三辊轧管机同步控制的研究

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【摘要】采用PID控制方法，以实现三辊轧管机转速同步为目标，设计了基于西门子S7-300PLC直流电机调速系统，经过在轧管系统中的试运行表明，该方案响应迅速，动态同步误差小，能较好地满足被控对象对高精度同步控制的要求，并在实验平台上获得了较好的控制效果。

【关键词】同步控制;PID控制;PLC

Abstract：This paper present revolving speed control system of three rollers synchronous，using PID Control，designing DC motor speed control system of Siemens S7-300PLC，the operationing of three rollers synchronous system indicating that this project response quickly，Dynamic synchronous’error is small，the purpose that improved the control accuracy of synchronouscontrol system can be achieved.The controlling effect is good in the experimental platform.

Keywords：Revolving Speed Control;PID Control;PLC

1.引言

同步控制问题在造纸机、连轧管机等多变量控制系统中广泛存在，在多变量控制的实践中，很多场合需要各受控量的控制过程相互配合，使整个系统处在技术上合理、经济上合算的协调工作状态中。例如，在热连轧设备中，要保证带钢的精度和质量，要求轧制设备的轧辊速度相同或满足一定的速度比。多台电机的同步控制问题直接影响系统的可靠性和控制精度。多电机协调控制是制造与生产过程中的常用控制方式，其中有的要求多台电机的轴严格同步传动，如门型吊车、水闸闸门;有的要求多台电机转角或速度的比值按一定规律连续变化，如造纸机、塑料薄膜机。多电机同步结果的好坏，直接影响产品质量及生产效率。无缝钢管的生产工艺包括轧前准备、加热、轧制、精整等环节。其中，轧制过程中轧管是将穿孔后得到的毛管景轧辊工序轧制成荒管。轧管机的性能直接影响到荒管的质量。三辊轧管机也称阿塞尔轧机，主电机传动采用了单辊传动方式，即每一个轧辊都是由一台单独电机驱动，这就要求三台电机转速同步，保证三个轧辊转速同步。文献[1-2]以PQF机组为研究对象，机组的传动控制系统采用了意大利公司自行设计的三辊同步转矩平衡控制器。文献[3]通过介绍自动化控制技术在钢管轧机中的应用，论述了轧管机的角度和速度同步控制技术。文献[4]针对多电机同步控制系统的控制精度问题，在分析电机同步控制的算法基础上，设计了具有自学习，自适应能力的神经元PID控制器。

2.三辊轧管机的工艺原理

无缝钢管轧制工艺过程为：管坯加热炉加热管坯，管坯经过穿孔机穿孔，得到毛管，毛管轧制是生产钢管的主要变形工序，作用是消除毛管在穿孔过程中，产生的纵向壁厚不均，同时提高荒管内外表面质量。延伸机将穿孔机穿出的空心毛管轧成接近成品管壁厚的荒管，张减机组实现大范围减径和减壁，同时备有可调式精轧机架。

三辊轧管机是重要的金属变形机构，三辊轧管机采用带芯棒的斜轧方式，其主要功能是对穿孔后毛管完成二次斜轧延伸。三个轧辊绕钢管轴线等距离互成120。，与芯棒构成一个相对封闭的环形孔，三个轧辊同向旋转，轧管时芯棒限动，速度可控，有利于轧件的均匀变形和轧辊的均匀磨损。三辊轧管机采用单辊传动方式，即每一个轧辊都是由一台单独电机驱动。该轧机中的每一机架的三个轧辊都由三立电机驱动，相应地减速机也是三台。

三辊轧管机[5-6]采用刚性轧辊，减小了轧制时轧辊的弯矩，由此可以轧制超薄壁管，速度同步精度的提高使钢管尾端的飞翅大大减小，金属变形均匀，稳定，在轧制过程中因不均匀变形所引起的裂孔、拉凹缺陷已基本消除，这使热轧更薄壁厚的钢管成为可能。

3.三辊电机同步控制技术

3.1 多电机同步控制系统主要控制目标

目前，多电机同步控制系统[7]主要控制目标包括转速同步、位置同步、转矩同步等。其中转速及位置同步的研究较多，基于不同的控制结构，同步控制策略主要有交叉耦合同步控制，这种方法旨在解决多轴运动中由于外界干扰导致各轴动态特性不匹配问题而提出的一种同步反馈控制，其核心思想是通过耦合作用和控制相对运动参数实现同步控制，但是系统的同步精度不能够得到保证;并行控制是一种基于同一定值控制的并联运行方式，并行式适用于每个单独系统的控制目标基本一致的情况;基于补偿原理的控制方法，这种方法以前一台电机的转速输出作为下一台电机的速度给定，比较主动电机和从动电机的转速，其差值经补偿器加到从动电机的控制输入端，电机间的速度协调关系由同步系数决定，但是这种控制策略比较适用于两台电机的同步控制;主从控制是一种基于跟踪随动原理的串联运行方式，本文采用主从控制，以其中一台电机的转速输出作为其他的速度给定，电机之间的速度同步比例关系由同步系数决定。在这种控制下负载或者速度参考指令的变化都会对从轴产生影响，但是从轴的负载扰动和转速的变化对主轴不会产生影响，并且大大增强了其控制策略的稳定性。本系统中把M1电机转速输出值作为参考值，当超调量大于5%时，M2，M3作为从动电机，跟随M1电机速度的变化而变化，从而达到同步控制的目的。三辊电机同步控制原理框图如图2-1所示。

图2-1 三辊电机同步控制原理图

3.2 三辊电机同步控制系统的仿真

本文以三辊轧管机的主传动控制系统为研究对象，搭建三台电机同步控制系统的Matlab环境下的Simulink仿真程序。此处，三辊轧管机额定功率为2400W的直流电机。电机调速系统为双闭环调速，其中电流控制器参数为kp=20，ki=5，kd=0，转速控制器参数为kp=10，ki=1，kd=0，采样时间t=0.01s。同步误差曲线如图2-2所示。本文设定在1s时给定发生变化，给定转速从100r/min 跳变到150r/min，超调量σ=±5%，第一、二、三台电机无论是在启动过程中具有较快的动态响应速度，在阶跃的调速过程中也具有良好的抗干扰力。

图2-2 电机M1、M2、M3启动、阶跃时的仿真曲线

在实际系统运行中，很容易发生负载扰动现象，一台电机或者几台电机负载突然增大。从图2-3可以看出，当三台电机的负载转矩同时在t=1.4s时，从10N・m突变到20N・m，系统响应速度快，抗干扰能力强。

图2-3 电机M1、M2、M3启动、负载突变时的仿真曲线

4.三辊轧管机主传动控制系统

4.1 三辊轧管机主传动控制系统硬件部分

三辊轧管机主传动控制系统硬件部分以PLC为中央控制器，采用SIMOREG DC Master 6RA70系列整流装置[8]，通过传感器来实时监测能反应系统运行状态的物理量，并将这些检测到的信号送入PLC中来构成负反馈自动控制系统，光电编码器与直流电动机同轴安装，检测直流电机的转速，得到与速度成正比的模拟量电压信号，送入PLC中进行处理，转速给定信号与转速测量信号相减得到偏差信号，通过PLC的PID功能指令，得到PID控制器输出，PID控制器输出作为可控硅直流调速装置相应开关管的导通和关断，从而控制加在直流电机电枢上的电压，实现直流电机的调速。控制系统框图如图3-1所示。

图3-1 控制系统框图

4.2 PLC控制系统程序设计

三台电机同步控制初始化程序：

图3-2以一台电机为例进行说明：控制系统采用西门子S7―300PLC[9][10]作为控制器，基于PID算法对直流电机的调速[11]进行了程序设计，实现对直流电机的调速。由于在西门子S7―300PLC中，已经集成了PID模块，在编程过程中只需调用PID模块，对其设置好参数即可。

图3-2 一台电机给定速度与反馈速度的差与比较

图3-2中，DB21.DBD 0为给定速度，DB21.DBD 10为反馈速度，DB21.DBD 20为速度误差，减法指令将运算结果存入DBD21.DBD20，ENO≠0的条件是有转速误差，在S7-300比较指令中的处理是直接比较两个存储器的数据，以上条件满足，输出信号为1，程序完成比较功能，M0.0执行PID调节。

表3-3 实验平台测得数据

给定速度 +1500.000rpm

有同步的反馈速度 -1500.916 -1500.090 -1500.458

无同步的反馈速度 -1600.140 -1400.792 -1500.549

表3-3为实验测得的数据。通过两种调节方式实验数据的对比，不难看出PID控制比一般的控制方式鲁棒性强，PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于掌握，许多工业回路中对控制快速性和控制精度要求高，重视系统的可靠性，使用PID控制能获得较高的性价比，原理简单，使用方便。

5.结论

三辊电机同步控制方式很多，但PID控制仍在各种工业控制技术中占据主导地位，本文在调试轧管机控制系统时，出现了设计时没有考虑到的控制问题，通过添加少量的硬件资源和通过PLC编程及调试，使得问题一一解决。系统实际运行表明：轧管实验平台控制系统，实用可行。从而使得系统造价低廉，可在同类系统中推广使用。

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