CN116422710A - 一种中频感应加热式温辊装置控制系统及算法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体是一种中频感应加热式温辊装置控制系统及算法，解决了针对轧辊感应加热过程采用传统固定增益PID算法设计的温度控制器并不能满足精度要求，同时温度振荡甚至大幅超调，降低控制系统稳定性的问题。一种中频感应加热式温辊装置控制系统，包括轧机；轧机上安装有测温模块、控制模块、和执行模块；测温模块包括测温传感器；控制模块包括温控仪；执行模块包括中频感应电源、感应加热线圈。本发明实现了对轧辊的表面温度进行精准闭环控制的目的；基于自适应模糊PID算法实现了对中频感应电源的精确控制，进而控制感应加热线圈改变加热温度，实现精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及轧辊装备技术领域，具体是一种中频感应加热式温辊装置控制系统及算法。
背景技术
通过温轧复合成形工艺可以改变轧制变形区的温度，提高材料的塑性变形能力，改善材料的力学性能，消除内应力，降低成本，使轧制过程更加高效。然而，采用温轧复合成形工艺过程中板坯及轧辊受生产环境影响存在不同程度的散热问题，使得轧制变形区温度偏离板材热加工窗口，温度参数误差直接影响复合板坯的成形质量，降低复合板坯结合界面的稳定性，导致复合板坯无法复合成形。
目前轧辊中频感应加热系统主要的温度控制算法有传统PID控制、模糊控制、神经网络控制。感应加热过程滞后环节较大并且温度受多因素影响更为复杂时，基于传统固定增益PID算法设计的温度控制器并不能满足要求，同时神经网络等依赖专家经验及系统调试的控制策略受外在干扰因素影响较大。精确控制轧辊及轧制变形区的温度是温辊轧制工艺的关键因素，温辊装置温度控制系统的不成熟局限了温辊轧制工艺的广泛应用，同时阻碍了难变形合金复合板的发展。因此，对难变形金属温辊轧制装备进行研究，对温辊轧制温度控制系统进行优化设计，缓解轧制复合时在轧制变形区因轧辊散热导致板坯温度降低而导致板坯的复合成形失效的问题，推动难变形金属温辊轧制复合成形工艺的发展及应用。
发明内容
本发明针对轧辊感应加热过程具有非线性、大滞后并且参数可变性的特点，采用传统固定增益PID算法设计的温度控制器并不能满足精度要求，同时神经网络等依赖专家经验及系统调试的控制策略受外在干扰因素影响较大，导致温度振荡甚至大幅超调，降低控制系统稳定性的问题，提供了一种中频感应加热式温辊装置控制系统及算法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种中频感应加热式温辊装置控制系统，包括轧机；轧机上安装有测温模块、控制模块和执行模块；
所述测温模块包括安装于轧辊旁侧的测温传感器；所述控制模块包括温控仪；所述执行模块包括中频感应电源和固定于轧机机架上的感应加热线圈；
所述测温传感器的信号输出端与温控仪的信号输入端电性连接，所述温控仪的信号输出端与中频感应电源的信号输入端电性连接，所述中频感应电源与感应加热线圈电性连接。
进一步地，所述温控仪包括上位机PC端、下位机PLC和显示屏；所述上位机PC端采用自适应模糊PID算法；所述下位机PLC采用数字PID位置型控制算法。
进一步地，所述中频感应电源依次包括整流电路、直流滤波电路、BUCK斩波电路、逆变电路、谐振电路。
进一步地，所述测温传感器为红外测温仪；所述下位机PLC选用西门子S7-200SMART系列控制器；所述中频感应电源的调功类型为电压反馈控制，控制电压为0V-5V，输出功率为0Kw-45Kw。
进一步地，一种中频感应加热式温辊装置控制系统，包括感应电源冷却机构和轧辊冷却机构，感应电源冷却机构的信号输入端、轧辊冷却机构的信号输入端分别与温控仪的信号输出端电性连接；感应电源冷却机构的执行端与中频感应加热电源连接，轧辊冷却机构的执行端与轧辊连接。
一种中频感应加热式温辊装置控制系统的算法，该算法是采用如下步骤实现的：
步骤S1：首先开启并初始化控制系统，并设定预设目标温度值；然后测温传感器开始对轧辊表面的温度进行实时监测，并将实时温度信号经滤波后进行信号变换，同时将变换后的温度信号传输至下位机PLC中；
步骤S2：下位机PLC将接收到的温度信号与预设目标温度值进行运算，得到误差值e和误差变化率ec，并将误差值e和误差变化率ec作为两个输入量传输至上位机PC端中；
e=T0-T；
其中：T为预设目标温度值；其中T0为实时温度值；
ec=e(k)-e(k-1)；
其中：k为采集实时温度的次数；e(k)为第k次实时温度与预设目标温度值的误差值；e(k-1)为第k-1次实时温度与预设目标温度值的误差值；
步骤S3：上位机PC端采用自适应模糊PID算法对两个输入量进行计算处理，得到三个PID修正参数Kp、Ki、Kd；并将三个PID修正参数传输至下位机PLC中；PID计算控制信号PWM输出比较值：
UK=U(K-1)+[Kpe(k)+1/Ki∑Te(k)+Kd(e(k)–e(k-1)/T)；
其中：UK为第k次进行功率控制的控制电压；U(K-1)为第k-1次进行功率控制的控制电压；Kp是PID控制环节中的比例环节参数；Ki是PID控制环节中的积分环节参数；Kd是PID控制环节中的微分环节参数；
步骤S4：下位机PLC采用数字PID位置型控制算法对三个PID修正参数进行PID计算，并将输出的对应占空比的PWM驱动信号传输至中频感应电源；输出占空比为D的PWM信号：
U(k-1)=U(k)；e(k-1)=e(k)；
D为百分比；
步骤S5：对应占空比的PWM驱动信号作用于BUCK斩波电路（功率控制驱动电路）中的绝缘栅双极晶体管IGBT，调整IGBT导通时间的占空比，进而改变中频感应电源中逆变侧直流电压，进而调控中频感应电源的输出功率，实现了感应加热线圈的温度控制。
本发明结构设计合理可靠，实现了对轧辊的表面温度进行精准闭环控制的目的；基于自适应模糊PID算法实现了对中频感应电源的精确控制，进而控制感应加热线圈改变加热温度，实现精确控制，避免了温辊轧制复合板坯成形工艺过程中轧制变形区时因轧辊散热导致板坯温度降低进而降低复合板坯成形质量的问题，进一步地，能够单独调控上轧辊、下轧辊的温度值，在为轧制变形区补热的前提下保证了复合板坯厚度方向的温度梯度，满足了复合板坯结合区域和非结合区域的温度分布需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的结构原理示意图。
图3是本发明的工作流程示意图。
图4是本发明中中频感应电源的功能结构示意图。
图5是本发明中自适应模糊PID温度控制的仿真原理图。
图6是本发明中自适应模糊PID温度控制的仿真结果示意图。
图中：1-轧机，2-测温传感器，3-温控仪，4-感应加热线圈，5-感应电源冷却机构。
具体实施方式
一种中频感应加热式温辊装置控制系统，如附图1所示，包括轧机1；轧机1上安装有测温模块、控制模块、和执行模块；
所述测温模块包括安装于轧辊旁侧的测温传感器2；所述控制模块包括温控仪3；所述执行模块包括中频感应电源、固定于轧机1机架上的感应加热线圈4；
所述红外测温仪的信号输出端与温控仪3的信号输入端电性连接，所述温控仪3的信号输出端与中频感应电源的信号输入端电性连接，所述中频感应电源与感应加热线圈4电性连接。
本发明中测温传感器2用于测量轧辊表面的实时温度，并将实时温度信号经滤波后进行信号变换，变换后的温度信号作为反馈信号传输至温控仪3中，温控仪3用于信号传输以及分析计算，一方面温控仪3将实时温度显示到温控仪3上的显示屏上；另一方面温控仪3能够将实时温度值与预设目标温度值进行误差计算，并将误差计算的信号作为输入量进行自适应模糊PID运算处理，得到三个PID修正参数，根据不同的误差计算的信号实时调控PID参数修正量，满足不同时刻PID参数自整定的要求，温控仪3根据三个PID修正参数进行PID计算后输出对应占空比的PWM控制电压驱动信号，PWM控制电压驱动信号能够调控中频感应电源的输出功率，进而控制感应加热线圈4的加热温度，实现对轧辊表面温度的精准闭环控制。
所述温控仪3包括上位机PC端、下位机PLC和显示器；所述上位机PC端采用自适应模糊PID算法；所述下位机PLC采用数字PID位置型控制算法。
所述下位机PLC用于接收测温传感器2测得的实时温度，同时计算实时温度值与预设目标温度值的误差值e和误差变化率ec，然后将误差值e和误差变化率ec以及轧辊的实时温度传输至上位机PC端，上位机PC端将轧辊的实时温度传输至显示屏中实时显现，同时根据误差值e和误差变化率ec这两个输入量计算得到三个PID修正参数（Kp；Ki；Kd），计算时采用自适应模糊PID算法，然后将三个PID修正参数传输至下位机PLC，下位机PLC接收到三个PID修正参数后采用数字PID位置型控制算法进行PID计算，进而输出对应占空比的PWM驱动信号去调控中频感应电源的输出功率。
如附图4所示，所述中频感应电源依次包括整流电路、直流滤波电路、BUCK斩波电路、逆变电路、谐振电路。
所述测温传感器2为红外测温仪；所述下位机PLC选用西门子S7-200SMART系列控制器；所述中频感应电源的调功类型为电压反馈控制，控制电压为0V-5V，输出功率为0Kw-45Kw。
红外测温仪为非接触式测温传感器，测温速度快、应用适应性强及具有较高精度。
如附图1所示，一种中频感应加热式温辊装置控制系统，包括感应电源冷却机构5和轧辊冷却机构，所述感应电源冷却机构5的信号输入端、轧辊冷却机构的信号输入端分别与温控仪3的信号输出端电性连接；感应电源冷却机构5的执行端与中频感应加热电源连接，轧辊冷却机构的执行端与轧辊连接。
感应电源冷却机构5用于对中频感应加热电源进行散热；轧辊冷却机构用于对轧辊的中心部位进行散热；需要说明的是，感应电源冷却机构5和轧辊冷却机构均为现有技术，此处不再过多赘述。
一种中频感应加热式温辊装置控制系统的算法，如附图2~附图6所示，该算法是采用如下步骤实现的：
步骤S1：首先开启并初始化控制系统，并设定预设目标温度值；然后测温传感器2开始对轧辊表面的温度进行实时监测，并将实时温度信号经滤波后进行信号变换，同时将变换后的温度信号传输至下位机PLC中；
步骤S2：下位机PLC将接收到的温度信号与预设目标温度值进行运算，得到误差值e和误差变化率ec，并将误差值e和误差变化率ec作为两个输入量传输至上位机PC端中；
e=T0-T；
其中：T为预设目标温度值；其中T0为实时温度值；
ec=e(k)-e(k-1)；
其中：k为采集实时温度的次数；e(k)为第k次实时温度与预设目标温度值的误差值；e(k-1)为第k-1次实时温度与预设目标温度值的误差值；
步骤S3：上位机PC端采用自适应模糊PID算法对两个输入量进行计算处理，得到三个PID修正参数Kp、Ki、Kd；并将三个PID修正参数传输至下位机PLC中；PID计算控制信号PWM输出比较值：
UK=U(K-1)+[Kpe(k)+1/Ki∑Te(k)+Kd(e(k)–e(k-1)/T)；
其中：UK为第k次进行功率控制的控制电压；U(K-1)为第k-1次进行功率控制的控制电压；Kp是PID控制环节中的比例环节参数；Ki是PID控制环节中的积分环节参数；Kd是PID控制环节中的微分环节参数；
步骤S4：下位机PLC采用数字PID位置型控制算法对三个PID修正参数进行PID计算，并将输出的对应占空比的PWM驱动信号传输至中频感应电源；输出占空比为D的PWM信号：
U(k-1)=U(k)；e(k-1)=e(k)；
D为百分比；
步骤S5：对应占空比的PWM驱动信号作用于BUCK斩波电路（功率控制驱动电路）中的绝缘栅双极晶体管IGBT，调整IGBT导通时间的占空比，进而改变中频感应电源中逆变侧直流电压，进而调控中频感应电源的输出功率，实现了感应加热线圈4的温度控制。
BUCK斩波电路为中频感应电源的功率驱动控制电路，下位机PLC输出的对应占空比的PWM控制电压驱动信号能够控制BUCK斩波电路中的IGBT绝缘栅双极型晶体管的导通时间，进而调控BUCK斩波电路的输出电压，进而改变逆变电路中输入直流电压的幅值，进而调节中频感应电源输出功率的大小，进而调节感应加热线圈4的加热温度。
功率输出的控制类型为直流BUCK斩波调功，直流侧斩波调功采用二极管不控整流，利用BUCK电路改变直流电压后输入逆变电路，进而改变中频感应电源的输出功率；电路总输出电压的幅值跟随BUCK斩波电路的电压改变，BUCK斩波电路的输出电压通过IGBT绝缘栅双极型晶体管导通时间的占空比调控。因此，调节IGBT驱动信号的占空比可以近似比例的调节全桥逆变电路的输出电压，进而调整中频感应电源的功率输出。
具体实施过程中，所述感应加热线圈4与轧辊之间的距离为4mm-6mm；红外测温仪在使用过程中应当注意轧辊感应加热时产生的电磁场，对红外测温仪进行信号转换时产生电磁干扰，导致较大的控制信号误差，为保证温度控制精度必须进行滤波，过滤环境中的干扰噪声，通过硬件降噪降低控制信号误差。
在本发明的描述中，需要理解的是，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和简化描述，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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种中频感应加热式温辊装置控制系统，包括轧机（1）；其特征在于：轧机（1）上安装有测温模块、控制模块和执行模块；
所述测温模块包括安装于轧辊旁侧的测温传感器（2）；所述控制模块包括温控仪（3）；所述执行模块包括中频感应电源和固定于轧机（1）机架上的感应加热线圈（4）；
所述测温传感器（2）的信号输出端与温控仪（3）的信号输入端电性连接，所述温控仪（3）的信号输出端与中频感应电源的信号输入端电性连接，所述中频感应电源与感应加热线圈（4）电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种中频感应加热式温辊装置控制系统，其特征在于：所述温控仪（3）包括上位机PC端、下位机PLC和显示器；所述上位机PC端采用自适应模糊PID算法；所述下位机PLC采用数字PID位置型控制算法。
3.根据权利要求1所述的一种中频感应加热式温辊装置控制系统，其特征在于：所述中频感应电源依次包括整流电路、直流滤波电路、BUCK斩波电路、逆变电路、谐振电路。
4.根据权利要求2所述的一种中频感应加热式温辊装置控制系统，其特征在于：所述测温传感器（2）为红外测温仪；所述下位机PLC选用西门子S7-200SMART系列控制器；所述中频感应电源的调功类型为电压反馈控制，控制电压为0V-5V，输出功率为0Kw-45Kw。
5.根据权利要求1所述的一种中频感应加热式温辊装置控制系统，其特征在于：包括感应电源冷却机构（5）和轧辊冷却机构，感应电源冷却机构（5）的信号输入端、轧辊冷却机构的信号输入端分别与温控仪（3）的信号输出端电性连接；感应电源冷却机构（5）的执行端与中频感应加热电源连接，轧辊冷却机构的执行端与轧辊连接。
6.一种中频感应加热式温辊装置控制系统的算法，该算法是基于如权利要求3所述的一种中频感应加热式温辊装置控制系统实现的，其特征在于：该算法是采用如下步骤实现的：
步骤S1：首先开启并初始化控制系统，并设定预设目标温度值；然后测温传感器（2）开始对轧辊表面的温度进行实时监测，并将实时温度信号经滤波后进行信号变换，同时将变换后的温度信号传输至下位机PLC中；
步骤S2：下位机PLC将接收到的温度信号与预设目标温度值进行运算，得到误差值e和误差变化率ec，并将误差值e和误差变化率ec作为两个输入量传输至上位机PC端中；
e=T0-T；
其中：T为预设目标温度值；其中T0为实时温度值；
ec=e(k)-e(k-1)；
其中：k为采集实时温度的次数；e(k)为第k次实时温度与预设目标温度值的误差值；e(k-1)为第k-1次实时温度与预设目标温度值的误差值；
步骤S3：上位机PC端采用自适应模糊PID算法对两个输入量进行计算处理，得到三个PID修正参数Kp、Ki、Kd；并将三个PID修正参数传输至下位机PLC中；PID计算控制信号PWM输出比较值：
UK=U(K-1)+[Kpe(k)+1/Ki∑Te(k)+Kd(e(k)–e(k-1)/T)；
其中：UK为第k次进行功率控制的控制电压；U(K-1)为第k-1次进行功率控制的控制电压；Kp是PID控制环节中的比例环节参数；Ki是PID控制环节中的积分环节参数；Kd是PID控制环节中的微分环节参数；
步骤S4：下位机PLC采用数字PID位置型控制算法对三个PID修正参数进行PID计算，并将输出的对应占空比的PWM驱动信号传输至中频感应电源；输出占空比为D的PWM信号：
U(k-1)=U(k)；e(k-1)=e(k)；
D为百分比；
步骤S5：对应占空比的PWM驱动信号作用于BUCK斩波电路（功率控制驱动电路）中的绝缘栅双极晶体管IGBT，调整IGBT导通时间的占空比，进而改变中频感应电源中逆变侧直流电压，进而调控中频感应电源的输出功率，实现了感应加热线圈（4）的温度控制。
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|---|---|---|---|---|
| CN117270605A (zh) * | 2023-11-23 | 2023-12-22 | 普瑞奇科技（北京）股份有限公司 | 一种基于真空滤油机的温度控制调节方法及其系统 |
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| CN117270605A (zh) * | 2023-11-23 | 2023-12-22 | 普瑞奇科技（北京）股份有限公司 | 一种基于真空滤油机的温度控制调节方法及其系统 |
| CN117270605B (zh) * | 2023-11-23 | 2024-02-20 | 普瑞奇科技（北京）股份有限公司 | 一种基于真空滤油机的温度控制调节方法及其系统 |
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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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