基于雙閉環(huán)變積分PID的中頻彎管機(jī)控制系統(tǒng)的研究

馮曉　嚴(yán)靜　樊占全

摘 要：針對中頻加熱彎管機(jī)在溫度控制過程中溫度波動(dòng)范圍大、推管速度與溫度控制匹配度較低問題，本文對中頻加熱彎管機(jī)的加熱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，采用雙環(huán)控制器控制溫度，并將變速積分PID控制技術(shù)引入中頻加熱彎管機(jī)的液壓控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于雙環(huán)變速積分PID控制系統(tǒng)的具有較高的溫度準(zhǔn)確性和彎管的成型質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：雙閉環(huán) 變速積分PID 中頻加熱 彎管機(jī)

中圖分類號：TG151 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（b）-0005-04

Abstract： For the large range of temperature fluctuations and pushing tube speed and temperature control matching problems， the heating system and hydraulic in the intermediate frequency bender are analyzed， transfer function of heating system and hydraulic system are established. A double closed loop controller is developed and variable integral PID method is adopted in hydraulic system control strategy. The results show that base on a double closed loop and variable integral PID control method ensures accurately control to the temperature and high-level quality to the elbows.

Key Words： Double closed loop； Variable integral PID control； Medium-frequency heating； Pipe bender

大口徑中頻加熱彎管機(jī)是石油、電力和城市建設(shè)使用彎管的常用加工設(shè)備，由傳動(dòng)機(jī)械、加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)5個(gè)部分組成。中頻加熱彎管機(jī)工作時(shí)，液壓系統(tǒng)推動(dòng)鋼管以給定速度前進(jìn)，同時(shí)中頻電源對鋼管進(jìn)行加熱，使其沿給定半徑彎曲，形成所需管件。因此中頻加熱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是整個(gè)彎管機(jī)的關(guān)鍵部位。推管速度和管件的加熱溫度，直接影響鋼管的成型效果。當(dāng)前的文獻(xiàn)[1-3]對加熱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)分別控制，其精度較低。未能體現(xiàn)液壓系統(tǒng)控制和溫度控制的關(guān)聯(lián)性。其控制精度較低，易引起管徑開裂、管壁厚度不均勻等缺陷。本文所研究的雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，在保證溫度的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)推管速度，同時(shí)使用變速積分算法調(diào)節(jié)彎管推進(jìn)速度，加快系統(tǒng)反應(yīng)速度，抑制超調(diào)震蕩。通過仿真分析，調(diào)試控制參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析。

1 中頻加熱彎管機(jī)的工作原理

中頻加熱彎管機(jī)的總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由機(jī)械裝置、中頻加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等組成。其基本過程是：中頻加熱系統(tǒng)采用感應(yīng)加熱方法對鋼管待彎部分中的極窄區(qū)域進(jìn)行局部加熱至塑性狀態(tài)，同時(shí)液壓機(jī)構(gòu)沿鋼管軸向施加推力，鋼管在4個(gè)滾輪夾持下沿推力方向運(yùn)動(dòng)，使鋼管在加熱部分繞機(jī)械轉(zhuǎn)臂的軸心發(fā)生彎曲，感應(yīng)加熱線圈的位置相對機(jī)床是固定的，所以在推力的作用下鋼管發(fā)生變形的部分逐漸移出加熱區(qū)，并被強(qiáng)迫冷卻，從而實(shí)現(xiàn)鋼管彎制[2，5]。

由中頻加熱彎管機(jī)的工作原理可知，中頻加熱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是整個(gè)彎管機(jī)的核心系統(tǒng)，其中，鋼管受熱變形溫度的控制，直接關(guān)系著鋼管的彎曲效果，如果控制不當(dāng)將引起鋼管的開裂、褶皺、橢圓化等不利情況。因此，液壓推進(jìn)系統(tǒng)速度控制和加熱系統(tǒng)溫度控制，是控制鋼管成型質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 中頻加熱控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 大口徑中頻加熱彎管機(jī)控制模型

2.1.1 溫度系統(tǒng)模型

2.2.2 溫度控制器

式中，u（t）為PI調(diào)節(jié)器的輸出值；e（k）為系統(tǒng)第k次采樣時(shí)給定溫度與實(shí)測溫度之間的偏差值；Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)。為了執(zhí)行PI控制得到良好的控制結(jié)果，就必須求得適合于控制對象的各參數(shù)的最佳值。

3 結(jié)果與分析

采用Matlab進(jìn)行整定仿真，鋼管的加熱溫度T=（950±20）℃，η=0.7，C=0.46×103J/（kg·℃），m=17.4kg，cos=0.9，Ii=1200A，=0.001。液壓缸活塞行程12m，缸徑0.3m，活塞桿直徑0.24m，外負(fù)載力200kN，速度范圍0.1～0.6m/min以及電液比例閥的參數(shù)Ksv，ωsv=39.8rad/s， sv=0.7，代入相應(yīng)傳遞函數(shù)。內(nèi)環(huán)速度控制器的PID參數(shù)選擇過程中，采用Ziegler-Nichols整定公式來確定參數(shù)Kp=4.3，KI=1.1；變速積分中常數(shù)A和B分別為20和12。變速積分算法的過渡過程為1s，無超調(diào)的輸出結(jié)果。

外環(huán)溫度控制器直接調(diào)節(jié)PI參數(shù)，Kp=0.7，KI=2.2，時(shí)通過對仿真的PID參數(shù)進(jìn)行二次整定，溫度控制符合（950±20）℃要求。其溫度控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4所示，圖中過渡過程為2.5s，超調(diào)量為0，溫度控制范圍最大波動(dòng)為15℃。

根據(jù)設(shè)計(jì)的液壓速度控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線檢測外徑1016mm的鋼管在950℃彎制90°時(shí)的數(shù)據(jù)，

如表1所示，表1記錄了10s內(nèi)的時(shí)間、溫度、速度、中頻電壓、中頻電流、中頻功率等數(shù)據(jù)。從檢測數(shù)據(jù)可看出速度系統(tǒng)能夠使速度在38～42mm/min間，且速度會(huì)隨著溫度的變化做出調(diào)整，溫度控制穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文對彎管機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，然后根據(jù)具體參數(shù)得到了溫度控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，采用溫度、速度雙閉環(huán)控制器，并在液壓控制系統(tǒng)中引入變積分PID控制算法，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于雙閉環(huán)變積分PID中頻加熱彎管機(jī)溫度控制系統(tǒng)的可行性，該控制器能夠快速響應(yīng)速度變化，保證了彎管的溫度誤差控制在指定的溫度范圍以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] 方秀榮，孟祥焱，范海峰.大型推彎式彎管機(jī)超低恒速液壓控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2017，45（19）：61-64.

[2] 嚴(yán)方.中頻加熱彎管機(jī)加工工藝仿真及控制算法研究[J].熱加工工藝，2015，44（9）：148-154.

[3] 譚寶成，張海東.大口徑彎管機(jī)控制系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)[J]. 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（2）：167-172.

[4] 譚寶成，成法坤.自適應(yīng)模糊PID在中頻彎管機(jī)溫度控制中的應(yīng)用[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（2）：191-195.

[5] 方秀榮，曹文勝.大口徑彎管機(jī)中頻加熱裝置的技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代制造工程，2011（3）：85-87.

[6] 徐剛，楊東.基于上下位機(jī)的中頻彎管機(jī)控制系統(tǒng)[J].焊管，2008，31（3）：58-60.

[7] 王春行.液壓控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999： 94-100.