專利名稱：一種提高軋機響應速度和控制精度的控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種軋機液壓壓下自動控制系統，具體是說是一種 提高軋機響應速度和控制精度的控制裝置。
背景技術：
目前軋機液壓壓下自動控制系統主要采用軋機主液壓缸進行控制， 軋機主液壓缸位置控制的基本原理可以筒單的表述為，通過油缸中活塞 的位置設定與實際位置進行PI調節，算出油缸伺服閥的開度設定，再通
過伺服閥的開度的變化控制油缸中活塞的具體位置，是一個閉環控制； 軋機主液壓缸控制一般分為軋制力控制和位置控制，而目前控制系統的
軋才幾壓下響應速度在60mS,控制精度在土6/zm。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種軋機壓下響應速度為40mS,控制精度 為土4;/m的提高軋機響應速度和控制精度的控制裝置，以克服上述的不 足。
為了實現上述目的，本實用新型由傳感器和PLC (可編程邏輯控制裝 置)構成，傳感器和PLC之間通過工業現場總線相連接，其中PLC由目 標值輸入模塊、輥縫設定模塊、位置設定及控制模塊、監測模塊和線性 位移傳感器反饋值模塊構成，位置設定及控制模塊輸出信號通過軋機主 液壓缸伺服閥系統控制軋機主液壓機械設備，目標值輸入模塊通過輥縫 設定模塊與位置設定及控制模塊相連，線性位移傳感器反饋值模塊的輸 出分別與輥縫設定模塊、監測模塊和位置設定及控制模塊相接，監測模塊的輸出與輥縫設定模塊相連接，其特點是位置設定及控制模塊通過 一個濾波器與軋機主液壓缸伺服閥系統相連接。
上述位置設定及控制模塊與濾波器之間還連接有一個帕努利方程自 適應單元。
本實用新型與現有的常規技術相比有如下有益效果
1. 由于本發明釆用了目前最先進的Pentium級處理器HPC(高性能 PLC)，可以^吏PLC的程序輪循周期可以到達lmS,這樣為計算機控制系統 響應快提供了有力的硬件保證。
2. 在計算機控制系統程序中采用了不同控制區域選擇不同P、 1# 的變增益PI控制法，這樣做的好處在于較常規的PI控制法而言，這種 變增益PI控制法更加靈活和實用，大大的提供整個控制系統的穩定性和 快速性。同時根據流體力學中的帕努利方程可以推算出不同液壓壓力下 的最佳P、 I參數，使計算機系統做的最優化控制。
3. 并且在數據輸出步驟中，對系統輸出信號(即伺服閥的電流控制 信號)進行了 NOTCHFIL濾波器的處理，這樣做的好處在于有利的提供 了系統的穩定性，大大改善了系統的控制精度。因為計算機控制系統中 的位置控制算出來的閥設定值并不穩定，尤其是在閥開度設定值接近其 實際值的時候，該設定值會在一個區域內按一定頻率波動。在示波器里 觀察這種波動產生的波形，可以發現波形并不穩定，其頻率是實變的。 雖然相鄰的兩個周期之間頻率差異并不大，但是不同的兩個相鄰的周期 頻率差值卻變化很大。如果就這樣將該設定值發給伺服閥輸入端，會導 致伺服閥在反復調節，穩定不下來，從而導致伺服閥開度不停的變化， 液壓缸中的活塞來回抖動不止，不能形成有效的位置控制，同時對伺服閥和液壓缸的損傷也很大。為了解決這一問題，本實用新型需要讓波形 中不同的兩個相鄰的周期頻率和峰值差值盡量保持在一個小范圍內，讓 其對伺服閥調節的影響減到最小。
圖1為目前控制系統框圖。
圖2為液壓缸結構示意圖。
圖3為本實用新型控制系統框圖。
具體實施辦法
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。
軋機主液壓缸控制一般分為軋制力控制和位置控制，其位置控制的 油缸的行程0 ~ 245mm,本實用新型將油缸伸出到極限，即輥縫為最小時 的位置標定為Omm,將油缸縮回到^f及限，即輥縫為最大時的位置標定為 245mm。主液壓缸"Switch On"操作時和"可控快開，，時，油缸位置i殳 定為240mm,留有5mm的空間。
目前的控制系統通過比較系統目標值與位置傳感器和壓力傳感器測 量值，對液壓伺服系統進行閉環控制(圖l)，從而到達預期控制目標。 其具體步驟如下
a) 數據采集步驟通過位置傳感器和壓力傳感器可以實時測量出 軋才7L的液壓缸的實際^亍程和釭內壓力，并轉化成標準的4 - 20mA或0 ~ 10V 電信號便于計算機系統控制。
b) 數據轉換步驟 將實測的液壓缸的行程和缸內壓力的電信號通 訊到PLC系統，并在PLC系統中將這些電信號還原成實際的物理量。
c) 數據處理步驟在PLC系統中采樣PID控制法，由程序自動提供一組^和7;參數，然后通過調節得到反饋回來的目標值波動狀況(可以通 過示波器的曲線進行監視)，判斷當前所設定的目標值是否符合工藝要 求，當前Pi參數能否使系統達到最佳穩定狀態。
d)數據輸出步驟 在PLC系統中將PID控制器的0utput作為整個系 統的輸出信號，對伺服閥進行控制，從而到達控制進入液壓缸的液體流
量的目的。
在電子數字計算機直接數字控制系統中，PID控制器是通過計算機 PID控制算法程序實現的。計算機直接數字控制系統大多數是采樣-數據 控制系統。進入計算機的連續-時間信號，必須經過采樣和整量化后，變 成數字量，方能進入計算機的存貯器和寄存器，而在數字計算機中的計 算和處理，不論是積分還是微分，只能用數值計算去逼近。
在數字計算機中，PID控制規律的實現，也必須用數值逼近的方法。 當采樣周期相當短時，用求和代替積分，用差商代替孩t商，使PID算法離 散化，將描述連續-時間PID算法的微分方程，變為描述離散-時間PID算 法的差分方程。因此本系統采樣以下控制算法
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中u 。一一控制量的基值，即k=0時的控制；
u ( k )——第k個采樣時刻的控制；Kp——比例放大系數；K！—— 積分》文大系數；KD——微分放大系數；
廣I Ts—_采樣周期。
為了提高系統的穩定性，在不同控制區域選擇不同P、 I參數，即在 不同范圍的e(A:)，采樣不同的^和7;。當大亍某一范圍時，積分系數 r,很大，即積分效果很弱；而比例系數^很大，即比例效果很強，使整 個控制系統特性"很硬"用于提高系統的快速性。當e(;t)小于某一范圍時， 積分系數7;變小，即積分效果很強；而比例系數^變小，即比例效果變
弱，使整個控制系統特性"很軟"用于提高系統的穩定性。
而液壓缸伸出時活塞向桿腔(靠近立輥方向)移動，活塞腔內油做 功擠壓桿腔內的油，相反收回時活塞向活塞腔(遠離立輥方向)移動，
桿腔內油做功擠壓活塞腔內的油(圖2)。由于活塞腔和桿腔橫截面積相 差較大，致使活塞移動時兩腔進出油量相差也較大，這樣活塞在伸出和 收回時其移動的速度對應伺服閥開度的曲線是不同的。這同樣會影響伺 服閥的調節的效果，所以通過加入增益修正，使得活塞在伸出和收回時 的移動速度曲線盡量相同是非常有必要的。為了達到輥縫打開與關閉的 動態響應一致的目的，根據流體力學中的帕努利方程設計的如下算法。
輥縫關閉(closing):輥縫打開(opening):
<formula>formula see original document page 8</formula>C -PI控制器輸出
C2 =輥縫關閉時的增益
C3 =輥縫打開時的增益
FWme =總軋制力測量值=P1(A1 + FO
FO =彎輥力和平衡力
FWsym = rolling force in symmetry point = PS/2(A1 FWmax = max. rolling force at v = 0 mm/s = PS(Al PS =管路壓力 PR =油箱回油管壓力 PI =有桿腔壓力 P2 =無桿腔壓力 從工程應用上考慮C2和C3可以簡化為<formula>formula see original document page 8</formula>由上文可知，完成位置控制后，可以得到一個伺服閥開度的設定值。
這個設定值不能直接通過I/O模塊發給伺服閥進行控制。它需要通過 NOTCHFIL濾波器濾波和增益修正處理(蝴蝶算法)后才能最后輸出^f司 服閥。處理過程如下圖3所示
需要NOTCHFIL濾波器濾波的原因是，位置控制算出來的閥設定值 并不穩定，尤其是在閥開度設定值接近其實際值的時候，該設定值會在 一個區域內按一定頻率波動。在示波器里觀察這種波動產生的波形，可 以發現波形并不穩定，其頻率是實變的。雖然相鄰的兩個周期之間頻率 差異并不大，但是不同的兩個相鄰的周期頻率差值卻變化很大。如果就 這樣將該設定值發給祠服閥輸入端，會導致伺服閥在反復調節，穩定不 下來，從而導致伺服閥開度不停的變化，液壓缸中的活塞來回抖動不止， 不能形成有效的位置控制，同時對伺服閥和液壓缸的損傷也^[艮大。
為了解決這一問題，本實用新型需要讓波形中不同的兩個相鄰的周 期頻率和峰值差值盡量保持在一個小范圍內，讓其對伺服閥調節的影響
減到最小。計算機程序中濾波器的Freq和Width是濾波控制的重點Wt。 Freq (Frequency的簡寫)為一個頻率的基準點，Width為以Freq輸入 值為基準，頻率上下可偏差的范圍。
舉例說明，當波動的周期t在8-12mS范圍內變化時
FiTeg = i
其頻率變化范圍為83. 3 - 125Hz ,:沒定Freq=100Hz ， Width-20Hz，則 濾波器濾波的有效范圍在100 ± 10 Hz ，即90-110 Hz，這樣83. 3-90Hz 110-125Hz段的波形都會^皮處理掉。
權利要求1、一種提高軋機響應速度和控制精度的控制裝置，由傳感器和PLC構成，傳感器和PLC之間通過工業現場總線相連接，其中PLC由目標值輸入模塊、輥縫設定模塊、位置設定及控制模塊、監測模塊和線性位移傳感器反饋值模塊構成，位置設定及控制模塊輸出信號通過軋機主液壓缸伺服閥系統控制軋機主液壓機械設備，目標值輸入模塊通過輥縫設定模塊與位置設定及控制模塊相連，線性位移傳感器反饋值模塊的輸出分別與輥縫設定模塊、監測模塊和位置設定及控制模塊相接，監測模塊的輸出與輥縫設定模塊相連接，其特征在于位置設定及控制模塊通過一個濾波器與軋機主液壓缸伺服閥系統相連接。
2、 如權利要求1所述的提高軋機響應速度和控制精度的控制裝置， 其特征在于位置設定及控制模塊與濾波器之間還連接有一個帕努利方 程自適應單元。
專利摘要本實用新型涉及一種提高軋機響應速度和控制精度的控制裝置，由傳感器和PLC構成，傳感器和PLC之間通過工業現場總線相連接，其中PLC由目標值輸入模塊、輥縫設定模塊、位置設定及控制模塊、監測模塊和線性位移傳感器反饋值模塊構成，其特點是位置設定及控制模塊通過一個帕努利方程自適應單元和一個濾波器與軋機主液壓缸伺服閥系統相連接。本實用新型根據流體力學中的帕努利方程對在不同的壓力下對PID參數進行自適應修正。本實用新型軋機液壓壓下系統的響應速度可以從60mS提高到40mS，這樣可以大大提高軋機自動厚度控制系統(AGC)的響應速度和控制精度，對產品質量有了良好的保證。
文檔編號B21B37/00GK201304414SQ20082023022
公開日2009年9月9日 申請日期2008年12月12日 優先權日2008年12月12日
發明者周子偉, 姚偉東, 詳 李, 李遲文, 剛 林, 胡運舟, 紅 陳 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司