反馈调节在棒材传动控制中的应用

反馈调节在棒材传动控制中的应用

高旭东

（阳春新钢铁有限责任公司广东阳春529600）

摘要：介绍了PID控制算法的原理,以及在直流双闭环调试系统和活套调节系统中的应用。

关键词：PID控制；直流双闭环调试系统；活套调节系统；精度、稳定性

一、PID控制算法简介

PID是比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法，但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。比例，反应系统的基本（当前）偏差e（t），系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；微分，反映系统偏差信号的变化率e（t）-e（t-1），具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。

各种控制规律的控制特点：

1、比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。

2、比例积分控制规律（PI）：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。

3、比例微分控制规律（PD）：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律

4、比例积分微分控制规律（PID）：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。

PID是一个闭环控制算法，要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，在棒材传动控制中就对应的是直流电机的编码器，并将结果反馈到控制路线上，下面以转速控制为例。

二、直流双闭环调速系统

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统，可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，难以满足对系统的动态性能要求较高的工况，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等。原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。转速、电流双闭环直流调速系统可以做到既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能在不同的阶段里起作用。如图2所示：

图2直流双闭环调速系统

直流双闭环调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。

由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成的双闭环直流调速系统。其原理图如图3所示：

图3直流双闭环调速系统原理图

（注：ASR—转速调节器；ACR—电流调节器；TG—直流测速发电机；TA—电流互感器；UPE—电力电子装置；Un*—转速给定电压；Un—转速反馈电压；Ui*—电流给定电压；Ui—电流反馈电压）

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。

三、活套调节

活套是用来检测和调整相邻机架间速度关系从而实现无张力轧制的一种手段。活套控制是对相邻机架间金属秒流量差异进行测量的基础上进行的，金属秒流量差异导致机架间堆钢（或拉钢），轧件由起套辊引导使其形成活套。在线活套扫描仪可实时反馈实测活套高度，控制系统将实测活套高度与设定活套高度进行比较从而产生速度修正信号，调整上游机架速度以维持活套高度（活套量）在给定值上不变，从而实现其前后机架间正确的速度配合。

当上游道次金属秒流量小于下游道次金属秒流量时，套量就渐渐减少，套高降低；金属秒流量相等时则套高不变。活套控制就是通过改变与活套相关机架速度来实现的。变速度差控制为套量控制（△v一△H），基本过程是头部起套一中间稳定为设定套量一尾部收套。活套扫描器测量出套高实际值，并与套量设定值进行比较，然后根据其偏差值作为活套调节器的修正信号，调整上游机架的速度。当由于外界条件引起活套大小改变而使活套偏离设定套位时，实际套量不等于设定套量，活套调节器便有输出，通过速度调节系改变活套上游机架速度，并逆向级联调节上游所有机架速度，这种调节会因每一条钢而有所不同，直到稳定为止。

以14一15机架间立活套为例，其它活套类似。当14机架活套扫描器检测到轧件头部并延时t1秒，自动控制系统送一个起套信号给电磁阀，起套延时t1秒的确定（以14到l5机架的距离除以14机架出口速度得到时间，来考虑气缸动作延时）应保证轧件刚好咬入l5机架时，起套辊刚好启动。当起套辊启动后，活套上游的14机架升速使14l5之间生“多余”轧件以生成活套，起套过程结束后，14机架恢复设定值。根据电机的动态特性，当轧件刚咬入l5机架时，电机会产生一个动态速降，但是控制系统预先给l5机架以2～4％的动态速降补偿，可以保证不会因动态速降而使刚咬入时产生太多“多余”轧件，即起始套高度为0，这一点可以从不投入活套仍能平稳咬入得到确认。

起套完成后，即进入活套稳定控制阶段。根据活套扫描仪得到不断变化的套量，通过电控脉冲信号不断地传递给电控系统，系统按逆向级联控制的方向调整相邻上游14机架的速度，这就相当于连续地修正上游相邻14机架的速度来保证活套的高度与设定值一致。活套调节是为了补偿轧件尺寸或温度变化而引起的套量变化，采用一个PI调节器,其输出叠加在上游机架的速度给定值上,以保证活套的高度与设定值一致,并且通过上游机架和主级联控制相应地改变上游其他机架的速度关系。

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