橫切線模式飛剪控制策略研究

張飛，郭強(qiáng)，李冉影，劉東冶

（北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心，北京 100083）

1 引言

熱軋橫切線主要任務(wù)是將熱軋卷剪切成鋼板后堆垛打包，所生產(chǎn)的橫切板主要用于橋梁、造船和高精度機(jī)械設(shè)備的部件加工等行業(yè)，因此對(duì)于橫切板平直度和消除鋼板內(nèi)部應(yīng)力的要求很高。橫切線主要設(shè)備包括開(kāi)卷機(jī)、探傷儀、切邊剪、1#矯直機(jī)、飛剪、2#矯直機(jī)、噴印設(shè)備、堆垛臺(tái)、次品臺(tái)、堆垛傳輸裝置、堆垛稱重裝置和打包裝置等。

飛剪是橫切線上最重要的設(shè)備之一。飛剪的剪切精度、剪切速度、自動(dòng)化程度直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，因此對(duì)其技術(shù)要求非常高。它里面融合了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、精密機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)調(diào)速、人機(jī)工程等多種技術(shù)。模式飛剪是定尺剪切中不同于圈筒式或曲柄式飛剪的剪切裝置，主剪切機(jī)構(gòu)安裝在滑動(dòng)底座上，剪切時(shí)滑動(dòng)底座與前面的皮帶運(yùn)輸機(jī)同步達(dá)到帶鋼行進(jìn)速度，剪切完成后退回原點(diǎn)。

針對(duì)熱軋橫切線的工藝特點(diǎn)及控制要求開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)以穩(wěn)定性、可靠性、高精度控制為控制目標(biāo)，運(yùn)用先進(jìn)的控制理念，采用了最優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置，既保證了自動(dòng)化控制系統(tǒng)先進(jìn)性，又兼顧系統(tǒng)的實(shí)用性，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且系統(tǒng)具有良好的性價(jià)比[1-2]。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝流程

模式飛剪區(qū)域主要設(shè)備包括測(cè)量輥、夾送輥、帶尾夾送輥、剪切機(jī)架、皮帶運(yùn)輸機(jī)等，如圖1所示。

圖1 模式飛剪主要設(shè)備布置圖Fig.1 Main equipment arrangement of modeling shear

皮帶運(yùn)輸機(jī)安裝在飛剪的前面，配有傳動(dòng)帶來(lái)運(yùn)輸已切分的短板；還安裝有在飛剪將帶材切成板塊和飛剪剪切試樣和廢料時(shí)與飛剪橫移驅(qū)動(dòng)共同縮進(jìn)的定位電機(jī)。皮帶運(yùn)輸機(jī)的出口側(cè)和剪后輥道之間的距離是不變的，皮帶運(yùn)輸機(jī)的入口側(cè)必須與飛剪共同作前后移動(dòng)。

飛剪的上剪刃為平直剪刃，下剪刃為存在1.5°的傾斜角，機(jī)組最大工作速度為40 m/min，每min最大剪切次數(shù)為12次，最大剪切力525 t。成品板材的厚度5.0～25.4 mm，寬度830～2130 mm，長(zhǎng)度2000～16000 mm。根據(jù)客戶對(duì)板材質(zhì)量的要求，飛剪定尺剪切的誤差需控制在正公差10 mm之內(nèi)。

在主控室設(shè)置完成后，飛剪就具有將運(yùn)動(dòng)著的帶鋼橫向剪切成定尺長(zhǎng)度的功能。因?yàn)榧羟芯€是連續(xù)運(yùn)行，所以剪切過(guò)程一定要在帶鋼運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行。為此，剪切本體可以前后滑行。變頻調(diào)速電機(jī)通過(guò)飛輪驅(qū)動(dòng)主剪切機(jī)構(gòu)。變頻調(diào)速電機(jī)通過(guò)一個(gè)減速齒輪箱和一個(gè)齒條驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)底座往復(fù)運(yùn)動(dòng)。變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)移動(dòng)，并且控制其運(yùn)行速度與剪座同步。傳送帶再輸送剪切下的鋼板。

進(jìn)入剪切線的向前運(yùn)動(dòng)著的鋼帶，以設(shè)定速度通過(guò)位于輔助夾送輥裝置和剪切線前的測(cè)量輥裝置（剪前夾送輥和其出口夾送裝置）。帶鋼速度調(diào)節(jié)基于一個(gè)具有帶鋼厚度、硬度和剪切長(zhǎng)度功能描述的圖表。機(jī)架移動(dòng)電機(jī)上安裝的脈沖發(fā)送器，監(jiān)控剪切過(guò)程中與帶鋼的同步性。

通常情況下，機(jī)架位于起始位置。利用HMI終端進(jìn)入控制系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，來(lái)控制所要求剪切的鋼帶長(zhǎng)度和數(shù)量。預(yù)選剪切長(zhǎng)度到達(dá)機(jī)架啟動(dòng)位置后機(jī)架就啟動(dòng)，然后機(jī)架加速到與帶鋼速度一致，在位置控制模式下移動(dòng)到剪切位置。一旦到達(dá)所要剪切位置，剪切帶鋼。剪切過(guò)程開(kāi)始，限制剪刀架驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大約為±5%。剪座驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須用這種方法限制，在這種情況下，控制系統(tǒng)依然控制剪刀架驅(qū)動(dòng)位置最小誤差，以防止剪子可能被來(lái)料破壞。最后剪刃離開(kāi)鋼板便返回初始位置。

刀架的剪切運(yùn)動(dòng)是通過(guò)曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從下往上運(yùn)動(dòng)。曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)減速齒輪、萬(wàn)向接軸、氣動(dòng)離合器、飛輪及皮帶與電機(jī)相連，如圖2所示。在下死點(diǎn)位置，彈簧力作用使制動(dòng)器閉合，剪子停止運(yùn)動(dòng)。在剪切過(guò)程中，帶材始終被支撐著，4個(gè)液壓缸預(yù)先加載給支撐裝置一個(gè)必需的反向壓力，此反向壓力大致保持不變，液壓系統(tǒng)的壓力為9.5～10 MPa。

圖2 刀架的剪切運(yùn)動(dòng)Fig.2 Cutting movement of knife saddle

剪前夾送輥負(fù)責(zé)將帶頭喂入飛剪并盡可能遠(yuǎn)的壓住帶尾。在自動(dòng)程序中夾送輥是一直工作的，這樣可以防止帶鋼飄起來(lái)，同時(shí)將剪架歸位時(shí)的反饋誤差降到最低程度。

皮帶運(yùn)輸機(jī)的出口側(cè)和剪后輥道之間的距離是不變的。在飛剪將帶材切成定長(zhǎng)的板材時(shí)，皮帶運(yùn)輸機(jī)的入口側(cè)必須與飛剪共同作前后移動(dòng)。

3 控制策略

3.1 剪切過(guò)程分析

飛剪的控制系統(tǒng)分為3個(gè)方面：一是剪刃位置控制；二是機(jī)架橫移位置控制；三是飛剪機(jī)架與皮帶運(yùn)輸機(jī)的速度控制。本文的目的是提高飛剪的定尺剪切精度，故主要研究機(jī)架橫移位置控制。

機(jī)架橫移由變頻器調(diào)速電機(jī)控制，當(dāng)?shù)玫絾?dòng)命令時(shí)，機(jī)架均加速到帶鋼的運(yùn)行速度，并保持這一速度與帶鋼同步運(yùn)行，此時(shí)離合器與剪切動(dòng)作的電機(jī)結(jié)合，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成剪切，機(jī)架均減速到零，然后反向運(yùn)動(dòng)到初始位置，等待下一次剪切。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度，同步速度，以及反向全速運(yùn)行時(shí)間受來(lái)料速度限制，行程受齒條長(zhǎng)度限制，一般在1000 mm之內(nèi)。飛剪的電氣控制即保證在有限距離內(nèi)完成高精度的定位控制，其速度變化示意圖如圖3所示。圖3中的加速度，同步運(yùn)行時(shí)間，反向加速度需要計(jì)算確定。

圖3 飛剪速度變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of speed changing of flying shear

1）曲軸運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，即飛剪與帶鋼同步運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。曲軸運(yùn)動(dòng)由電機(jī)、氣動(dòng)的制動(dòng)器和離合器配合，驅(qū)動(dòng)曲軸運(yùn)動(dòng)完成剪切動(dòng)作。電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)離合器和制動(dòng)器的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)剪切動(dòng)作。通過(guò)設(shè)置延時(shí)時(shí)間t′實(shí)現(xiàn)離合器和制動(dòng)器的控制。剪切驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定速度為N，減速比為i，剪切完成的角度為270°，剪切驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)一周為360°，飛剪與帶鋼同步時(shí)間為t1：

2）飛剪啟動(dòng)時(shí)的加速度。規(guī)定飛剪在內(nèi)加速到帶鋼的速度，即飛剪在帶鋼通過(guò)剪刃距離為l時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)，此時(shí)，帶鋼以vplant繼續(xù)前進(jìn)，飛剪以勻加速前進(jìn)，當(dāng)vshear=vplant時(shí)，飛剪停止加速。因此加速度由帶鋼速度決定，理想狀態(tài)下飛剪的加速度a1以及加速過(guò)程的時(shí)間t0為

3）飛剪勻減速和返回初始位時(shí)的加速度。此加速度由飛剪的正向加速距離，同步剪切運(yùn)動(dòng)的距離以及機(jī)架橫向移動(dòng)行程決定。飛剪勻減速的距離S2為

式中：S為機(jī)架橫向移動(dòng)行程；k取0.85～0.95，為特殊情況預(yù)留余量，保證設(shè)備安全；S0為飛剪加速到帶鋼速度時(shí)的位移；S1為飛剪與帶鋼同步運(yùn)行時(shí)的位移，S1=vplant-max·t1；vplant-max為全線最高速度。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知，飛剪勻減速時(shí)和返回初始位時(shí)的理想加速度a2為

由理想加速度和生產(chǎn)線額定速度可計(jì)算出帶鋼減速到零速的運(yùn)行時(shí)間為t2=vplant-max/a2。

圖4所示為機(jī)架運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖。

圖4 機(jī)架運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic diagram of frame movement

4）機(jī)架移動(dòng)過(guò)程中帶鋼通過(guò)飛剪剪刃的距離。帶鋼勻速運(yùn)行，確定機(jī)架運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是關(guān)鍵。為了保證機(jī)架盡快回到初始位，機(jī)架返回初始位時(shí)的速度變化規(guī)律為：勻加速-勻速-勻減速，其中勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度為機(jī)架橫向移動(dòng)的額定速度vshear-max。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，可確定出勻加速時(shí)間t3和勻減速時(shí)間t5相等，即

機(jī)架勻加速距離S3和勻減速距離S5相等，整理得：

因此機(jī)架勻速運(yùn)動(dòng)的距離：

由此計(jì)算勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：

綜上所述，機(jī)架運(yùn)動(dòng)完成需要的時(shí)間為：t=∑ti，i=5，則得到帶鋼在此過(guò)程中通過(guò)飛剪的距離為l：

橫切線的飛剪需要根據(jù)客戶需求確定剪切長(zhǎng)度，因此判斷成品目標(biāo)長(zhǎng)度與機(jī)架橫移運(yùn)動(dòng)的制約關(guān)系：Lmin≥l+S0，對(duì)以上參數(shù)設(shè)置進(jìn)行修正。Lmin為最小成品目標(biāo)長(zhǎng)度。

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

在控制算法的設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合以前的經(jīng)驗(yàn)，采用基于卡爾曼濾波器的APC（automatic po?sition control）系統(tǒng)，并結(jié)合基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛剪精度補(bǔ)償算法來(lái)提高剪切精度。

3.2.1 采用基于卡爾曼濾波器的APC系統(tǒng)

典型的模式飛剪APC系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為[3]

離散化后滿足下面離散域線性系統(tǒng)：

式中：A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B為輸入矩陣；C為測(cè)量矩陣；x(k)為狀態(tài)信號(hào)；yv(k)為測(cè)量信號(hào)；u（k）為控制信號(hào)；w(k)為控制干擾；v(k)為測(cè)量噪聲。

離散卡爾曼濾波器遞推算法為[4]

式中：Q，R分別為w(k)與v(k)的協(xié)方差；Mn(k)為卡爾曼增益；P(k)為x(k)的協(xié)方差；ye(k)為濾波后的信號(hào)。

誤差的協(xié)方差為

圖5為基于卡爾曼濾波器的液壓APC系統(tǒng)示意圖。

圖5 基于卡爾曼濾波器的液壓APC系統(tǒng)Fig.5 Hydraulic APC system based on Kalman filter

3.2.2 采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛剪精度補(bǔ)償

影響飛剪精度的因素比較多，選取其主要因素：帶鋼厚度H，定尺長(zhǎng)度L，屈服強(qiáng)度σs（Mpa），生產(chǎn)線速度v，刀座起始位置P，剪切誤差δ，帶鋼寬度B，剪刃間隙γ，共8個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層神經(jīng)元。隱層根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取15個(gè)神經(jīng)元，輸出層為飛剪精度補(bǔ)償值Δ。為了使模型能夠滿足盡可能多規(guī)格的需要，采集了60個(gè)規(guī)格的500組數(shù)據(jù)作為模型樣本，其中400組作為訓(xùn)練樣本，剩余100組數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途取２糠盅a(bǔ)償精度樣本數(shù)據(jù)如表1所示。

把檢驗(yàn)樣本帶入到訓(xùn)練完成的網(wǎng)絡(luò)中對(duì)精度補(bǔ)償值預(yù)測(cè)并與期望值進(jìn)行比較，得到模型預(yù)測(cè)值與期望輸出值完全吻合，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得知0.01 mm內(nèi)的命中率同樣為100%。處理時(shí)間為0.096999 s，驗(yàn)證了該模型應(yīng)用于模式飛剪精度補(bǔ)償?shù)目尚行院蜏?zhǔn)確性。

表1 部分飛剪精度影響因素測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Parts of measured data of influencing factor of flying shear cutting precision

3.3 控制系統(tǒng)配置

軋制控制系統(tǒng)主要由L2/L1軟硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、HMI、操作臺(tái)和儀表系統(tǒng)組成，根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外橫切線自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用狀況，結(jié)合本生產(chǎn)線實(shí)際工藝要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。圖6所示為橫切線自動(dòng)化系統(tǒng)示意圖。圖6中DEV，IBA，PCS，HDS，HMIS，HMI分別表示開(kāi)發(fā)終端、IBA公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過(guò)程控制服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、人機(jī)界面服務(wù)器、人機(jī)界面。S7-300，S7-400為西門子不同級(jí)別的控制器，F(xiàn)M458構(gòu)架于S7-400內(nèi)，在享用SIEMENS高性能的S7-400系統(tǒng)的同時(shí)，還具有高等級(jí)的SI?MADYN D的實(shí)時(shí)性能。采用模板EXM438來(lái)擴(kuò)展FM458的外部接口，F(xiàn)M458可以執(zhí)行多種高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用。

圖6 自動(dòng)化系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of automation system

4 控制效果與結(jié)論

邯鋼2#橫切機(jī)組的飛剪為曲柄模式飛剪。在調(diào)試過(guò)程中，利用PID算法控制，以27 m/min的速度模擬剪切厚度為10 mm、寬度為1700 mm、定尺長(zhǎng)度為6000 mm的鋼板，其給定速度和實(shí)際速度的曲線如圖7a所示；改為模糊PID控制后，其相同情況下實(shí)際剪切過(guò)程中的速度曲線如圖7b所示。比較可知，模糊PID控制下，設(shè)定速度和實(shí)際速度的跟隨良好，從IBA曲線觀察可得延時(shí)時(shí)間為13 ms左右。系統(tǒng)以40 m/min的額定速度運(yùn)行，13 ms的延時(shí)可以產(chǎn)生8.7 mm的誤差，在+10 mm的允許誤差范圍之內(nèi)。針對(duì)延時(shí)造成的誤差，得到一條分段曲線對(duì)定尺長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償即可。

圖7 優(yōu)化前后機(jī)架運(yùn)動(dòng)曲線比較Fig.7 Comparison of movement curves before and after optimization

定尺精度是橫切機(jī)組產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要因素。針對(duì)橫切機(jī)組中飛剪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，利用基于卡爾曼濾波器的APC系統(tǒng)及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛剪精度補(bǔ)償相結(jié)合的方式對(duì)飛剪的位置控制模型進(jìn)行優(yōu)化，使其具有良好的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性，在實(shí)際生產(chǎn)中，保證定尺精度，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求。

［1］薛福珍，田貴賓，王海明，等.小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.控制工程，2006，13（6）：499-501.

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