CN1838013A - 基于滑行距离的“三点式”位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于滑行距离的“三点式”位置控制方法，其通过设定值的变化将位置控制过程分成两个阶段：第一阶段，新的设定值Wo的下达后，根据它与实际宽度的比较，将其修改成Wo+2So或者Wo－2So(加减量根据实际情况还可以更大)，当实际开度与Wo的距离偏差超过2So后，再按照原来的设定值Wo进行位置控制，采用本发明基本可以避免位置调节时的摆动现象，电机的正反转总合的次数不超过3次的概率占80％以上。

Description

基于滑行距离的“三点式”位置控制方法

技术领域

本发明涉及一种通过三相交流异步电动机驱动的移动设备的位置控制方法，尤其涉及一种基于滑行(预停)距离的位置控制方法。

背景技术

对于三相交流异步电机驱动的设备，比如高炉装料小车，轧钢轧机前的侧导板等，通过控制交流电机的正反转，机械传动机构将电机的转动转化成位移的变化，经过位置传感器的反馈，与设定位置进行比较来实现这些移动设备的位置控制。

如图1所示：现有的热轧粗轧生产线由四个机架组成，每个机架由侧导板4(SideGuide)，立辊1(Edger)，水平辊3(Rougher)组成，侧导板用来引导板坯沿着辊道中心线出入机架。入口或者出口侧导板打开合拢多少取决于板坯的轧制方向。除了E4/R4(四号机架)前的侧导板是两侧机械耦合的，由一个交流电机控制，其余的5个侧导板都是分成传动侧和操作侧各由一个电机单独控制的，可以一侧单独动，也可以两侧一起动。E3/R3(三号机架)前的侧导板由两个交流马达控制；一号、二号机架前后的侧导板由直流调速马达控制，其位置控制方法这里不做讨论。

在板坯进入机架之前，侧导板需要根据当前的道次计划中坯料的实际宽度定位到指定的宽度位置，用来引导坯料沿轧线中心2进入机架进行轧制。

三四号机架前侧导板的电机是交流电机，而且速度不可以调节。软件与传动的信号接口如下表：

序号	信号内容	性质
			1	传动准备好	输入
2	正转指令	输出
			3	反转指令	输出

这种只有正反转指令，不可调速的三相异步交流电机在启动和停止会经过加速运行阶段，以最大转速运行阶段，减速运行阶段(如图2所示)。

那么，由这样的交流电机驱动的侧导板的位置控制，就有下面这些特性。

在A-B的加速阶段，假定加速度为a，最大速度为Vmax，初始速度为Vo，该段的行程为S，时间为t，在理论上则有这样的关系：

a＝(Vmax-Vo)/t；

S＝Vo*t+a*t*t/2；

如果初始速度Vo是零，那么，t＝SQR(2S/a)；

在B-C的最大匀速阶段，S＝Vmax*t；

在C-D的减速阶段，同样有加速阶段这样的关系。

假定从最大速度减速到静止状态需要的滑行距离为So，如果距离偏差较小，小于So，那么电机在启动的时候没有到达最大速度就需要停车，如果加速阶段和减速阶段的加速度大小相等，那么距离和时间有下面的对称关系(如图3所示)，即：

S1+S2＝S；

S1＝S2；

t1＝t2；

故t＝2*SQR(S/a)；

但是行程S2是设备在减速阶段滑行产生的，因此S2所对应的时间t2不是实际的控制时间。所以运行S(S＜So时)这段偏差距离实际的控制时间是：t＝SQR(S/a)；

基于该时间的位置控制方法在控制过程中经常出现在设定位置附近发生摆动现象，发生的概率在70％以上。发生这种现象的时候，电机正转、反转切换非常频繁，同时马达的抱闸(刹车装置)也跟着动作频繁，极易造成马达线圈过热和抱闸过快损耗等问题，另外由于摆动不停，整个机架不能为进钢做好准备，使得轧制节奏变缓，直接影响到轧线的产量。

出现摆动的原因分析：

1.侧导板机械上的润滑以及传动机构上的拖动使得整个装置有很大的惯性，电机启动的时候要克服这一惯性，克服静摩擦力，必须增大转矩；从力学特性可知，静摩擦力Fo要大于动摩擦力F，Fo＞F，所以一旦装置动起来后，摩擦力变小，转矩也随之变小，速度随即增大。所以在位置控制过程中电机的速度、转矩随时间的关系应该如图4、图5所示。

2.在调试的过程中，我们发现摆动现象多发生在实际位置离目标位置较近的情况下；即短距离偏差的时候，容易造成控制的不确定性。因为在启动时候需要克服的静摩擦力是不确定的，它与当时的机械润滑情况，齿轮和涡轮蜗杆等传动机构的耦合状况等等因素有关，所以公式t＝SQR(S/a)中的a其实是变化的，因而克服静摩擦力后的速度变化情况和控制的时间不具有可再现性。

3.传动执行机构的迟滞。PLC的循环扫描周期很短，扫描周期为毫秒级。因此对于位置的检测和时间的计算非常精确和迅速，控制的反应速度也相当的快，但是输出信号经过继电器和电气设备的迟滞，容易造成控制信号和实际动作的异步，产生摆动现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于滑行距离的“三点式”位置控制方法，以避免位置调节时的摆动现象。

正如前面所描述的，基于时间的位置控制方式之所以存在控制的不确定性是因为它试图把不确定的由静到动的启动阶段纳入精确控制过程当中了。观察一次位置控制过程，我们可以看到它是由从静到动，再从动到静的两个阶段组成的。那么我们现在能否可以绕开该启动阶段，转而关注它的由动到静的滑行阶段？答案是肯定的。通过多次测试发现对于同一装置(侧导板)在一个连续工作的阶段里(没有定修，工况不变)，以同一个速度开始滑行，则每次的滑行距离很相近，相差不大，在5毫米以内。针对侧导板仅仅是导向作用，而不是与坯料的成品宽度直接相关，电机和抱闸机构的使用寿命、维护成本以及无故障率才是主要的这一点，我们可以接收这一偏差。这样我们只要得出这一滑行距离后就可以建立基于滑行(预停)距离的位置控制方式。

但是要建立这种位置控制方式，需要解决下面几个问题：

1.如何知道各个阶段的速度？

文章开头我们就提出我们的控制对象是不可调速的三相异步交流电机，所以在控制过程中我们无法直接读取到它的转速。虽然速度是位移对于时间的微分(v＝dS/dt)，我们可以间接得到，然后建立速度与滑行距离的关系表，但这并不是PLC所擅长的。我们没有这样去处理。对于交流电机，如以上的图示，启动足够长时间和位移后，它总会达到恒定的最大速度，那么在每次位置控制过程中都让电机到达最大速度后才开始滑行，问题就变得简单多了。

2.如何计算滑行距离？

侧导板上安装了位移编码器，软件中随时可以读取到当前的实际位置。每一次设备维护后，都需要对该传感器进行标定。编码器上设有一个同步位置信号，该信号是硬件输入信号，对应的位置是1700mm。标定的过程是导板从最小开度处打开，直到最大宽度(2050mm)限位开关激活后反向合拢，经过同步位置时编码器初始化成1700mm，同时发出停车指令。由于从最大宽度到同步位置的距离足够大，电机可以达到最大速度，所以同步位置(1700mm)和停止下来后的实际位置之差就是电机以最大速度滑行的距离，记作So。

3.如何让每次定位过程电机都能达到最大速度？

在生产过程中，上一批坯料宽度和下一批坯料宽度相差有大有小，坯料宽度最大可以达到2050mm，最小可以达到1500mm以下。按照每次的坯料宽度进行位置设定，不能保证每次电机都能达到最大转速。所以，通过设定值的变化将位置控制过程分成两个阶段来保证达到这一要求。第一阶段，新的设定值Wo的下达后，根据它与实际宽度的比较，将其修改成Wo+2So或者Wo-2So(加减量根据实际情况还可以更大)，当实际开度与Wo的距离偏差超过2So后，再按照原来的设定值Wo进行位置控制，这时电机有充分的距离可以加速到最大转速。

基于上述原理分析的基础上，本发明采用的技术方案是：提供一种基于滑行距离的位置控制方法，包括如下步骤：

步骤1、新设定值Wo下达：这是一个脉冲触发信号，表示过程机下达了一个与上一次不同的宽度值，需要设备重新进行位置调整。

步骤2、情况1：X＜Wo：接收到新的宽度设定值后，跟当前的实际宽度位置进行比较，判断当前位置与目标位置的关系，为马达的转向提供依据。如果当前位置小于目标位置值，表明需要朝宽度加大的方向移动，则下达“打开”指令。

步骤3、情况2：X＞Wo：如果当前位置小于目标位置值，表明需要朝宽度减小的方向移动，则下达“合拢”指令。

步骤4、改变设定值：根据移动的方向“打开”或者“合拢”，把收到的设定值(Wo)“加上”或者“减去”一个附加值作为新的目标位置(W)，拉大实际位置与目标位置的距离，达到二次定位时候马达可以达到最大转速。

步骤5、情况3：X＜W，或情况4：X＞W：与情况1，2类似，在马达向修改后的目标位置(W)转动的时候，实时判断是否到达该目标位置了，一旦到达，立即“恢复原来的设定值Wo”，转入二次定位过程。

步骤6、与前一次的运动方向相反，前面是“打开”方向的马上向“合拢”方向转动；前面是“合拢”的马上向“打开”方向转动。

步骤7、情况5、6(X-W＝±So)：  在向目标位置转动过程中，实时判断是否到达预停位置了，如果到达该位置，那么则发出“停车”指令。

步骤8、情况0(-D＜X-W＜D)：当马达停止转动，设备静止下来以后，判断当前的实际位置离开目标位置的偏差是否满足精度要求，如果满足，则“定位成功”。

采用本发明基要可以避免位置调节时的摆动现象，电机的正反转总合的次数不超过3次的概率占80％以上。如图8、9所示的是利用滑行距离控制方法一次定位成功的曲线图。

附图说明

图1是现有的热轧粗轧生产线的结构示意图。

图2是交流电动机的运行速度曲线。

图3是交流电动机运行距离与时间的关系图。

图4是长距离时电机的速度、转矩与时间的关系图。

图5是短距离时电机的速度、转矩与时间的关系图。

图6是本发明的基于滑行距离的位置控制方法的流程图。

图7是本发明的一个较佳实施例的工作流程图。

图8、9是采用本发明一次定位成功的曲线图。

具体实施方式

如图6所示：本发明的发明的基于滑行距离的位置控制方法包括如下步骤：

1.新设定值Wo下达：这是一个脉冲触发信号，表示过程机下达了一个与上一次不同的宽度值，需要设备重新进行位置调整。

2.情况1：X＜Wo：接收到新的宽度设定值后，跟当前的实际宽度位置进行比较，判断当前位置与目标位置的关系，为马达的转向提供依据。如果当前位置小于目标位置值，表明需要朝宽度加大的方向移动，则下达“打开”指令。

3.情况2：X＞Wo：如果当前位置小于目标位置值，表明需要朝宽度减小的方向移动，则下达“合拢”指令。

4.改变设定值：根据移动的方向“打开”或者“合拢”，把收到的设定值(Wo)“加上”或者“减去”一个附加值(比如，So的若干倍)作为新的目标位置(W)，拉大实际位置与目标位置的距离，达到二次定位时候马达可以达到最大转速。

5.情况3，4(X＜W，或X＞W)：与情况1，2类似，在马达向修改后的目标位置(W)转动的时候，实时判断是否到达该目标位置了，一旦到达，立即“恢复原来的设定值Wo”，转入二次定位过程。

6.与前一次的运动方向相反，前面是“打开”方向的马上向“合拢”方向转动；前面是“合拢”的马上向“打开”方向转动。

7.情况5，6(X-W＝±So)：  在向目标位置转动过程中，实时判断是否到达预停位置了，如果到达该位置，那么则发出“停车”指令。

8.情况0(-D＜X-W＜D)：  当马达停止转动，设备静止下来以后，判断当前的实际位置离开目标位置的偏差是否满足精度要求，如果满足，则“定位成功”。

本发明还提供了基于上述滑行距离的控制方式的一个优化实施例：

从基于最大滑行距离的位置控制框图可以看出这种控制方式还存在问题，如果停车后发现实际开度与设定开度的偏差超过了精度范围，不能被接受，那么怎么办？在实际运行过程中确实存在这种情况，不到20％的概率。

如图7所示：本发明的优化后的控制框图与前面的控制框图的区别主要在“再次定位”和“So的优化”上面，其余的与前面的相同，这里不再做说明。

1、再次定位：如果停车后发现实际开度与设定开度的偏差超过了精度范围，那么就需要重新进行位置控制。这种情况下位置偏差一般都很小，离要求的控制精度范围不远，这时候我们只要按照基于时间的控制方法进行控制，一般都可以定位成功。如果出现了摆动，则计算摆动次数，一旦超过3次，那么认为基于时间的控制方式已经不能使设备到位，索性重新回到初始点(新设定值下达)，进行再次定位。

2、So的优化：上面提到So是在导板位置标定的过程中得到的，在一次次的位置控制过程中我们通过定位的效果可以反过来评估So，对它进行修正和优化。

3.正反转指令切换的优化

每一个正(反)转指令结束以后，不根据位置关系立即输出下一个指令；而是等到装置静止下来以后，延时片刻再输出下一个正(反)转指令，减少电机等设备的频繁动作。

Claims (6)

1、一种基于滑行距离的“三点式”位置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、新设定值Wo下达：这是一个脉冲触发信号，表示过程机下达了一个与上一次不同的宽度值，需要设备重新进行位置调整。

步骤2、情况1：X＜Wo：接收到新的宽度设定值后，跟当前的实际宽度位置进行比较，判断当前位置与目标位置的关系，为马达的转向提供依据。如果当前位置小于目标位置值，表明需要朝宽度加大的方向移动，则下达“打开”指令。

步骤3、情况2：X＞Wo：如果当前位置小于目标位置值，表明需要朝宽度减小的方向移动，则下达“合拢”指令。

步骤4、改变设定值：根据移动的方向“打开”或者“合拢”，把收到的设定值(Wo)“加上”或者“减去”一个附加值作为新的目标位置(W)，拉大实际位置与目标位置的距离，达到二次定位时候马达可以达到最大转速。

步骤5、情况3：X＜W，或情况4：X＞W：与情况1，2类似，在马达向修改后的目标位置(W)转动的时候，实时判断是否到达该目标位置了，一旦到达，立即“恢复原来的设定值Wo”，转入二次定位过程。

步骤6、与前一次的运动方向相反，前面是“打开”方向的马上向“合拢”方向转动；前面是“合拢”的马上向“打开”方向转动。

步骤7、情况5、6(X-W＝±So)：在向目标位置转动过程中，实时判断是否到达预停位置了，如果到达该位置，那么则发出“停车”指令。

步骤8、情况0(-D＜X-W＜D)：当马达停止转动，设备静止下来以后，判断当前的实际位置离开目标位置的偏差是否满足精度要求，如果满足，则“定位成功”。

2、根据权利要求1所述的基于滑行距离的“三点式”位置控制方法，其特征在于，所述的步骤4中的附加值为So的若干倍。

3、根据权利要求1所述的基于滑行距离的“三点式”位置控制方法，其特征在于，还包括再次定位的步骤：如果停车后发现实际开度与设定开度的偏差超过了精度范围，则再采用基于时间的位置控制方法进行控制。

4、根据权利要求3所述的基于滑行距离的“三点式”位置控制方法，其特征在于，还包括步骤：如果出现了摆动，则计算摆动次数，一旦超过3次，那么认为基于时间的位置控制方式已经不能使设备到位，则返回步骤1。

5、根据权利要求1所述的基于滑行距离的“三点式”位置控制方法，其特征在于，还包括对So进行优化的步骤：根据位置控制过程中定位的效果反过来评估So，对它进行修正和优化。

6、根据权利要求1所述的基于滑行距离的“三点式”位置控制方法，其特征在于，还包括正反转指令切换的优化步骤：每一个正、反转指令结束以后，不根据位置关系立即输出下一个指令；而是等到装置静止下来以后，延时片刻再输出下一个正、反转指令，减少电机等设备的频繁动作。

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