电磁加热炉液压翻转装置翻转控制策略研究.pdf

、I 訇 化 电磁加热炉液压翻转装置翻转控制策略研究 St udy on t ur no ver cont r oI st r a t egy of h ydr aul i c pr ess ur e t ur no ver de vi ce of el ect r om agnet i c hea t i ng f ur nace 涂福泉，曾庆兵，毛阳，李贺 TU Fu ． qu a n，ZENG Qi n g ． b i n g， MAO Y an g， L l He 武汉科技大学 机械自动化学院 冶金装备与控制教育部重点实验室，武汉 4 3 0 0 8 1 摘 要 针对翻转缸动作过快损坏板坯表面质量及翻转动作过慢使止推臂不能有效支撑板坯等问题 ， 提 出了基于模糊神经网络算法的预设定协调控制策略，建立了板坯翻转预设定运动轨迹模型 ， 并对该控制系统进行仿真分析。结果表明，基于模糊神经网络算法的预设定协调控制策略使 板坯翻转机构运行平稳 、振动小 、动态跟随性能好、定位准确 ，满足高牌号取向硅钢生产工 艺要求。 关键词预设定协调控制；神经网络；模糊规则；速度一 位移补偿；S i m u li n k 仿真 中图分类号T P 1 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 4 O l I- 一0 0 8 2 - 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 1 I- ． 2 4 0 引言 步进式加热炉 生产硅钢 时存在钢坯 表面 与芯 部温差大、氧化烧损严重、加热效率低等问题⋯， 实践表 明，应用 电磁感应加热炉能使上述 问题得 到很好 的解决 ，因而电磁感应加热炉加 热工艺 成 为 I1前生产取 向硅钢的必然趋势 。然而大功率电 磁感应加热炉的制造技术含量高，世界上最先进 硅钢制造公司 日本新 日铁 对 中国钢铁企 业采取技 术封锁 。为 了提高我国取向硅钢 的生产技 术和产 品质量 ，必须走关键工艺 技术的 自主创 新、关键 设备的 自主集成之路 。 为 了满足感应加热炉工艺动作 如图l 所示 要求 ，专 门研制 了一套液压板坯 翻转装置 ，该 翻 转装置有六部分运动单元，这六部分运 动单元都 由液压系统 实现控制 ，每部分运动单元都分别采 用油缸作为执行元件来驱动 负载 ，板坯翻转液压 系统原理如图2 所示。 0 v 止推 臂 伸 出 翻转 臂 翻 转 移动 翻 转 臂翻 转 移动 厂 ]翻 转 臂继翻转 移动 车 落下 车前进 翻转 车后移 f ＼续翻转 平移对中 本液压 系统主要 完成 感应加热炉工艺动作 ， 要求各缸运动平稳 、控制可靠方便、响应迅 速， 因此主要控制元件选用比例阀 ，配合带 内置位 移 传感器伺服液压缸，通过P L C系统构成闭环位置控 制系统 ，实现硅钢感应加热工艺动作要求 。其 中 钢坯 翻转液压 回路控制方式为 钢坯翻转 由两缸 驱动，满载超过2 0 T ，在钢坯翻起 0 。 - * 9 0 。 时液 压缸受力为惯性 负载 ，钢坯 翻转放下 0 。 - * 9 0 。 时液压缸所受力为超越负载 ，所以两缸 同步、启 动刹车压力冲击 、运动平稳 、和下降过 程中重力 平衡是控制关键点 ，采用两 台比例方 向阀分 别控 制两个液压缸 ，通过检测液压缸各 自位 移传感器 的位置信号进行反馈 ，构成两套置闭环 系统 ，以 保证 同步动作要求 。为防止钢坯翻转过程 中出现 意外冲击 ，导致管路元件 损坏 ，在 两液压缸 的进 出口上增加安全 阀进行缓冲 ，保证 系统 安全 ；同 时 ，为防止钢坯 翻转放下 9 0 。 一0 。 时加速下降 止 推臂炉床 翻转 移动 退 回 提升 车后 退 翻 转 臂 炉床 回转 提升 安全 防 坠装 置 图1 板坯进炉运动时序图 收稿日期2 0 1 3 -0 9 - 2 3 基金项目国家自然科学基金资助项 目 5 1 1 7 5 3 8 8 ；冶金装备及控制教育部重点实验室开发基金项目 2 0 1 3 A 0 8 作者简／ i“ 涂福泉 1 9 7 0 一 ，男，湖北孝感人，副教授，博士，主要从事液压技术、机电一体化方面的科研和教学工作。 [ 8 2 1 第3 6 卷第1 期2 0 1 4 0 1 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l lI5 似 ．一 ▲ I I I OB OF 液压缸活塞 杆，AB AF 板坯 图4 t 时刻板坯位置示意 图 则DE间的距离为9 3 4 8 6 3 7 1 mm，止推臂的 末端在板坯上 由C点运动到E 点并停止不动 ，即板 坯在垂直位置不动 ，否则 ，板坯可能 由于惯性作 用 向前倾倒造成事故 。图4 中，O点为翻转缸的原 点 ，OB为t 时刻翻转缸活塞杆伸出的长度，OF 是 活塞杆末端沿以A B为半径的圆弧B F 运动所伸 出的 长度，而执行机构常用 的运动形式有等速运动 、 余 弦加速 度运动 、正弦加速度运动等 。等速运动 的起止瞬间，执行机构 的速度有突变 ，加速度及 所 产生的惯性力在理论上均为无穷大 ，使机构产 生强烈的冲击 ，这是板坯运动所不允许的 ，应该 尽 量 避免 ；而 等加 速或 等减 速运 动 ，在 起止 瞬 间，其加速度值也有一个定值突变 ，同样引起惯 性 力的相应变化 ，在机构 中引起柔性冲击；在正 余 弦加速度运动 中，加速度 曲线在全程范围 内光 滑连续 ，产生的冲击小 。因此 ，在选择 运动设定 函数 时，首先要确定为正弦或余弦加 速度函数 ， 再确定函数的具体形式。 为 了保证板坯 翻转到垂直位置 时的加速 度和 速度 同时为零 ，本文翻钢机构从止挡臂在接 触时 刻 f o 起开 始作 正弦 减加 速度 运动 ，为 了简便起 见 ，设初始角速度为 1 ，根据图1板坯进炉运动 时 序图 第6 步 的要 求 ，角速 度 1 0 从 t S 时刻起 到 t 4 - 2 ． 7 5 5 s时刻将减速到0 ，由角速度与线速度的 关系公式 1 可得翻转缸活塞杆线速度 V l 。 v 1 J 1 而 o又是时间t 的函数，即 { 1 一 o s [ k t t o J } ， t o t t o 2 ． 7 5 5 2 ， 式 2 中，k ， r l 1 5 0 mm。为了保 ．， 证翻钢与止挡机构协调 同步，有 v ‘ _ { [】 一 c o s k t to ] k s i n k t 一 f } 1 8 4 1 第3 6 卷第1 期2 0 1 4 0 1 上 将式 2 代入式 3 可得 ’ ， 2。 另外 ，令 Pc， c 为常数。 1 ． 2 控制算法实现 虽然采用F NNC控制器 能 较好地 实现轨 迹 跟踪，但 是由于 系统难免会受到外界干扰，这时 会 引起 翻转机构 与止缸机构不 同步 ，依靠各 自的 闭环回路 回复 同步 ，会 引起较大的冲击 。考虑到 系统具 有多耦合 、非线性且数学模型难以建立特 点 ，于 是提 出了带速度 一 位移 补偿 的预 设定控 制 策略 。其基本 思想是通过补偿控制器的输 出与各 闭环控制器 的输 出联合控制 ，达I I I 互间的作用 力恒 定的 目的。为 了实现控制 目标 ，板坯 的翻转 角度由安装在翻钢机构上的角位移编码器 计数所 得 ，止推臂水平位移 由安装在止钢机 构上 的光栅 编码器测量 。 控制原理图如图5 所 示， X 1 、 2 、X 3 、为预设 定输入变量 ， 1 、 2 为输出变 量。 X 】 表 示翻 钢运动角速度设定值， X 2 V 2 表示止钢运动水平 线速度设定值 ， 3 表示止挡缸压力设定值 ， l 表示实际翻钢运动角速度， 2 表示止钢运动水 平线速度，以上变量都是时间的函数。 图5翻钢位置预设定控制原理 图 带速度一 位移补偿 的预设定控制算法方法为 止挡机构与翻转机构各 自构成 闭环回路 ，根据式 i 、 3 的预设定 函数 分别作为翻钢机构伺 服控制和止挡机 构伺服控制 的设定。速度一 位移补 偿控制器采用模糊控制算法 ，控制变量为止挡臂 与板坯 间的作用力，其设定函数为常数C，以测量 压力与设定压力的差 以及差的变 化率作为补偿控 制器 的输入 ，采用模糊控制器实现对翻钢机构伺 服控制和止钢机构伺服控制协调同步补偿。 对 于 模 糊控 制算 法 ，关 键 是模 糊规 则 的 设 计 ，下面是模糊规则 的设计过程 ，通过 以下6 个 步骤即可实现模糊控制 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 I lI5 化 图6 速度一 位移补偿控制仿真框图 1 确定输入量，此处采用压差 e和压差变化 率 作为输入变量 ； 2 模糊化，将上述输入变量进行尺度变换 ， 使其变换到各 自的论域范 围，并进行模糊处理 ， 使精确量化为模糊量 ； 3 数据库设计 ，首先输入量变换 ，再对输入 和输 出空 间进行模糊划分 ，并确定模糊集合的隶 属度函数 ； 4 构造模糊规则库，此处采用 目标评估模糊 控制规则； 5 按照模糊控制规则进行模糊推理； 6 去模糊化 ，此处采用加权平均法。 1 ．3 翻转协调同步控制的仿真分析 采用S i mu l i n k 对该系统进行了仿真， 仿真框图如 图6 所示。图7 、图8 分别是带速度一 位移补偿的预设定 控制和无速度一 位移补偿的预设定控制的仿真结果。 图7 采用速度一 位移补偿控制后压力仿真图 从 图7 、图8 看到，带速度一 位移补偿 的预设定 控制波动小 ，控制平稳 ，比无速度一 位移补偿的预 设 定控制效 果好，因此翻转控制 系统采 用此模 型 能较好的控制钢坯和止推臂 的的协调运动。 。 ’ ’ 图8 无速度一 位移补偿控制的压力仿真图 2 结论 S i mu l i n k 模拟仿真表明，应用模糊神经 网络的 预设定协调控制策略 ，可有效的提 高翻转机构协 调 同步能力，保障机构运行平稳、振动小 、动态 跟随性能好、定位准确，满 足高牌号取 向硅钢生 产对板坯表面质量的要求。 参考文献 【 1 ]张卫 强． 步进式加 热炉机 械设 备概述 【 中国科技 纵横 ， 2 0 1 3 1 3 7 1 ． 【 2 ]杨思宇， 王津津， 李 秀喜． 基于模糊神经网络的 自适应控制 系统的设计【 J 】 ． 计算机与应用化学， 2 0 1 l ， 2 8 6 7 0 9 7 1 2 ． [ 3 ]乔维德． 基于模糊神经网络算法的交流伺服系统 DS P控 制[ J ] ． 电气传动 自动化， 2 0 1 2 ， 4 5 ． [ 4 】胡娟， 王振种， 王福忠． 基于模糊神经网络的重介质悬浮液 的密度和液位 的控制【 J J ． 中国煤炭， 2 0 1 2 ， 3 8 2 8 8 9 1 ． [ 5 】 S h i h K S ， Li T H S ， Ts a i S H． Ob s e r v e r b a s e d a d a p t i v e F NN c o n t r o l o f r o b o t ma n i p u l a t o r s P S 0一 S A s e l f a d j u s t me mb e r s h i p a p p r o a c h [ C ] ／ ／ F u z z y S y s t e ms F UZ Z ， 2 0 1 1 I E EE I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n ． I EE E， 2 01 1 1 8 5 2 1 8 5 9 ． 【 6 ]靖固， 刘璐杨， 于晓洋．基于F P GA多变量模糊神经网络控 制器设计[ J 】 _ 哈尔滨理工大学学报， 2 0 1 1 ， 1 6 2 4 4 4 8 ． 第3 6 卷第1 期2 0 1 4 0 1 上 [ 8 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m