基于PID的中頻加熱彎管機溫度控制系統的研究

馮曉 嚴靜 樊占全

摘 要：針對中頻加熱彎管機在溫度控制過程中溫度波動范圍大、干擾源多等問題，本文對中頻加熱彎管機的加熱系統進行了詳細分析，建立了加熱系統的傳遞函數，并將PID控制技術引入中頻加熱彎管機的溫度控制系統。實驗結果表明，PID控制技術的引入確保了中頻加熱溫度控制系統的準確性和彎管質量的高水平。

關鍵詞：溫度控制 PID 中頻加熱 彎管機

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（b）-0098-03

在石化、電力、城建等行業，鋼管的彎曲加工有著十分廣泛的應用。目前，國內外對大型鋼管主要采用中頻加熱彎管機進行彎制，其加工工藝參數已有較多可參考文獻和比較成熟的經驗[1-3]，但彎管工藝對鋼管的加熱速度和溫度都有較高要求，如果控制不當將引起鋼管的開裂、褶皺、橢圓化等缺陷[4-5]?；诖?，本文將對中頻加熱彎管機的溫度控制系統進行詳細分析，并將PID調節引入溫度控制系統中，以確保中頻加熱溫度控制系統的準確性和彎管的高質量。

1 中頻加熱彎管機的工作原理

中頻加熱彎管機的總體結構簡圖如圖1所示，主要由機械裝置、中頻加熱系統、液壓系統、冷卻系統及電氣控制系統等組成。其基本過程是：中頻加熱系統采用感應加熱方法對鋼管待彎部分中的極窄區域進行局部加熱至塑性狀態，同時液壓機構沿鋼管軸向施加推力，鋼管在4個滾輪夾持下沿推力方向運動，但軸心固定的機械轉臂限制了鋼管的直線運動，迫使鋼管在加熱部分繞機械轉臂的軸心發生彎曲，感應加熱線圈的位置相對機床是固定的，所以在推力的作用下鋼管發生變形的部分逐漸移出加熱區，并被強迫冷卻。加熱、推彎和冷卻過程的連續進行即可實現鋼管彎制[6-7]。

由中頻加熱彎管機的工作原理可知，中頻加熱系統和液壓系統是整個彎管機的核心系統，其中，中頻加熱系統對鋼管加熱溫度的控制，直接關系著鋼管的彎曲效果，如果控制不當將引起鋼管的開裂、褶皺、橢圓化等不利情況，因此，本文將重點研究中頻加熱彎管機的加熱控制系統，以保證彎管質量。

2 中頻加熱系統溫度控制設計

2.1 中頻加熱系統結構

中頻加熱系統主要由中頻電源、中頻淬火變壓器、感應線圈等組成，其結構如圖2所示。該系統的加熱原理為：當感應線圈中流過一定頻率的交流電流時，將產生相同頻率的交變磁通，交變磁通又在鋼管中產生感應電動勢，從而形成感應電流，產生熱量，實現鋼管的加熱。在中頻加熱彎管過程中，應保持加熱溫度的穩定，故本文將采用單回路閉環控制系統實現中頻加熱彎管機的溫度控制。

2.2 溫度保持系統設計

本文在給定輸出功率保持穩定，液壓推管保持系統給定速度下，溫度控制系統為使溫度能夠抗干擾并保持在允許范圍內，將采用PID的溫度調節控制器，克服溫度干擾多等因素，實時調節，從而達到較高的溫度控制精度。其溫度調節閉環控制原理如圖3所示。

2.2.1 溫度控制系統的傳遞函數

式中，u（t）為PID調節器的輸出值；e（k）為系統第k次采樣時給定溫度與實測溫度之間的偏差值；KP為比例系數；KI為積分系數；KD為微分系數。

為了執行PID控制得到良好的控制結果，就必須求得適合于控制對象的各參數的最佳值。本文采用擴充臨界比例度法選擇PID參數，其具體步驟如下。

（1）選擇一個合適的采樣周期T，控制器作純比例KP控制。

（2）調整KP，使系統出現臨界振蕩，記下相應的臨界振蕩周期Tr和臨界振蕩增益KPS。

（3）選擇合適的控制度。

（4）根據控制度查表1[8]，即可求出T、KP、KI、KD，從而根據積分系數KI=KPT/TI，微分系數KD=KPTD/T求出KI、KD。

3 結果與分析

給定上述設計的溫度控制系統常量，如鋼管的加熱溫度T=950±20℃，η=0.7，C=0.46×103J/（kg·℃），m=17.4kg，Ii=1200A，=0.001，并根據表1中的經驗值對PID參數進行Matlab整定仿真，通過對仿真的PID參數進行二次整定，可得KP=0.7，KI=2.2，KD=0時，溫度控制符合（950±20）℃要求，其溫度控制系統的仿真結果如圖5所示，圖中過渡過程為2.5s，超調量為0，溫度控制范圍最大波動為15℃。

根據設計的溫度控制系統，實時在線檢測外徑1016mm的鋼管在950℃彎制90°時的數據，如表2所示，表2記錄了10s內的時間、溫度、速度、中頻電壓、中頻電流、中頻功率等數據。從檢測數據可看出控制系統能夠使溫度上下波動的范圍控制在±10℃內，且溫度隨速度變化而做出調整，滿足實際控制要求。

4 結語

本文對彎管機控制系統的溫度控制系統進行了分析，然后根據具體參數得到了溫度控制系統的傳遞函數，并在溫度控制系統中引入PID控制算法，最后通過仿真和實驗驗證了基于PID中頻加熱彎管機溫度控制系統的可行性，保證了彎管的溫度誤差控制在指定的溫度范圍以內。

參考文獻

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