基于遺傳算法的無(wú)頭軋制技術(shù)閃光焊機(jī)行走系統(tǒng)

王 睿 ，張軍偉 ，孫立雄，高忠林

（1.河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.天津七所高科技有限公司，天津 300409）

0 前言

1 無(wú)頭軋制技術(shù)閃光焊機(jī)行走系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

無(wú)頭軋制技術(shù)中，鋼坯一直以恒定的速度向前運(yùn)行，即便是焊接過(guò)程中，鋼坯的運(yùn)行速度也不改變。閃光焊機(jī)的運(yùn)行速度相對(duì)復(fù)雜，分為四個(gè)階段[4]。

（1）鋼坯一直以恒定的速度向前運(yùn)行，當(dāng)鋼坯1運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置，閃光焊機(jī)由預(yù)先設(shè)定的位置啟動(dòng)并加速向前運(yùn)行，直至與鋼坯1的運(yùn)行速度相同。

（2）當(dāng)閃光焊機(jī)與鋼坯運(yùn)行速度相同，一旦鋼坯2到達(dá)夾送輥（加熱爐出口處），鋼坯頭部（距端頭1.5 m內(nèi)）經(jīng)除鱗裝置除鱗后，被迅速送入閃光焊機(jī)夾具中，當(dāng)鋼坯2的頭部到達(dá)焊機(jī)設(shè)定位置時(shí)，鋼坯2隨焊機(jī)與鋼坯1同步運(yùn)行。安裝在閃光焊機(jī)上的夾緊液壓缸動(dòng)作，夾緊鋼坯1的尾部和鋼坯2的頭部，同時(shí)進(jìn)行對(duì)中調(diào)整。閃光焊接開(kāi)始，焊接變壓器自動(dòng)接通，兩鋼坯端面間通過(guò)大電流，鋼坯端部開(kāi)始燒化，燒化一定時(shí)間后，頂鍛系統(tǒng)就會(huì)以較大的力（即頂鍛力）將兩鋼坯熔化的端面相互壓緊，對(duì)焊在一起。焊接過(guò)程結(jié)束，安裝在夾鉗中間的毛刺清理裝置就會(huì)清除鋼坯焊縫區(qū)的所有毛刺，使鋼坯表面恢復(fù)原形。毛刺清除后，夾鉗打開(kāi)，鋼坯以設(shè)定的速度繼續(xù)向前運(yùn)行。

圖1 焊機(jī)工作的步驟和相應(yīng)的速度位移曲線(xiàn)Fig.1 Welding machine operating steps and corresponding curves of speed and displacement

（3）閃光焊機(jī)開(kāi)始減速，直至速度降低為零。

（4）焊機(jī)反方向加速，加速一定時(shí)間，開(kāi)始反方向減速，當(dāng)速度再次降低到零時(shí)，焊機(jī)回到初始位置。

無(wú)頭軋制技術(shù)中，鋼坯和閃光焊機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)如圖1所示。

在整個(gè)焊接過(guò)程中，焊機(jī)的最大行程為6.1 m，鋼坯的前進(jìn)速度為0.24 m/s。

實(shí)訓(xùn)分級(jí)階梯式遞進(jìn)（虛擬仿真、影像體模、真人訓(xùn)練、崗前驗(yàn)收），從適用崗位任職需求的虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)軟件模擬訓(xùn)練著手、配合配套的操作手冊(cè)和實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)、訓(xùn)練基本達(dá)標(biāo)以后進(jìn)入影像體模訓(xùn)練、最后實(shí)施真人體驗(yàn)式訓(xùn)練，直至通過(guò)課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成考核。進(jìn)入臨床實(shí)習(xí)前再由臨床專(zhuān)家完成實(shí)習(xí)前實(shí)訓(xùn)操作驗(yàn)收程序，合格后方可進(jìn)入臨床實(shí)習(xí)。學(xué)校實(shí)訓(xùn)教學(xué)對(duì)接行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)核心技能的培養(yǎng)。

2 無(wú)頭軋制技術(shù)閃光焊機(jī)行走系統(tǒng)組成

閃光焊機(jī)行走系統(tǒng)等效力學(xué)模型如圖2所示。交流伺服電機(jī)經(jīng)減速比為20∶1的減速器減速，減速器驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒條通過(guò)齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)焊機(jī)沿水平移動(dòng)，閃光焊機(jī)水平移動(dòng)速度的調(diào)整由變頻器實(shí)現(xiàn)。在建模分析中忽略了電機(jī)與減速器間扭轉(zhuǎn)剛度影響。在減速器的輸出，由于軸頭比較長(zhǎng)，與驅(qū)動(dòng)齒輪間又采用了平鍵聯(lián)接，并且軸頭傳遞扭矩比較大，在建模中考慮減速器輸出軸頭剛度[5]。

變頻器數(shù)學(xué)模型

式中 f1為變頻器電源頻率；uc為變頻器控制電壓；u1為電機(jī)定子相電壓；Kv為變頻器頻率電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)；b為變頻器低頻補(bǔ)償電壓。

電機(jī)傳動(dòng)數(shù)學(xué)模型

式中 Jel為電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θm為電機(jī)軸轉(zhuǎn)速；mp為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Ra為電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)折算電阻；Bm為電機(jī)軸阻尼系數(shù)；i為減速器傳動(dòng)比；θL為驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速；k為速器輸出軸頭剛度的系數(shù)。

圖2 閃光焊機(jī)行走系統(tǒng)等效力學(xué)模型Fig.2 Equivalent mechanics model of moving system of flash butt welding

式中 FL為焊機(jī)負(fù)載力；Ff為焊機(jī)受到的庫(kù)倫摩擦力和靜摩擦力；BL為焊機(jī)平移阻尼系數(shù)；v為焊機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度；r為驅(qū)動(dòng)齒輪分度圓半徑。

式中 Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ja為聯(lián)軸器上的折算慣量；Js為減速器上的折算慣量。

式中 Jp為驅(qū)動(dòng)齒輪上的折算慣量；m為焊機(jī)的質(zhì)量。

為了降低模型的復(fù)雜程度，忽略變頻器的低頻補(bǔ)償特性，并默認(rèn)變頻器工作在恒壓頻比狀態(tài)，則式（1）可改寫(xiě)為

建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型為

3 基于遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的閃光焊機(jī)移動(dòng)控制策略和仿真分析

根據(jù)焊機(jī)在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)鋼坯進(jìn)行焊接的工藝特點(diǎn)，焊機(jī)的傳動(dòng)控制可分成兩個(gè)獨(dú)立的控制模式，即位移控制模式和速度控制模式。位移控制模式用于實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的加速、減速返回、復(fù)位和待機(jī)。速度控制模式主要實(shí)現(xiàn)焊機(jī)對(duì)前一根（即正在被軋制）鋼坯的快速追趕和隨鋼坯同步運(yùn)動(dòng)。

由于焊機(jī)質(zhì)量較大，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在著齒側(cè)間隙，焊機(jī)的運(yùn)動(dòng)存在著庫(kù)倫摩擦、靜摩擦和粘性阻尼。因此，焊機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的大慣量、非線(xiàn)性系統(tǒng)。另外，在軋制過(guò)程中，鋼坯的運(yùn)動(dòng)速度有波動(dòng)現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)的PID控制很難滿(mǎn)足焊機(jī)在線(xiàn)同步跟蹤和抗干擾等性能的要求。本研究設(shè)計(jì)了基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括四個(gè)部分。

（1）經(jīng)典PID控制器：直接對(duì)被控對(duì)象閉環(huán)控制，并且三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd為在線(xiàn)調(diào)整。

（2）GA尋優(yōu)模塊：對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值學(xué)習(xí)優(yōu)化。

（3）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，以期達(dá)到性能指標(biāo)優(yōu)化。

圖3 基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自學(xué)習(xí)PID控制器Fig.3 The adaptive PID control system based on neural network and GA

（4）RBF辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)：被控對(duì)象的在線(xiàn)辨識(shí)器，可以動(dòng)態(tài)地觀(guān)測(cè)對(duì)象的輸出對(duì)控制輸入的靈敏度信息。

采用了遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID復(fù)合控制策略，其控制框圖如圖4所示。

圖4 閃光焊機(jī)同步控制框圖Fig.4 Synchronous control diagram of FBW machine

通過(guò)仿真，BP網(wǎng)絡(luò)權(quán)初值經(jīng)GA優(yōu)化后和網(wǎng)絡(luò)權(quán)初值沒(méi)有經(jīng)過(guò)GA優(yōu)化后的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)BP網(wǎng)絡(luò)權(quán)初始值未經(jīng)過(guò)GA尋優(yōu)時(shí)，輸出超調(diào)量較大；網(wǎng)絡(luò)權(quán)初值經(jīng)過(guò)GA優(yōu)化后，輸出超調(diào)幾乎為零，調(diào)節(jié)時(shí)間短。從控制效果圖來(lái)看，經(jīng)過(guò)GA優(yōu)化的曲線(xiàn)的控制效果比未經(jīng)過(guò)GA優(yōu)化的曲線(xiàn)好，原因就是遺傳算法（GA）實(shí)現(xiàn)了多個(gè)方向上的搜索，而B(niǎo)P算法采用沿梯度下降方向的搜索算法，陷入局部最小。

4 結(jié)論

提出了一種基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方法，該算法用GA（遺傳算法）優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)的初始連接權(quán)系數(shù)，得到一組較最佳的BP網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值的參數(shù)組合，再通過(guò)BP算法，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線(xiàn)調(diào)整。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)GA對(duì)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值優(yōu)化后，閃光焊機(jī)行走系統(tǒng)的輸出響應(yīng)能夠快速的跟蹤輸入的信號(hào)，使系統(tǒng)具有精確的同步跟蹤性能。

[1]盧 寧，付永領(lǐng).鋼坯無(wú)頭軋制設(shè)備與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].新技術(shù)新工藝，2006（3）：90-92.

[2]盧 寧，付永領(lǐng).無(wú)頭軋制關(guān)鍵技術(shù)分析[J].機(jī)床與液壓.2005（4）：25-27.

圖5 系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)比較Fig.5 Comparing curve of system response

[3]孫新學(xué)，付永領(lǐng).棒材無(wú)頭軋制系統(tǒng)工藝過(guò)程分析及控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓2007，35（2）：167-171.

[4]榮 茜，孫新學(xué).閃光焊接技術(shù)在無(wú)頭軋制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].焊接技術(shù)，2007，36（4）：40-45.

[5]孫新學(xué)，付永領(lǐng).棒材無(wú)頭軋制系統(tǒng)移動(dòng)焊機(jī)的同步跟蹤控制[J].儀器儀表學(xué)報(bào)2006，27（6）：505-507.