专利名称：多道次拉拔设备的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属制品生产的电动控制设备，尤其是一种多道次拉拔设备的控制系统。
背景技术：
拉拔设备(或称联动拉丝设备)是一种典型的机电一体化产品，在金属制品的生产中，其功能是把截面较大的金属材料通过多道挤压(或模径逐道次细小的模子)加工成各种不同规格的截面较小的金属材料。工作时，各道次的辊/筒是由交流电机通过传动机构驱动的，而交流电机的运行是由变频器来控制的，因此，辊/筒的运行速度实际上是由送给变频器的速度给定值来决定的。以前的拉拔设备控制算法往往是单道次控制、整体组合，即每一道次的运动速度是根据前一道次机构运动后导致后一道次机构位置传感器变化反馈后进行PID调节的，这就是所谓的PID控制。近年来，通过反复比较研究和实际应用，有人提出了“前馈+PID控制”，该方法对拉拔设备运行性能的提高起到了较好的作用。
拉拔设备中每一道次上的辊/筒(卷筒)是通过机械机构由变频器带动电机驱动的，相邻道次之间存在着一定的速度比例关系，为了实现连续拉拔，相邻道次辊/筒之间安装调谐器。调谐器上的传感信号是为检测位置而设置的，它协调了相邻两道次的工作速度关系，图1表示了N道次拉拔设备传动示意图。其中第N道次的运行速度由外部直接给定GN，其它道次的速度给定是通过计算得到。多道次拉拔设备的性能优劣取决于工作过程各阶段的性能运行时的性能、停止过程的性能和启动时的性能。运行时的性能指的是系统的稳定性和快速性；停止过程的性能指的是快速停止时各道次也能保持速度协调关系；启动时的性能指的是平稳启动。相邻两道次的速度给定关系为Gi-1＝Ki-1·Gi+ΔGi-1(1)式(1)中Gi-1、Gi分别为第i-1道次和第i道次的速度给定，Ki-1为第i-1道次和第i道次的速度比系数，ΔGi-1为第i-1控制器的输出。式(1)表明了拉拔设备的控制方式为前馈+偏差控制(PID)，其中第i道次的速度给定乘以相应的速度比系数与该道次PID输出值ΔGi-1相加就得到第i-1(N＞i＞1的整数)道次的速度给定。
图2表示N道次拉拔设备前馈+PID控制结构图。图中的UN-1、Ui-1分别为第N-1道次、i-1道次调谐器的位置给定值，U(N-1)f、U(i-1)f则分别为第N-1道次、i-1道次位置传感器的实际反馈值，KN-1、Ki-1分别为相应的传动速度比系数。
但这种方法还存在以下2个缺点一是当拉拔设备启动瞬间，调谐器的位置是任意的，当调谐器接近极限位置时会产生过大的超调量，容易发生断丝或脱丝现象；二是在各道次前馈控制中，当钢丝滑动和模子直径的变化较大时，PID调节范围也大，无法满足系统的快速性要求。因此，解决上述问题是设备的需要、用户的需求、也是技术的发展趋势。
发明内容为了克服已有的多道次拉拔设备容易发生断丝或脱丝、无法满足快速性要求的不足，本发明提供一种改善了各道次的运行性能、快速停止性能、不容易断丝的多道次拉拔设备的控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种多道次拉拔设备的控制系统，包括各个道次机构、收卷机机构、控制器，每个道次机构由变频器、电机以及运行机构组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接运行机构，所述的各个道次机构上安装位置传感器，相邻道次的辊/筒之间安装用于协调相邻道次的工作速度关系的调谐器，所述的控制器包括道次偏差控制模块，用于根据第i-1道次与第i道次之间的调谐器的位置给定值和第i-1道次的位置传感器的实际反馈值计算偏差控制量，其算式如(2)ΔGi-1=(K(i-1)p+1T(i-1)iS+T(i-1)DS)(Ui-1-U(i-1)f)---(2)]]>上式中，ΔGi-1为第i-1道次偏差控制模块的输出偏差量，(K(i-1)p、T(i-1)i、T(i-1)D分别表示比例、积分、微分系数，Ui-1为第i-1道次与第i道次之间的调谐器的位置给定值，U(i-1)f为第i-1道次位置传感器的实际反馈值，多道次为N道次，i为满足N＞i＞1的整数；道次速度给定模块，用于给定各道次之间的运算速度，其算式如(3)Gi-1＝K(i-1)b·Gi+ΔGi-1(3)上式中，Gi-1、Gi分别为第i-1道次和第i道次的速度给定，K(i-1)b为第i-1道次和第i道次的速度比系数，ΔGi-1为第i-1道次偏差控制模块的输出；所述的道次速度给定模块的输出连接所述的变频器；所述的控制器还包括速度比调节模块，用于根据最小二乘法优化速度比系数，其算式如(4)K(i-1)b=fi-1-mi-1Ii-1fi-miIi---(4)]]>上式中，fi-1、fi分别表示第i-1、i道次变频器输出频率，Ii-1、Ii分别表示第i-1、i道次电机电流，mi-1、mi分别表示第i-1、i道次电机转差系数；其递推算式如(5)
K^(i-1)b(N+1)=K^(i-1)bN+AN+1(ZN+1-WN+1TK^(i-1)bN)---(5)]]>上式中，AN+1为1X(N+1)阶增益矩阵，ZN+1为测到的N+1个fi-1数据序列的(N+1)X1阶矩阵、WN+1T为测到的N+1个fi数据序列的(N+1)X1矩阵。
进一步，所述的控制器还包括软启动控制模块，所述的软启动控制模块包括启动设定单元，用于在启动时，设定各个道次的位置传感器的给定和反馈偏差量小于实际偏差量；偏差量还原单元，用于在设定时限内增加给定和反馈偏差量，使给定和反馈偏差量等于实际偏差量。
再进一步，所述的偏差量还原单元是等差递增单元，用于在设定时间内，等量增加给定和反馈偏差量。
本发明的工作原理是以前的拉拔设备控制算法往往是单道次控制、整体组合，即每一道次的运动速度是根据前一道次机构运动后导致后一道次机构位置传感器变化反馈后进行PID调节的，这种方法无法满足拉拔设备既对控制稳定性有很高的要求，又对控制快速性有严格的指标要求。从控制角度首先要保证设备的控制稳定性，其快速性通过先进算法来实现。为了说明此方法的可行性，首先假设已知拉拔设备相邻两道次速度关系的比值，那么后一道次机构的基准速度给定是前一道次的速度给定乘以此比值，后一道次机构的实际速度给定就是基准速度给定加上位置传感器反馈的控制调节量，由于控制调节量只是起一个微调的作用，而且决定了设备的稳定性，因此控制器的参数整定可以主要考虑稳定性。而设备的快速性由相邻两道次速度关系的比值来决定。
在现有的PID控制方法里，快速性和稳定性是矛盾的，设计时，一般首先保证稳定性，然后解决快速性。解决快速性的关键是快速辨识相邻道次的实际速比，通过进一步研究发现，最小二乘法在迅速辨识参数和抗扰动方面对系统性能的提高更加有利。
最小二乘法是系统辨识的常用方法。在方程误差为零均值白噪声的条件下，用最小二乘法估计方程的参数，可以在统计上保证得到无偏的、有效的和一致的估计。其递推形式常被用于实时的参数估计。以下就用渐消记忆递推最小二乘法进行K(i-1)b的辨识。
K(i-1)b=ni-1ni=n0(i-1)-Δn0(i-1)n0i-Δn0i---(6)]]>式(6)中，n0(i-1)、n0i分别表示第i-1、i道次电机的理想空载转速，Δn0(i-1)、Δn0i分别表示第i-1、i道次电机负载对转速影响的转差，它与负载基本成正比。如果电机为闭环控制，转速可直接从速度传感器上得到-从变频器中读出，如果电机为开环控制，由于理想空载转速正比于频率，转差约正比于电流，而频率、电流都可以从变频器中读出，式(6)可以转化成算式(4)，对最小二乘法而言，式(4)是相当简单的，具体的递推算式如算式(5)。
从递推估计式(5)可知，第N+1次采样后得到的参数估计值 等于已求出的参数估计值 用比例 的值修正。每次估计后，只需保存fi、fi-1、Ii、Ii-1、 的N个量以及新的fi、fi-1、Ii、Ii-1、 即可，无需太多存储容量。 即为式(4)中的K(i-1)b。
本发明的有益效果主要表现在(1)、采用最小二乘法辩识改善了各道次的运行性能和快速停止性能；(2)、整机性能得到提高，尤其是在快速停止时间为6秒时，仍能保证拉拔设备不断丝；(3)、提出了边界误差控制使设备平稳启动，改善设备启动性能；(4)、所采用的方法非常实用，计算量小，易于实现，很好地体现了新理论的工程化与实用化。
图1是N道次拉拔设备传动示意图。
图2是N道次拉拔设备前馈+PID控制结构图。
图3是控制器的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1参照图1、图2、图3，一种多道次拉拔设备的控制系统，包括各个道次机构、收卷机机构、控制器，每个道次机构由变频器、电机以及运行机构组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接运行机构，所述的各个道次机构上安装位置传感器，相邻道次的辊/筒之间安装用于协调相邻道次的工作速度关系的调谐器，所述的控制器1包括道次偏差控制模块2，用于根据第i-1道次与第i道次之间的调谐器的位置给定值和第i-1道次的位置传感器的实际反馈值计算偏差控制量，其算式如式(2)ΔGi-1=(K(i-1)p+1T(i-1)iS+T(i-1)DS)(Ui-1-U(i-1)f)]]>上式中，ΔGi-1为第i-1道次偏差控制模块的输出偏差量，(K(i-1)p、T(i-1)i、T(i-1)D分别表示比例、积分、微分系数，Ui-1为第i-1道次与第i道次之间的调谐器的位置给定值，U(i-1)f为第i-1道次位置传感器的实际反馈值，多道次为N道次，i为满足N＞i＞1的整数；道次速度给定模块3，用于给定各道次之间的运算速度，其算式如式(3)
Gi-1＝K(i-1)b·Gi+ΔGi-1上式中，Gi-1、Gi分别为第i-1道次和第i道次的速度给定，K(i-1)b为第i-1道次和第i道次的速度比系数，ΔGi-1为第i-1道次偏差控制模块的输出；所述的道次速度给定模块3的输出连接所述的变频器；所述的控制器4还包括速度比调节模块，用于根据最小二乘法优化速度比系数，其算式如(4)K(i-1)b=fi-1-mi-1Ii-1fi-miIi]]>上式中，fi-1、fi分别表示第i-1、i道次变频器输出频率，Ii-1、Ii分别表示第i-1、i道次电机电流，mi-1、mi分别表示第i-1、i道次电机转差系数；其递推算式如式(5)K^(i-1)b(N+1)=K^(i-1)bN+AN+1(ZN+1-WN+1TK^(i-1)bN)]]>上式中，AN+1为1X(N+1)阶增益矩阵，ZN+1为测到的N+1个fi-1数据序列的(N+1)X1阶矩阵、WN+1T为测到的N+1个fi数据序列的(N+1)X1矩阵。
拉拔设备中每一道次上的辊/筒(卷筒)是通过机械机构由变频器带动电机驱动的，相邻道次之间存在着一定的速度比例关系，为了实现连续拉拔，相邻道次辊/筒之间安装调谐器。调谐器上的传感信号是为检测位置而设置的，它协调了相邻两道次的工作速度关系，图1表示了N道次拉拔设备传动示意图。其中第N道次的运行速度由外部直接给定GN，其它道次的速度给定是通过计算得到。
多道次拉拔设备的性能优劣取决于工作过程各阶段的性能运行时的性能、停止过程的性能和启动时的性能。运行时的性能指的是系统的稳定性和快速性；停止过程的性能指的是快速停止时各道次也能保持速度协调关系；启动时的性能指的是平稳启动。相邻两道次的速度给定关系为算式(1)。
式(1)表明了拉拔设备的控制方式为前馈+偏差控制(PID)，其中第i道次的速度给定乘以相应的速度比系数与该道次PID输出值ΔGi-1相加就得到第i-1(N＞i＞1的整数)道次的速度给定。
图2表示N道次拉拔设备前馈+PID控制结构图。图中的UN-1、Ui-1分别为第N-1道次、i-1道次调谐器的位置给定值，U(N-1)f、U(i-1)f则分别为第N-1道次、i-1道次位置传感器的实际反馈值，KN-1、Ki-1分别为相应的传动速度比系数。
最小二乘法是系统辨识的常用方法。在方程误差为零均值白噪声的条件下，用最小二乘法估计方程的参数，可以在统计上保证得到无偏的、有效的和一致的估计，其递推形式常被用于实时的参数估计。用渐消记忆递推最小二乘法进行K(i-1)b的辨识，其算式由式(6)表示，并转化为式(4)，对最小二乘法而言，式(4)是相当简单的，具体的递推算式如式(5)。
从递推估计式(5)可知，第N+1次采样后得到的参数估计值 等于已求出的参数估计值 用比例 的值修正。每次估计后，只需保存fi、fi-1、Ii、Ii-1、 的N个量以及新的fi、fi-1、Ii、Ii-1、 即可，无需太多存储容量。 即为式(1)中的K(i-1)b。
实施例2参照图1、图2、图3，本实施例的所述的控制器还包括软启动控制模块5，所述的软启动控制模块5包括启动设定单元6，用于在启动时，设定各个道次的位置传感器的给定和反馈偏差量小于实际偏差量；偏差量还原单元7，用于在设定时限内增加给定和反馈偏差量，使给定和反馈偏差量等于实际偏差量。所述的偏差量还原单元是等差递增单元，用于在设定时间内，等量增加给定和反馈偏差量。
本实施例的其余结构、速度比调节模块的工作过程与实施例1相同。
当拉拔设备启动前，调谐器的位置是任意的，一般的做法是检测调谐器的位置，设定极限位置，当调谐器的位置在机台的里面并接近极限位置时，则快速提高前一道次变频器的速度给定，快速提高前一道次电机的速度和辊/筒的运行速度以快速跟踪后一道次辊/筒的速度；当调谐器的位置在机台的外面并接近极限位置时，则快速降低前一道次变频器的速度给定，快速降低电机的速度和辊/筒的运行速度以与后一道次辊/筒的速度协调(注在机械上所说后一道次，在控制上应该是的前一道次，为了统一，都以机械上说法为准)。这种检测调谐器极限位置突给补偿量存在着缺陷，即不同的设备及不同道次所需补偿量不同，每台设备都需仔细调试，工作量很大。当补偿量过大时，容易产生超调使金属丝材料断；仅依靠前馈+PID调节同样存在问题，当调谐器接近极限位置时，同样会产生超调过大问题-发生出现断丝、落丝现象，因此，拉拔设备在解决快速停止后，还要解决启动问题，在此提出了边界误差控制的软起动算法实现拉拔设备平稳起动。
结合公式(1)、(2)，图2中的Gi-1可表示为Gi-1=Ki-1Gi+(K(i-1)p+1T(i-1)iS+T(i-1)DS)(Ui-1-U(i-1)f)---(7)]]>式(7)中，(K(i-1)p、T(i-1)i、T(i-1)D分别表示第i-1个PID的比例、积分、微分系数，其中取T(i-1)D＝0，(Ui-1-U(i-1)f)位置传感器的给定和反馈误差。启动瞬间，当(Ui-1-U(i-1)f)较大时，Gi-1的变化也较大，为了在启动时平稳启动，控制|Ui-1-U(i-1)f|≤|ΔUi-1|，随着时间的推移，增加|ΔUi-1|的限制，最后消除此限制(约5秒种后)，这就是边界误差控制。
综上所述，拉拔设备中的最小二乘法可以改善各道次的运行性能和快速停止性能、边界误差控制可以改善设备启动性能。
实施例3本实施例的结构、工作过程与实施例2相同。
以进线5.5mm、出线3.0mm的6道次LZ6-560拉丝机为例，选用37KW电机，设计机械传动比、配出模径、计算出压缩率，在成品道次为390m/min情况下，其它道次线速度如下表1。电机频率和电机电流可通过总线从变频器自动读出。
表1当模径按上表配置时，选取各速比系数K1＝K2＝K3＝K4＝K5＝1，无论采用经典的前馈+PID控制还是采用最小二乘法改造后的前馈+PID控制，设备快速停止时间设定为6秒，快停时各道次都不会断丝；然而，当第5道次的模径变为3.10mm，其它道次模径不变，此时第5道次电机对应的变频器频率为82.6Hz，设备快速停止时间分别设定为10秒、9秒、8秒、7秒、6秒，快停或者降速一半时，采用经典的前馈+PID控制，第4道次与第5道次处之间每一次试验都出现断丝，如果采用最小二乘法改造后的前馈+PID控制，其它参数不变，每一次试验都没有出现断丝现象，此时，式(5)中N可取5--9，AN+1为元素全为1的1X(N+1)阶增益矩阵。
选用传感器后，位置反馈值的范围可以得到确定，当式(7)中U(i-1)f位置反馈值的范围为0-10V时，式(7)中Ui-1位置给定值一般选定为5V，所以|Ui-1-U(i-1)f|≤5V，拉拔设备启动时，如果|Ui-1-U(i-1)f|≤2.5V，即|ΔUi-1|＝2.5V，则实现了边界误差控制，随着时间的推移，每100ms使|ΔUi-1|增加50mV，那么5秒种后则可消除|ΔUi-1|的限制。采用边界误差控制后，设备启动不会出现断丝、落丝现象。
权利要求
1.一种多道次拉拔设备的控制系统，包括各个道次机构、收卷机机构、控制器，每个道次机构由变频器、电机以及运行机构组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接运行机构，所述的各个道次机构上安装位置传感器，相邻道次的辊/筒之间安装用于协调相邻道次的工作速度关系的调谐器，所述的控制器包括道次偏差控制模块，用于根据第i-1道次与第i道次之间的调谐器的位置给定值和第i-1道次的位置传感器的实际反馈值计算偏差控制量，其算式如(2)ΔGi-1=(K(i-1)p+1T(i-1)iS+T(i-1)DS)(Ui-1-U(i-1)f)---(2)]]>上式中，ΔGi-1为第i-1道次偏差控制模块的输出偏差量，(K(i-1)p、T(i-1)i、T(i-1)p分别表示比例、积分、微分系数，Ui-1为第i-1道次与第i道次之间的调谐器的位置给定值，U(i-1)f为第i-1道次位置传感器的实际反馈值，多道次为N道次，i为满足N＞i＞1的整数；道次速度给定模块，用于给定各道次之间的运算速度，其算式如(3)Gi-1＝K(i-1)b·Gi+ΔGi-1(3)上式中，Gi-1、Gi分别为第i-1道次和第i道次的速度给定，K(i-1)b为第i-1道次和第i道次的速度比系数，ΔGi-1为第i-1道次偏差控制模块的输出；所述的道次速度给定模块的输出连接所述的变频器；其特征在于所述的控制器还包括速度比调节模块，用于根据最小二乘法优化速度比系数，其算式如(4)K(i-1)b=fi-1-mi-1Ii-1fi-miIi---(4)]]>上式中，fi-1、fi分别表示第i-1、i道次变频器输出频率，Ii-1、Ii分别表示第i-1、i道次电机电流，mi-1、mi分别表示第i-1、i道次电机转差系数；其递推算式如(5)K^(i-1)b(N+1)=K^(i-1)bN+AN+1(ZN+1-WN+1TK^(i-1)bN)---(5)]]>上式中，AN+1为1X(N+1)阶增益矩阵，ZN+1为测到的N+1个fi-1数据序列的(N+1)X1阶矩阵、WN+1T为测到的N+1个fi数据序列的(N+1)X1矩阵。
2.如权利要求1所述的多道次拉拔设备的控制系统，其特征在于所述的控制器还包括软启动控制模块，所述的软启动控制模块包括启动设定单元，用于在启动时，设定各个道次的位置传感器的给定和反馈偏差量小于实际偏差量；偏差量还原单元，用于在设定时限内增加给定和反馈偏差量，使给定和反馈偏差量等于实际偏差量。
3.如权利要求2所述的多道次拉拔设备的控制系统，其特征在于所述的偏差量还原单元是等差递增单元，用于在设定时间内，等量增加给定和反馈偏差量。
全文摘要
一种多道次拉拔设备的控制系统，由于经典的前馈+PID控制无法同时满足系统的快速性和稳定性要求，为此，采用最小二乘法辩识以改善各道次的运行性能和快速停止性能。最小二乘法是系统辨识的常用方法。在方程误差为零均值白噪声的条件下，用最小二乘法估计方程的参数，可以在统计上保证得到无偏的、有效的和一致的估计，其递推形式常被用于实时的参数估计，从递推估计式(5)可知，第N+1次采样后得到的参数估计值
文档编号B21C1/00GK1749889SQ20051006123
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月21日 优先权日2005年10月21日
发明者南余荣, 俞立, 孙明轩 申请人:浙江工业大学