构(1-2)和辊子(1-3)依次机械连接，使得所述电机(1-1)输出的旋转运动经所述传动机构(1-2)传递至所述辊子(1-3)，带动所述辊子(1-3)上的被输送板带材(2)运动；

所述电机驱动器(1-4)与所述电机(1-1)电气连接，以控制所述电机(1-1)的旋转速度；

所述距离传感器(1-5)安装于所述辊子(1-3)的上游一侧，用于测量所述辊子(1-3)上游侧所述被输送板带材(2)的悬垂程度。

2.根据权利要求1所述的多辊系统，其特征在于，多个所述辊子(1-3)均等高布置，半径大小均为R，相邻两所述辊子(1-3)之间的水平距离为Li，且Li>3R。

3.根据权利要求1所述的多辊系统，其特征在于，通过工业总线使全部所述距离传感器(1-5)以及全部所述电机驱动器(1-4)均与工业控制器连接在一起，使得所述工业控制器可读取全部所述距离传感器(1-5)测量值以及可通过所述电机驱动器(1-4)分别调节相应所述辊子(1-3)的旋转速度。

4.根据权利要求1所述的多辊系统，其特征在于，所述被输送板带材(2)的悬垂程度表征量为所述被输送板带材(2)悬垂最低点与所述辊子(1-3)最高点的竖直距离。

5.一种如权利要求1-4所述多辊系统的速度协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)初始化工业控制器，包括以下步骤：

①设定矩阵A为：

式中，n为辊子个数；I_n×n为n行n列的单位矩阵；

②设定矩阵B为：

③设定矩阵Q为：

q·I2_n×2n

式中，q为0.01～0.1之间的常数；I_2n×2n为2n行2n列的单位矩阵；

④求解如下Riccati方程：

A^TX十XA-XBB^TX十Q＝0

式中，X为代价矩阵；T表示矩阵的转置；

⑤计算输出增益矩阵K：

K＝B^TX

式中，K为n行2n列矩阵；

⑥设定n个悬垂程度状态量，记为目标状态量D_1t…D_it…D_nt；

⑦设定n个积分器S₁…S_i…S_n的初始值均为0；

⑧设定工业控制器采样周期Ts；

2)工业控制器执行控制循环，每个循环周期为Ts，每个循环周期中执行以下步骤：

①通过工业控制器读取每个距离传感器输出值，将输出结果换算为状态量D₁…D_i…D_n；

②将状态量D₁…D_i…D_n线性化为l₁…l_i…l_n；

③将目标状态量D_1t…D_it…D_nt线性化为l_1t…l_it…l_nt；

④更新积分器数值：

S_i＝S_i十T_s(l₁-l_1t)

⑤计算各辊子1-3的运行速度v_i：

⑥通过工业控制器向每个电机驱动器发送指令，使第i个电机输出至辊子的转速线速度为v_i；

⑦等待循环周期时间结束，开始下一个循环；

3)反复执行步骤2)。

6.根据权利要求5所述的多辊系统的速度协调控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，将状态量或目标状态量线性化的方法包括以下步骤：

①求解方程：

式中，D_i为待线性化的状态量；R_i为第i个辊子半径；L_i为第i个辊子与前一个辊子轴线之间的水平距离；x为接触角，是表征柔性板材在辊子上接触程度的量；

②求解线性化结果：

式中，l_i为所求结果。