基于細(xì)分PI控制的熱連軋卷取機(jī)自動(dòng)踏步控制仿真和優(yōu)化

01研究背景卷取作為熱連軋的最后一個(gè)加工步驟，對(duì)成品的質(zhì)量有重要影響。其中，助卷輥?zhàn)鳛榫砣C(jī)控制中最復(fù)雜的部分，其功能是協(xié)助帶鋼建立，緊密地纏繞在卷筒上。因?yàn)榫砣C(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一是助卷輥的自動(dòng)控制，近年來，采用具有避讓卷取過程中鋼卷層差特點(diǎn)的AJC（autojumpcontrol）已經(jīng)成為一個(gè)研究重點(diǎn)。在研究背景方面，日本和德國的工程師發(fā)明了AJC后，該技術(shù)引起了廣泛的研究興趣。一些研究者設(shè)計(jì)開發(fā)了閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中包括帶有壓力內(nèi)環(huán)的位置閉環(huán)控制卷取機(jī)踏步控制系統(tǒng)以及通過簡化的控制混合靈敏度算法進(jìn)行系統(tǒng)的閉環(huán)增益設(shè)定。還有研究者分析了助卷輥機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方程，并建立了用于液壓踏步位置控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析的數(shù)學(xué)模型。其他研究工作則關(guān)注于具體實(shí)現(xiàn)，如使用可編程邏輯控制器控制器設(shè)計(jì)全自動(dòng)化熱連軋機(jī)組中的AJC部分。盡管已有相關(guān)研究工作在結(jié)構(gòu)仿真、控制理論、AJC策略和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等方面給出了參考，但這些工作在仿真精度、控制理論可行性和策略效果等方面存在一些缺陷。為了改善這些問題，本文提出了一些創(chuàng)新內(nèi)容，包括使用AMEsim軟件進(jìn)行精確的機(jī)械、液壓和控制仿真模型構(gòu)建，提出了快速切換策略的改進(jìn)思路，并將細(xì)分PI控制應(yīng)用于卷取機(jī)液壓伺服上。該方法根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，在不同工況下采用不同參數(shù)，而不依賴實(shí)時(shí)計(jì)算，從而在保證決策層對(duì)控制系統(tǒng)的指導(dǎo)作用的前提下，大大縮小了運(yùn)算量，保證了策略的可行性和可靠性。02研究方法1）助卷輥機(jī)械模型每一個(gè)助卷輥都由電液伺服閥驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)行控制，液壓油經(jīng)伺服閥控制流入液壓缸無桿腔時(shí)，液壓桿向外運(yùn)動(dòng)，使助卷輥壓靠卷筒，反之則使助卷輥起跳離開卷筒。液壓缸可繞固定頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，助卷輥的物理結(jié)構(gòu)側(cè)視圖可視為穩(wěn)固的三角形，與液壓桿以轉(zhuǎn)動(dòng)連接，運(yùn)動(dòng)過程如圖1所示。圖1運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型示意圖2）助卷輥液壓模型將液壓缸的運(yùn)動(dòng)看作液壓桿在運(yùn)動(dòng)過程中，活塞桿工作時(shí)由于作用方向的改變，被迫對(duì)液壓缸產(chǎn)生抬升作用，所以可以將液壓缸和助卷輥看作一個(gè)整體，這個(gè)整體擁有一個(gè)新的重心。改進(jìn)后位置控制轉(zhuǎn)矩方程為（1）壓力控制轉(zhuǎn)矩方程為（2）式中：為整體重心對(duì)液壓桿作用力臂，為液壓缸的質(zhì)量，為整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為整體的阻尼系數(shù)。根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系，可以得出助卷輥轉(zhuǎn)角為（3）根據(jù)幾何關(guān)系，精確計(jì)算液壓缸活塞位移和輥縫關(guān)系：

（4）（5）（6）3）數(shù)學(xué)模型根據(jù)式（3）~式（6）進(jìn)行計(jì)算，得出助卷輥輥縫與活塞位移的關(guān)系式，并導(dǎo)出關(guān)系表，在位置控制中，根據(jù)關(guān)系表的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)置液壓缸的位置設(shè)定值，關(guān)系如圖2所示。圖2所示為不同增益下的仿真曲線，液壓缸在收到控制信號(hào)后，控制液壓缸擺好輥縫，帶鋼厚度為3~4mm，根據(jù)安全值設(shè)定，使助卷輥起跳5.27mm。KP＝4時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)超調(diào)量為20％，而仿真系統(tǒng)為24％，總體上能夠較好地模擬實(shí)際系統(tǒng)的特性。圖2助卷輥仿真響應(yīng)曲線03研究結(jié)果1)快速切換壓力控制環(huán)策略起跳時(shí)間更晚，但由于其始終處于位置控制環(huán)階躍響應(yīng)的上升期，大幅增加響應(yīng)速度，可以在延遲啟動(dòng)的情況下避讓帶頭，并且快速切換到壓力控制環(huán)，完成下壓，位置控制環(huán)所需時(shí)間大幅減少，保證帶鋼較長時(shí)間處于壓力控制環(huán)控制。但在實(shí)際情況中，由于切換壓力控制環(huán)時(shí)間較晚，對(duì)帶頭追蹤精度提出更高要求，且切換壓力控制環(huán)時(shí)輥縫處于較大值，會(huì)增大下壓過程的末速度，可能會(huì)對(duì)帶鋼造成沖擊，對(duì)仿真的理想狀態(tài)來說，3種策略的壓力反饋曲線基本一致，沒有造成較大沖擊的問題。圖33種控制環(huán)切換仿真曲線2)細(xì)分PI算法。為了在避免占用TDC過高算力的前提下，提高控制效果，提出一種細(xì)分PI液壓伺服系統(tǒng)控制方法。結(jié)合項(xiàng)目中使用的PI策略，在每個(gè)起跳周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)設(shè)的個(gè)性化的PI參數(shù)細(xì)分表，在每個(gè)TDC周期內(nèi)更新PI參數(shù)。設(shè)反饋誤差為設(shè)定值與反饋值之差，PI參數(shù)設(shè)定原則如下。(1)

KP。初始值最大，當(dāng)E＞0時(shí)，根據(jù)的減小而減小，最終保持一定數(shù)值。(2)

KI。E＞0時(shí)KI＝0（避免初始誤差累計(jì)，使超調(diào)增大），第一次E≤0時(shí)，KI取最大值，隨后逐漸減小。細(xì)分PI控制可以分階段改變控制參數(shù)（在TDC系統(tǒng)中可以每周期改變一次參數(shù)），適應(yīng)階躍響應(yīng)在不同階段的需求，這種控制策略可以分為5個(gè)階段。階段1：在助卷輥輥縫保持階段，使用很小的KP及一定的KI，降低穩(wěn)態(tài)波動(dòng)。階段2：起跳后，在超調(diào)之前使用由大到小變化的KP來獲得更快的響應(yīng)，而不依靠積分控制，這樣可以避免增大超調(diào)量。階段3：超調(diào)前的小時(shí)段內(nèi)，使用負(fù)KP參數(shù)來進(jìn)行“剎車”。階段4：超調(diào)的瞬間使用較大的KI參數(shù)來快速累計(jì)誤差，避免超調(diào)量繼續(xù)快速增大，并且同上升階段一樣，在回調(diào)階段使用大KP參數(shù)保證快速回調(diào)。階段5：原理同階段1，接近穩(wěn)態(tài)時(shí)使用很小的KP及一定的KI，降低波動(dòng)。按照原理參數(shù)設(shè)置原則，進(jìn)行細(xì)分PI參數(shù)仿真。圖4PI控制響應(yīng)與細(xì)分PI控制響應(yīng)對(duì)比04研究結(jié)論1）基于某廠1450mm熱連軋卷取機(jī)助卷輥AJC系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了精確的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建了更加復(fù)雜的仿真模型。2）設(shè)計(jì)并仿真了快速切換壓力控制環(huán)策略，細(xì)分PI控制的方法，在某廠進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，取得了較好的效果，驗(yàn)證了方法的有效性。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中可以發(fā)現(xiàn)，一套PI參數(shù)難以滿足不同的帶鋼和不同圈數(shù)的層差避讓需求，使帶鋼受到的沖擊力很大。采用細(xì)分PI參數(shù)踏步控制后，層差產(chǎn)生的沖擊和噪聲明顯減小，且