分段PID在雙反饋板帶材糾偏系統(tǒng)中的應(yīng)用

程軍周，劉渭苗，崔衛(wèi)華，任玉成

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

由于受生產(chǎn)設(shè)備及帶鋼原材料等各種因素影響，帶鋼在運(yùn)行過程中會(huì)偏離機(jī)組作業(yè)線，影響機(jī)相組穩(wěn)定運(yùn)行，甚至損壞機(jī)組設(shè)備。為保證帶鋼穩(wěn)定地運(yùn)行在生產(chǎn)線上，必須解決板帶材跑偏問題。因此，帶鋼運(yùn)行過程中的對中控制(CPC)成為板帶材連續(xù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備研究的一個(gè)重要課題［1］。在當(dāng)前生產(chǎn)線中已經(jīng)大量使用的雙反饋板帶材糾偏系統(tǒng)中，其輔助反饋機(jī)構(gòu)反饋信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器疊加給控制系統(tǒng)，但是單純的PI調(diào)節(jié)器不能夠滿足不同機(jī)組速度下對控制系統(tǒng)不同動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。本文提出了一種分段PID調(diào)節(jié)器來替代原PI調(diào)節(jié)器，該方法經(jīng)過現(xiàn)場使用后，調(diào)節(jié)效果更好。

1 帶鋼連續(xù)處理過程的跑偏分析

影響帶材跑偏的主要因素有板形缺陷和設(shè)備精度。板形缺陷主要有:帶鋼斷面形狀、平直度、帶頭焊接不齊或者月牙剪剪切后的月牙。設(shè)備精度包括:轉(zhuǎn)向輥、張力輥和活套車的安裝精度，夾送輥壓力不均，輥?zhàn)虞伱婺Σ料禂?shù)不均勻等因素［2］。

根據(jù)跑偏理論計(jì)算公式，板帶材的跑偏速度與跑偏角和輥?zhàn)拥膫鬏斔俣扔嘘P(guān)。

式中，F(xiàn)為跑偏量;K為跑偏系數(shù);L為自由帶鋼長度;α為跑偏角;υα為帶鋼跑偏速度;Vk為跑偏速度系數(shù);Vc為輥?zhàn)泳€速度［3-4］［6］。

實(shí)際上各種輥?zhàn)釉陂L期的運(yùn)行過程中由于單邊磨損大而成錐形，錐形輥使帶材張力分布不均勻，總是向粗的一端跑偏，而錐度的大小影響了跑偏速度。帶材張力波動(dòng)特別是張力不足會(huì)引起帶鋼張力的強(qiáng)烈波動(dòng)，從而造成了帶鋼運(yùn)行過程中橫向跑偏。加大單位張應(yīng)力可以減少張力橫向差，從而消除部分張力不均勻帶來的跑偏，也可以消除部分帶鋼彎曲和本身缺陷，使與輥?zhàn)咏佑|的帶材橫向偏差得到消除。但是受帶材性能和工藝條件限制大單位張應(yīng)力實(shí)際上是無法提供的。

2 CPC控制系統(tǒng)工作原理及組成

雙反饋帶材對中控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)由兩個(gè)帶鋼位置測量傳感器、控制器、執(zhí)行裝置和糾偏機(jī)架組成。測量傳感器由燈箱和檢測機(jī)構(gòu)組成，檢測機(jī)構(gòu)通過CCD圖像傳感器的感光性將檢測到的板帶兩側(cè)邊緣的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)位信息［5］?？刂破鲗z測到的信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較與計(jì)算，將得到的控制信號(hào)傳輸給液壓伺服執(zhí)行裝置。

圖1 控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of control system

雙反饋的第1個(gè)反饋點(diǎn)為主反饋點(diǎn)，因?yàn)闄z測點(diǎn)距離糾偏輥位置比較近，所以采用直接反饋的形式。雙反饋的第2個(gè)反饋點(diǎn)為輔助反饋點(diǎn)，一般距離糾偏輥位置比較遠(yuǎn)，當(dāng)帶材在第2個(gè)反饋點(diǎn)處產(chǎn)生偏離時(shí)，依靠糾偏輥實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)處反饋點(diǎn)快速糾偏就有困難。為了能保證第2個(gè)反饋點(diǎn)處帶材能夠?qū)崿F(xiàn)更好的糾偏，通常給第2個(gè)反饋信號(hào)增加PI控制器，PI控制器能加快控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并且減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。使得對中系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)態(tài)性。但PI控制器的P、I參數(shù)一旦設(shè)定就不能改變，而不同機(jī)組速度下的對中工藝參數(shù)要求又不一樣，所以必須把速度因素加進(jìn)PI控制器里。分段PID調(diào)節(jié)器可以根據(jù)不同機(jī)組速度改變PID調(diào)節(jié)器的P、I、D參數(shù)，從而能夠更好地滿足機(jī)組的工藝控制要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

廣州某重卷機(jī)組如圖2所示，在2#張力輥后有一套雙反饋的CPC對中控制系統(tǒng)，主反饋點(diǎn)就在CPC糾偏輥后，而輔助反饋點(diǎn)位于圓盤剪前，距離CPC糾偏輥有一段距離。輔助反饋點(diǎn)有助于帶材中心在圓盤剪切邊時(shí)候能夠在機(jī)組中心線位置。

圖2 機(jī)組布置圖Fig.2 Arrangement diagram of recoiling straitening unit

PDA系統(tǒng)能夠監(jiān)控生產(chǎn)過程中機(jī)組的現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，本文利用IBA公司的PDA產(chǎn)品采集并監(jiān)控CPC控制系統(tǒng)的以下信息:主反饋點(diǎn)的帶材偏離中心線位置、輔助反饋點(diǎn)的帶材偏離中心線位置、CPC油缸浮動(dòng)位置。

使用分段PID調(diào)節(jié)器對原有PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行改進(jìn)，更改前后的PID參數(shù)見表1。

表1 改進(jìn)前后P、I、D參數(shù)比較Table 1 Comparison of P，I，D parameters before and after modification

在機(jī)組速度較小時(shí)候，選擇較小的P參數(shù)和較大的I參數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)允許CPC系統(tǒng)具有稍慢的響應(yīng)速度，但是要求系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量和較長的調(diào)整周期。這樣整個(gè)液壓系統(tǒng)在工作中相對平穩(wěn)，并且能夠滿足圓盤剪的剪邊要求。在機(jī)組速度較大時(shí)候，需要系統(tǒng)具有很快的響應(yīng)速度，在短時(shí)間內(nèi)把對中的偏差消除在圓盤剪之前以保證圓盤剪切邊功能，甚至不惜液壓系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，選擇較大的P參數(shù)和較小的I參數(shù)。故把機(jī)組速度范圍分為三個(gè)區(qū)間:V≤30 m/min;30＜V＜100 m/min;V≥100 m/min。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際的調(diào)試，得到三組最優(yōu)的參數(shù)，分別對應(yīng)三個(gè)區(qū)間。人為使帶材偏移機(jī)組中心線10 mm，然后在不同機(jī)組速度下給出相應(yīng)的PID參數(shù)，監(jiān)控到的輔助反饋點(diǎn)處帶材回到機(jī)組中心線處的過程曲線，如圖3所示。結(jié)果證明分段PID能夠糾正不同速度下的帶材跑偏情況，能夠保證圓盤剪正常投入剪邊功能。

圖3 分段PID與普通PI控制效果對比Fig.3 Control effect contrast between piecewise PID regulator and PI regulator

由圖3可看出，當(dāng)機(jī)組速度30 m/min時(shí)候，機(jī)組沒有超調(diào)量，而普通PI調(diào)節(jié)需要兩個(gè)震蕩周期，并且在運(yùn)行1 m左右時(shí)候完成糾偏。當(dāng)機(jī)組速度90 m/min時(shí)候，分段PID的P參數(shù)和I參數(shù)與普通PI調(diào)節(jié)相同，只是D參數(shù)使得系統(tǒng)減少一次震蕩周期。當(dāng)機(jī)組速度210 m/min時(shí)候，分段PID響應(yīng)時(shí)間更短，大約在1 m處完成糾偏，而普通PI調(diào)節(jié)器完成調(diào)整需要5 m左右距離，滿足不了圓盤剪單邊最小剪切的工藝要求。

4 結(jié)語

分段PID方法替代普通PI方法，改進(jìn)了不同機(jī)組速度下的帶材糾偏方案，保證了機(jī)組圓盤剪前帶材的對中，減少了因圓盤剪不能投入剪邊產(chǎn)生的故障停機(jī)時(shí)間，使生產(chǎn)線能夠連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)。本文根據(jù)重卷拉矯機(jī)組的實(shí)際生產(chǎn)工藝把機(jī)組速度分成常見的穿帶速度、低速運(yùn)行和高速運(yùn)行三種情況，完全滿足了重卷拉矯機(jī)組的CPC對中工藝要求。對于具有更復(fù)雜工藝的其他板帶材連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組，也可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，用分段PID方案分取更多的分段。甚至可以使用模糊PID方案的模糊規(guī)則使機(jī)組速度更加吻合于實(shí)際生產(chǎn)對CPC對中的要求。

［1］ 習(xí)中革，王永亮．立式還原退火爐爐內(nèi)對中糾偏系統(tǒng)［J］．軋鋼，2005，22(6):29－31．

［2］ 陳勇，李天石．帶材的糾偏控制［J］．機(jī)床與液壓，2003(6):190－191．

［3］ 張強(qiáng)，宋念龍，王東等．一種新型CPC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．重型機(jī)械，2011(4):97－102．

［4］ 劉寧，章一樊，魯祖鳳等．CPC在冷軋帶鋼生產(chǎn)線上的應(yīng)用［J］．安徽冶金，2006(1):40－43．

［5］ 魏志毅，劉援朝，魏維剛等．CPC系統(tǒng)在銅軋機(jī)中的應(yīng)用及改進(jìn)［J］．重型機(jī)械，2011(4):89－91．

［6］ 戴保泉，胡國平，陳仕華等．帶鋼運(yùn)動(dòng)過程中對中糾偏原理研究與應(yīng)用［J］．冶金設(shè)備，2010(4):20－23．