CN1749888A - 多道次拉拔设备的收卷机控制装置 - Google Patents

Abstract

一种多道次拉拔设备的收卷机控制装置，包括变频器、电机、收卷机、收卷机控制单元，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接收卷机，所述的收卷机上安装位置传感器，成品道次与收卷机之间安装用于协调相邻道次的工作速度关系的调谐器，所述的收卷机控制单元包括收卷机偏差控制模块，用于根据成品道次与收卷机之间的调谐器的位置给定值和收卷机的位置传感器的实际反馈值计算偏差控制量，所述的收卷机控制单元采用“前馈+PID”控制方式，并对速度比参数进行迭代算法优化。本发明能改善收卷机的运行性能和快速停止性能。

Description

多道次拉拔设备的收卷机控制装置

(一)技术领域

本发明涉及一种金属制品生产的电动控制设备，尤其是一种多道次拉拔设备的收卷机控制装置。

(二)背景技术

拉拔设备(或称联动拉丝设备)是一种典型的机电一体化产品，在金属制品的生产中，其功能是把截面较大的金属材料通过多道挤压(或模径逐道次细小的模子)加工成各种不同规格的截面较小的金属材料，收卷机是把成品丝收卷在工字轮上，它是拉拔设备重要组成部分。工作时，收卷机是由交流电机通过传动机构驱动的，而交流电机的运行是由变频器来控制的，因此，收卷机的运行速度实际上是由送给变频器的速度给定值来决定的。以前的拉拔设备收卷机控制算法往往是“前馈+PID控制”，该方法对拉拔设备收卷机运行性能的提高起到了较好的作用。

图1表示了N道次拉拔设备传动示意图。其中第N道次的运行速度由外部直接给定G_N，其它道次的速度给定是通过计算得到。

多道次拉拔设备的性能优劣取决于工作过程各阶段的性能：运行时的性能、停止过程的性能和启动时的性能。运行时的性能指的是系统的稳定性和快速性；停止过程的性能指的是快速停止时各道次也能保持速度协调关系；启动时的性能指的是平稳启动。从控制方式来说，收卷机的速度给定是由第N道次的速度给定乘以相应的速度比系数与该PID输出值相加得到，收卷机的速度是跟随成品辊/筒N的速度，当金属材料没有拉紧时，调谐器依靠自身的反力向下运动(图1)，说明收卷机的工作速度太慢，此时应提高收卷机的工作速度；反之，当金属材料拉紧时，调谐器则被金属材料拉向上运动(图1)，说明收卷机的工作速度太快，此时应降低收卷机的工作速度。收卷机与成品道次的速度给定关系为：

G_s＝K_s·G_N+ΔG_s                                  (1)

式(1)中G_S、G_N分别为收卷机与成品道次的速度给定，K_S为收卷机与成品道次的速度比系数，由于收卷机的卷径是变化的，K_S取平均值，ΔG_S为收卷机控制器的输出。

图2表示收卷机的前馈+PID控制结构图。图中的U_s为收卷机s调谐器的位置给定值，U_sf则为第收卷机s位置传感器的实际反馈值。

但这种方法还存在以下2个缺点：一是当拉拔设备启动瞬间，收卷机调谐器的位置是任意的，当调谐器接近极限位置时会产生过大的超调量，容易发生断丝或脱丝现象；二是收卷部分在运行过程中，收卷直径单方向变化而且变化范围大，其PID调节范围很大，经典的前馈+PID控制无法同时满足系统的快速性和稳定性要求。因此，解决上述问题是设备的需要、用户的需求、也是技术的发展趋势。

(三)发明内容

为了克服已有技术的多道次拉拔设备的收卷机控制装置容易发生断丝或脱丝、无法满足快速性要求的不足，本发明提供一种改善收卷机的运行性能和快速停止性能，拉拔设备不容易会断丝的多道次拉拔设备的收卷机控制装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多道次拉拔设备的收卷机控制装置，包括变频器、电机、收卷机、收卷机控制器，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接收卷机，所述的收卷机上安装位置传感器，成品道次与收卷机之间安装用于协调相邻道次的工作速度关系的调谐器，所述的收卷机控制器包括收卷机偏差控制模块，用于根据成品道次与收卷机之间的调谐器的位置给定值和实际反馈值计算偏差控制量，其算式如(2)：

$\mathrm{\Δ}{G}_s=(K_{\mathrm{sp}}+\frac{1}{T_{\mathrm{si}}S}+T_{\mathrm{sD}}S)(U_s-U_{\mathrm{sf}})---\left(2\right)$

上式中，ΔG_S为收卷机的偏差控制量，K_Sp、T_Si、T_SD分别表示第S个PID的比例、积分、微分系数，U_s为收卷机调谐器的位置给定值，U_sf为第收卷机位置传感器的实际反馈值；

收卷机速度给定模块，用于给定各道次之间的运算速度，其算式如(3)：

G_s＝K_sb·G_N+ΔG_s                                    (3)

上式中，G_S、G_N分别为收卷机与成品道次的速度给定，K_Sb为收卷机与成品道次的实际速度比系数；

所述的收卷机速度给定模块的输出连接所述的变频器；所述的收卷机控制器还包括速度比调节模块，用于根据迭代算法优化速度比系数，其算式如(4)：

K_sb＝K_sj(t)＝K_s(j-1)(t)+C*ΔG_s(j-1)                 (4)

式(4)中，C表示滤波学习增益，取0.9，j为迭代次数。

进一步，所述的收卷机控制器还包括软启动控制模块，所述的软启动控制模块包括：启动设定单元，用于在启动时，设定收卷机的位置传感器的给定和反馈偏差量小于实际偏差量；偏差量还原单元，用于在设定时限内增加给定和反馈偏差量，使给定和反馈偏差量等于实际偏差量。

再进一步，所述的偏差量还原单元是等差递增单元，用于在设定时间内，等量增加给定和反馈偏差量。

本发明的工作原理是：现有的“前馈+PID控制”，首先要保证设备的控制稳定性，其快速性通过先进算法来实现。假设已知拉拔设备收卷机与成品道次速度关系的比值，那么收卷机的基准速度给定是成品道次的速度给定乘以此比值，收卷机的实际速度给定就是基准速度给定加上位置传感器反馈的控制调节量，由于控制调节量只是起一个微调的作用，而且决定了设备的稳定性，因此收卷机控制器的参数整定可以主要考虑稳定性，无法满足快速性的要求。而设备的快速性由收卷机与成品道次速度关系的比值来决定。具体来说，在图2中，虽然PID控制决定了控制对象的稳定性，收卷机控制器的参数整定可以主要考虑稳定性。但所设计的控制方案应使PID控制调节量只是起一个微调的作用，设备的快速性应由收卷机与成品道次速度比值来决定。因此，能否求得实际收卷机与成品道次的速度比值是本控制方法能否实现稳定性、快速性的关键。在实际系统中，收卷机与成品道次的速度关系是变化的，因而在收卷机控制器中采用了先进迭代算法控制。控制系统在运行的过程中可以不断地调整这个速度比值，使它逐步地逼近实际值，从而改进收卷机的运行性能。

本发明的有益效果主要表现在：(1)、采用的迭代算法改善了收卷机的运行性能和快速停止性能；(2)、收卷机运行性能得到提高，尤其是在快速停止时间为6秒时，仍能保证收卷机不断丝；(3)、收卷机控制器始端限幅使设备的收卷机平稳启动，改善设备收卷机的启动性能；(4)、所采用的方法非常实用，计算量小，易于实现，很好地体现了新理论的工程化与实用化。

(四)附图说明

图1是N道次拉拔设备传动示意图。

图2是收卷机的前馈+PID控制结构图。

图3是收卷机的迭代算法结构图。

图4是收卷机的收卷机控制器的原理框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1、图2、图3、图4，一种多道次拉拔设备的收卷机控制装置，包括变频器、电机、收卷机、收卷机控制器，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接收卷机，所述的收卷机上安装位置传感器，成品道次与收卷机之间安装用于协调相邻道次的工作速度关系的调谐器，所述的收卷机控制器1包括收卷机偏差控制模块2，用于根据成品道次与收卷机之间的调谐器的位置给定值和实际反馈值计算偏差控制量，其算式如(2)：

${\mathrm{\ΔG}}_s=(K_{\mathrm{sp}}+\frac{1}{T_{\mathrm{si}}S}+T_{\mathrm{sD}}S)(U_s-U_{\mathrm{sf}})$

上式中，ΔG_S为收卷机的偏差控制量，K_Sp、T_Si、T_SD分别表示第S个PID的比例、积分、微分系数，U_s为收卷机调谐器的位置给定值，U_sf为收卷机位置传感器的实际反馈值；

收卷机速度给定模块3，用于给定各道次之间的运算速度，其算式如(3)：

G_s＝K_sb·G_N+ΔG_s

上式中，G_S、G_N分别为收卷机与成品道次的速度给定，K_Sb为收卷机与成品道次的实际速度比系数；

所述的收卷机速度给定模块3的输出连接所述的变频器；所述的收卷机控制器1还包括速度比调节模块4，用于根据迭代算法优化速度比系数，其算式如(4)：

K_sb＝K_sj(t)＝K_s(j-1)(t)+C*ΔG_s(j-1)

式(4)中，C表示滤波学习增益，取0.9，j为迭代次数。

拉拔设备中每一道次上的辊/筒(卷筒)是通过机械机构由变频器带动电机驱动的，相邻道次之间以及成品道次与收卷机之间存在着一定的速度比例关系，为了实现连续拉拔，相邻道次辊/筒之间以及成品道次与收卷机之间安装调谐器。调谐器上的传感信号是为检测位置而设置的，它协调了相邻两道次的工作速度关系。拉拔设备收卷机的控制装置中引入迭代算法，必须对理论应用条件做必要的创新，一般来说，迭代算法要求控制对象有明显的周期工作特征，而拉拔设备收卷机从空到满的周期太长，如果以收卷机从空到满为周期，其控制效果不理想。通过深入的分析，提出无论是理论上还是工程应用上的创新点：考虑到收卷—成品机构的速比系数是单方向变化而且变化范围大、周期长，在短时间内速比系数基本恒定，如果取迭代算法中的迭代周期较小(例如5秒以内，实际系统中取200毫秒)，就完全符合传统迭代算法中迭代周期的特征。这种工程上的创新举措，也为理论研究开辟了新的途径：长周期下的线性系统的迭代算法、长周期下的非线性系统的迭代算法、长周期下的鲁棒迭代算法等等。

实施例2

参照图1、图2、图3、图4，本实施例的所述的收卷机控制器1还包括软启动控制模块5，所述的软启动控制模块5包括：启动设定单元6，用于在启动时，设定收卷机的位置传感器的给定和反馈偏差量小于实际偏差量；偏差量还原单元7，用于在设定时限内增加给定和反馈偏差量，使给定和反馈偏差量等于实际偏差量。所述的偏差量还原单元7是等差递增单元，用于在设定时间内，等量增加给定和反馈偏差量。

本实施例的其余结构、速度比调节模块的工作过程与实施例1相同。

拉拔设备收卷机启动前调谐器的位置是任意的，一般的做法是：检测调谐器的位置，设定极限位置，当调谐器的位置在上面并接近极限位置时，则快速提高收卷机的速度给定，以快速跟踪成品道次的速度；当调谐器的位置在下面并接近极限位置时，则快速降低收卷机的速度给定。这种检测调谐器极限位置突给补偿量存在着缺陷，当补偿量过大时，容易产生超调可能发生断丝、落丝；仅依靠前馈+PID调节同样存在问题，因此，拉拔设备收卷机在解决快速停止后，还要解决启动问题，在此提出了收卷机控制器始端限幅算法实现拉拔设备收卷机平稳起动。

结合公式(1)、(2)，图2中的G_S可表示为：

$G_S=K_S{G}_N+(K_{\mathrm{sp}}+\frac{1}{T_{\mathrm{Si}}S}+T_{\mathrm{SD}}S)(U_S-U_{\mathrm{Sf}})---\left(5\right)$

$U_{\mathrm{PID}}=K_{\mathrm{sp}}+\frac{1}{T_{\mathrm{Si}}S}+T_{\mathrm{SD}}S)(U_S-U_{\mathrm{Sf}})---\left(6\right)$

式(5)中，K_Sp、T_Si、T_SD分别表示第S个PID的比例、积分、微分系数，其中取T_SD＝0，(U_S-U_Sf)位置传感器的给定和反馈误差，U_PID为收卷机控制器PID的输出。启动瞬间，当(U_S-U_Sf)较大时，G_S的变化也较大，为了在启动时平稳启动，控制：

U_PID≤G_B                                          (7)

式(7)中，G_B为成品道次实际速度对应的电压值，拉拔设备启动过程，也是G_B从0到G_N变化的过程，所以启动时G_B是很小的，限制了U_PID的输出值，也限制了G_S值，使收卷机平稳起动，这就是收卷机控制器始端限幅。启动一段时间后，G_B值较大，自动消除了对U_PID的限制。

综上所述，拉拔设备中的迭代算法可以改善收卷机的运行性能和快速停止性能、收卷机控制器始端限幅可以改善收卷机启动性能。从电气系统及其控制角度上说，运用以上几种控制技术可使拉拔设备收卷机在运行、停止、启动几个方面的性能都得到改善。

实施例3

本实施例的结构、工作过程与实施例2相同。

以进线5.5mm、出线1.42mm的12道次LZ12-560+SG800拉丝机为例。

成品道次传动比为2.38，收卷机传动比为2.04，选取速比系数Ks＝0.8，采用经典的前馈+PID控制，设备快速停止时间设定为6秒，当收卷机上的工字轮为空盘(内径为400mm)时，收卷机出现断丝现象；当收卷机上的工字轮为满盘(外径为800mm)时，则出现松丝后落丝现象。如果采用迭代算法改造后的前馈+PID控制，收卷机上的工字轮无论为空盘还是满盘都不会断丝或落丝，而且调谐器的位置基本不变。

在采用始端限幅算法之前，工字轮为满盘、设备启动时，收卷机有震荡和落丝现象。如果采用始端限幅算法，拉拔设备收卷机上的工字轮无论为空盘还是满盘，启动时，调谐器非常平稳地移向中间位置，这说明了始端限幅算法的有效性。

Claims (3)

1、一种多道次拉拔设备的收卷机控制装置，包括变频器、电机、收卷机、收卷机控制器，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接收卷机，所述的收卷机上安装位置传感器，成品道次与收卷机之间安装用于协调相邻道次的工作速度关系的调谐器，所述的收卷机控制器包括收卷机偏差控制模块，用于根据成品道次与收卷机之间的调谐器的位置给定值和实际反馈值计算偏差控制量，其算式如(2)：

$\mathrm{\Δ}{G}_s=(K_{\mathrm{sp}}+\frac{1}{T_{\mathrm{si}}S}+T_{\mathrm{sD}}S)(U_s-U_{\mathrm{sf}})---\left(2\right)$

上式中，ΔG_S为收卷机的偏差控制量，K_Sp、T_Si、T_SD分别表示第S个PID的比例、积分、微分系数，U_s为收卷机调谐器的位置给定值，U_sf为收卷机位置传感器的实际反馈值；收卷机速度给定模块，用于给定各道次之间的运算速度，其算式如(3)：

G_s＝K_sb·G_N+ΔG_s                                      (3)

上式中，G_S、G_N分别为收卷机与成品道次的速度给定，K_Sb为收卷机与成品道次的实际速度比系数；

所述的收卷机速度给定模块的输出连接所述的变频器；

其特征在于：所述的收卷机控制器还包括速度比调节模块，用于根据迭代算法优化速度比系数，其算式如(4)：

K_sb＝K_sj(t)＝K_s(j-1)(t)+C*ΔG_s(j-1)                   (4)

式(4)中，c表示滤波学习增益，取0.9，j为迭代次数。

2、如权利要求1所述的多道次拉拔设备的收卷机控制装置，其特征在于：所述的收卷机控制器还包括软启动控制模块，所述的软启动控制模块包括：

启动设定单元，用于在启动时，设定收卷机的位置传感器的给定和反馈偏差量小于实际偏差量；

偏差量还原单元，用于在设定时限内增加给定和反馈偏差量，使给定和反馈偏差量等于实际偏差量。

3、如权利要求2所述的多道次拉拔设备的收卷机控制装置，其特征在于：所述的偏差量还原单元是等差递增单元，用于在设定时间内，等量增加给定和反馈偏差量。

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