CN111229837B - 一种液压双边滚切剪控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种液压双边滚切剪控制系统，包括滚切剪系统和与滚切剪系统驱动连接的控制系统，所述滚切剪系统包括滚动剪切机构，所述滚动剪切机构与控制系统驱动连接，所述控制系统与基础自动化系统通过以太网连接，所述控制系统通过基础自动化系统控制驱动；所述控制系统前端对应设置有摄像头，摄像头用于获取板坯形状图像，本发明利用机前摄像头获取板坯形状，结合精准的坯料位置跟踪，智能设定剪切曲线，开发类模糊控制器+神经元自适应PI控制算法进行同步控制，进一步开发液压位置闭环控制系统，解决了传统控制系统响应速度慢，同步性差的问题，该方法可有效提高剪切过程的控制精度，提高板带的成品质量。

Description

一种液压双边滚切剪控制系统

技术领域

本发明涉及板带轧制自动控制技术领域，特别是涉及一种液压双边滚切剪控制系统。

背景技术

轧钢产业是我国工业的支柱性产业，随着轧钢技术的发展，我国的中厚板生产日益增长，针对中厚板的工艺流程，滚切式宽厚板双边剪成为中厚板生产线上不可缺少的一个环节。目前国内外大部分钢厂所使用的中厚板剪切设备大部分为滚切式宽厚板双边剪，用来替代老式的铡刀剪或火焰切割方式。

滚切式宽厚板双边剪是同时对钢板两边进行连续步进式定宽剪切的大型钢板剪切设备。主要由固定侧滚切剪(固定剪)与移动侧滚切剪(移动剪)两大部分组成，每一侧都分别安装两个液压缸，它们按照给定位移曲线协调动作，带动圆弧上剪刃实现滚动剪切，这种剪切方法提高了钢板的断面剪切质量，显著降低废板率，提高生产效率。滚切式宽厚板双边剪的移动剪可以根据用户要求进行宽度调节，剪切过程中，固定剪与移动剪相对应的液压缸是同步运动的。由于滚切式宽厚板双边剪的剪切能力大，生产效率高，剪切质量好，近几年来，已成为中厚板生产线上不可或缺的钢板剪切设备。

液压滚切式宽厚板双边剪的固定侧以及移动侧分别由两台液压缸卧式安放作为原动件为其提供动力，且两液压缸协调运动，推动与之连接的连杆运动，从而带动上刀架做纯滚动剪切运动，然而目前的传统控制系统响应速度慢，同步性差，导致滚动剪切板带的偏差较大，急需一种精确的控制系统与控制方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种液压双边滚切剪控制系统，以解决上述现有技术存在的问题，有效提高板带剪切过程中的控制精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种液压双边滚切剪控制系统，包括滚切剪系统和与滚切剪系统驱动连接的控制系统，所述滚切剪系统包括滚动剪切机构，所述滚动剪切机构与控制系统驱动连接，所述控制系统与基础自动化系统通过以太网连接，所述控制系统通过基础自动化系统控制驱动；所述控制系统前端对应设置有摄像头，摄像头用于获取板坯形状图像；

所述控制系统包括PI控制器、偏差监控器，所述PI控制器用于加非线性补偿对滚动剪切机构的液压缸位置调节；所述PI控制器协同所述偏差监控器，监控液压缸位置偏差，监控各液压缸之间偏差以及偏差及偏差率。

优选的，所述控制系统设计配置为过程机+FM400+FM458+HMI，过程机用于剪切轨迹计算、数据采集、规程设定，金属检测仪等信号接入所述FM400所配输入及输出模块，所述HMI用于提供数据显示和操作干预接口。

优选的，所述基础自动化系统设计配置为硬件为CPU416-2+FM458的PLC，所述CPU416-2用于对辊道速度控制、对中控制、逻辑控制、废料收集控制、快速换刀装置控制、出口导卫立辊控制、液压站控制和通讯功能。

优选的，所述FM458用于液压缸位置闭环控制、同步控制、跟踪控制，外部的伺服阀、位移传感器、压力传感器等信号接入EXM438接口模块并通过所述FM458进行处理。

一种液压双边滚切剪控制系统的控制方法，以纯滚动剪切为目标，选择一个液压缸作为基准，实现两缸或四缸滚动剪切轨迹的精确控制，通过拍摄板坯形状，采集图像，而后进行图像处理、特征提取对板带形状进行检测，并对坯料位置进行精确跟踪，根据检测结果智能设定剪切曲线，根据该剪切曲线进行数据采集，并针对得到的数据进行剪切轨迹计算，而后根据得到的剪切轨迹，对辊道速度控制、对中控制、逻辑控制、废料收集控制、快速换刀装置控制、出口导卫立辊控制、液压站控制和通讯设定对应的滚动剪切规程，通过plc控制过程机实现液压缸位置闭环控制、同步控制、跟踪控制，采用PI控制器加非线性补偿进行液压缸位置调节，并设计协同偏差监控器，监控液压缸位置偏差Δe_i，监控个缸之间偏差以及偏差及偏差率，开发类模糊控制器+神经元自适应PI控制算法进行同步控制。

(1)借鉴模糊控制思想，并考虑计算时效性，开发类模糊控制器进行PI初始参数k_p和k_i计算：

将位置偏差Δe_i分为n层别，每一个偏差层别用Δe_ij表示，分别为Δe_i1，Δe_i2……Δe_in，

k′_pi和k′_ii为初始设定值，η为比例参数修正系数，ψ为积分参数修正系数，i表示液压缸顺序，j为偏差层别；

(2)采用神经元自适应算法，寻找最优PI控制参数Δk_p和Δk_i：

常规PI控制器规律如下：

u(k)＝k_pe(k)+k_i∑e(k)

式中e＝s-s_m，k_p和k_i为PI控制器的比例和积分参数。

采用增量PI控制器，控制算法为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

则：

选择PI控制指标为：

Δk_p和Δk_i分别为k_p和k_i的变化量，通过神经元自适应算法得到：

(3)比例系数k_p和积分系数k_i表达式：

通过开发的类模糊控制器+神经元自适应PI控制算法进行参数动态计算，提高液压缸位置同步精度。

优选的，所述实现两缸或四缸滚动剪切轨迹的控制包括单边双缸同步控制和双边同步控制。

本发明公开了以下技术效果：本发明利用机前摄像头获取板坯形状，结合精准的坯料位置跟踪，智能设定剪切曲线，开发类模糊控制器+神经元自适应PI控制算法进行同步控制，进一步开发液压位置闭环控制系统，解决了传统控制系统响应速度慢，同步性差的问题，该方法可有效提高剪切过程的控制精度，提高板带的成品质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中双边液压缸同步剪切的结构示意图；

图2为本发明中滚切剪系统的三维布置图；

图3为本发明中滚动剪切机构的三维图；

图4为本发明液压双边滚切剪控制系统的结构示意图；

其中，1为摄像头，2为1#液压缸，3为2#液压缸，4为3#液压缸，5为4#液压缸。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-4，本发明提供一种液压双边滚切剪控制系统，首先设计控制系统配置为过程机+FM400+FM458+HMI形式，过程机负责剪切轨迹计算、数据采集、规程设定等，基础自动化采用西门子S7-400系列PLC，硬件组成为CPU416-2+FM458，CPU416-2主要完成辊道速度控制、对中控制、逻辑控制、废料收集控制、快速换刀装置控制、出口导卫立辊控制、液压站控制和通讯功能等，FM458主要完成液压缸位置闭环控制、同步控制、跟踪控制等。其中伺服阀、位移传感器、压力传感器等信号接入EXM438接口模块，通过FM458进行处理，金属检测仪等信号接入FM400所配输入及输出模块。HMI提供数据显示和操作干预接口；

在过程机前配置1台摄像头，通过摄像头获取板坯形状图像，通过图像处理、特征提取对板带形状进行检测，并对坯料位置进行精确跟踪，根据检测结果智能设定剪切曲线；

并以纯滚动剪切为目标，选择1#液压缸作为基准，实现两缸或四缸滚动剪切轨迹的精确控制(单边双缸同步+双边同步，1#液压缸和2#液压缸、3#液压缸和4#液压缸协同，1#液压缸和3#液压缸、2#液压缸和4#液压缸同步)，采用PI控制器加非线性补偿进行液压缸位置调节。并设计协同偏差监控器，监控液压缸位置偏差Δe_i，监控个缸之间偏差以及偏差及偏差率，开发类模糊控制器+神经元自适应PI控制算法进行同步控制。

(1)借鉴模糊控制思想，并考虑计算时效性，开发类模糊控制器进行PI初始参数k_p和k_i计算：

将位置偏差Δe_i分为n层别，每一个偏差层别用Δe_ij表示，分别为Δe_i1，Δe_i2……Δe_in，

k′_pi和k′_ii为初始设定值，η为比例参数修正系数，ψ为积分参数修正系数，i表示液压缸顺序，j为偏差层别。

(2)采用神经元自适应算法，寻找最优PI控制参数Δk_p和Δk_i：

常规PI控制器规律如下：

u(k)＝k_pe(k)+k_i∑e(k)

式中e＝s-s_m，k_p和k_i为PI控制器的比例和积分参数。

采用增量PI控制器，控制算法为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

则：

选择PI控制指标为：

Δk_p和Δk_i分别为k_p和k_i的变化量，通过神经元自适应算法得到：

(3)比例系数k_p和积分系数k_i表达式：

通过开发的类模糊控制器+神经元自适应PI控制算法进行参数动态计算，提高液压缸位置同步精度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种液压双边滚切剪控制系统，包括滚切剪系统和与滚切剪系统驱动连接的控制系统，其特征在于：所述滚切剪系统包括滚动剪切机构，所述滚动剪切机构与控制系统驱动连接，所述控制系统与基础自动化系统通过以太网连接，所述控制系统通过基础自动化系统控制驱动；所述控制系统前端对应设置有摄像头，摄像头用于获取板坯形状图像；

所述控制系统包括PI控制器、偏差监控器，所述PI控制器用于加非线性补偿对滚动剪切机构的液压缸位置调节；所述PI控制器协同所述偏差监控器，监控液压缸位置偏差，监控各液压缸之间偏差以及偏差及偏差率；

一种液压双边滚切剪控制系统的控制方法，以纯滚动剪切为目标，选择一个液压缸作为基准，实现两缸或四缸滚动剪切轨迹的精确控制，通过拍摄板坯形状，采集图像，而后进行图像处理、特征提取对板带形状进行检测，并对坯料位置进行精确跟踪，根据检测结果智能设定剪切曲线，根据该剪切曲线进行数据采集，并针对得到的数据进行剪切轨迹计算，而后根据得到的剪切轨迹，对辊道速度控制、对中控制、逻辑控制、废料收集控制、快速换刀装置控制、出口导卫立辊控制、液压站控制和通讯设定对应的滚动剪切规程，通过plc控制过程机实现液压缸位置闭环控制、同步控制、跟踪控制，采用PI控制器加非线性补偿进行液压缸位置调节，并设计协同偏差监控器，监控液压缸位置偏差Δe_i，监控个缸之间偏差以及偏差及偏差率，开发类模糊控制器+神经元自适应PI控制算法进行同步控制；

所述液压双边滚切剪控制系统的控制方法包括(1)借鉴模糊控制思想，并考虑计算时效性，开发类模糊控制器进行PI初始参数k_p和k_i计算：

将位置偏差Δe_i分为n层别，每一个偏差层别用Δe_ij表示，分别为Δe_i1，Δe_i2……Δe_in，

k′_pi和k′_ii为初始设定值，η为比例参数修正系数，ψ为积分参数修正系数，i表示液压缸顺序，j为偏差层别；

(2)采用神经元自适应算法，寻找最优PI控制参数Δk_p和Δk_i：

常规PI控制器规律如下：

u(k)＝k_pe(k)+k_i∑e(k)

式中e＝s-s_m，k_p和k_i为PI控制器的比例和积分参数；

采用增量PI控制器，控制算法为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

则：

选择PI控制指标为：

Δk_p和Δk_i分别为k_p和k_i的变化量，通过神经元自适应算法得到：

(3)比例系数k_p和积分系数k_i表达式：

通过开发的类模糊控制器+神经元自适应PI控制算法进行参数动态计算，提高液压缸位置同步精度。

2.根据权利要求1所述的液压双边滚切剪控制系统，其特征在于：所述控制系统设计配置为过程机+FM400+FM458+HMI，过程机用于剪切轨迹计算、数据采集、规程设定，金属检测仪等信号接入所述FM400所配输入及输出模块，所述HMI用于提供数据显示和操作干预接口。

3.根据权利要求1所述的液压双边滚切剪控制系统，其特征在于：所述基础自动化系统设计配置为硬件为CPU416-2+FM458的PLC，所述CPU416-2用于对辊道速度控制、对中控制、逻辑控制、废料收集控制、快速换刀装置控制、出口导卫立辊控制、液压站控制和通讯功能。

4.根据权利要求2或3所述的液压双边滚切剪控制系统，其特征在于：所述FM458用于液压缸位置闭环控制、同步控制、跟踪控制，外部的伺服阀、位移传感器、压力传感器等信号接入EXM438接口模块并通过所述FM458进行处理。

5.根据权利要求1所述的液压双边滚切剪控制系统的控制方法，其特征在于：所述实现两缸或四缸滚动剪切轨迹的控制包括单边双缸同步控制和双边同步控制。

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