基于PID的中頻加熱彎管機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究

馮曉 嚴(yán)靜 樊占全

摘 要：針對(duì)中頻加熱彎管機(jī)在溫度控制過程中溫度波動(dòng)范圍大、干擾源多等問題，本文對(duì)中頻加熱彎管機(jī)的加熱系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了加熱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并將PID控制技術(shù)引入中頻加熱彎管機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PID控制技術(shù)的引入確保了中頻加熱溫度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和彎管質(zhì)量的高水平。

關(guān)鍵詞：溫度控制 PID 中頻加熱 彎管機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）08（b）-0098-03

在石化、電力、城建等行業(yè)，鋼管的彎曲加工有著十分廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外對(duì)大型鋼管主要采用中頻加熱彎管機(jī)進(jìn)行彎制，其加工工藝參數(shù)已有較多可參考文獻(xiàn)和比較成熟的經(jīng)驗(yàn)[1-3]，但彎管工藝對(duì)鋼管的加熱速度和溫度都有較高要求，如果控制不當(dāng)將引起鋼管的開裂、褶皺、橢圓化等缺陷[4-5]?；诖耍疚膶?duì)中頻加熱彎管機(jī)的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，并將PID調(diào)節(jié)引入溫度控制系統(tǒng)中，以確保中頻加熱溫度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和彎管的高質(zhì)量。

1 中頻加熱彎管機(jī)的工作原理

中頻加熱彎管機(jī)的總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由機(jī)械裝置、中頻加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等組成。其基本過程是：中頻加熱系統(tǒng)采用感應(yīng)加熱方法對(duì)鋼管待彎部分中的極窄區(qū)域進(jìn)行局部加熱至塑性狀態(tài)，同時(shí)液壓機(jī)構(gòu)沿鋼管軸向施加推力，鋼管在4個(gè)滾輪夾持下沿推力方向運(yùn)動(dòng)，但軸心固定的機(jī)械轉(zhuǎn)臂限制了鋼管的直線運(yùn)動(dòng)，迫使鋼管在加熱部分繞機(jī)械轉(zhuǎn)臂的軸心發(fā)生彎曲，感應(yīng)加熱線圈的位置相對(duì)機(jī)床是固定的，所以在推力的作用下鋼管發(fā)生變形的部分逐漸移出加熱區(qū)，并被強(qiáng)迫冷卻。加熱、推彎和冷卻過程的連續(xù)進(jìn)行即可實(shí)現(xiàn)鋼管彎制[6-7]。

由中頻加熱彎管機(jī)的工作原理可知，中頻加熱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是整個(gè)彎管機(jī)的核心系統(tǒng)，其中，中頻加熱系統(tǒng)對(duì)鋼管加熱溫度的控制，直接關(guān)系著鋼管的彎曲效果，如果控制不當(dāng)將引起鋼管的開裂、褶皺、橢圓化等不利情況，因此，本文將重點(diǎn)研究中頻加熱彎管機(jī)的加熱控制系統(tǒng)，以保證彎管質(zhì)量。

2 中頻加熱系統(tǒng)溫度控制設(shè)計(jì)

2.1 中頻加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中頻加熱系統(tǒng)主要由中頻電源、中頻淬火變壓器、感應(yīng)線圈等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)的加熱原理為：當(dāng)感應(yīng)線圈中流過一定頻率的交流電流時(shí)，將產(chǎn)生相同頻率的交變磁通，交變磁通又在鋼管中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而形成感應(yīng)電流，產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)鋼管的加熱。在中頻加熱彎管過程中，應(yīng)保持加熱溫度的穩(wěn)定，故本文將采用單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中頻加熱彎管機(jī)的溫度控制。

2.2 溫度保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文在給定輸出功率保持穩(wěn)定，液壓推管保持系統(tǒng)給定速度下，溫度控制系統(tǒng)為使溫度能夠抗干擾并保持在允許范圍內(nèi)，將采用PID的溫度調(diào)節(jié)控制器，克服溫度干擾多等因素，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到較高的溫度控制精度。其溫度調(diào)節(jié)閉環(huán)控制原理如圖3所示。

2.2.1 溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

式中，u（t）為PID調(diào)節(jié)器的輸出值；e（k）為系統(tǒng)第k次采樣時(shí)給定溫度與實(shí)測溫度之間的偏差值；KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)。

為了執(zhí)行PID控制得到良好的控制結(jié)果，就必須求得適合于控制對(duì)象的各參數(shù)的最佳值。本文采用擴(kuò)充臨界比例度法選擇PID參數(shù)，其具體步驟如下。

（1）選擇一個(gè)合適的采樣周期T，控制器作純比例KP控制。

（2）調(diào)整KP，使系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下相應(yīng)的臨界振蕩周期Tr和臨界振蕩增益KPS。

（3）選擇合適的控制度。

（4）根據(jù)控制度查表1[8]，即可求出T、KP、KI、KD，從而根據(jù)積分系數(shù)KI=KPT/TI，微分系數(shù)KD=KPTD/T求出KI、KD。

3 結(jié)果與分析

給定上述設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)常量，如鋼管的加熱溫度T=950±20℃，η=0.7，C=0.46×103J/（kg·℃），m=17.4kg，Ii=1200A，=0.001，并根據(jù)表1中的經(jīng)驗(yàn)值對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行Matlab整定仿真，通過對(duì)仿真的PID參數(shù)進(jìn)行二次整定，可得KP=0.7，KI=2.2，KD=0時(shí)，溫度控制符合（950±20）℃要求，其溫度控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示，圖中過渡過程為2.5s，超調(diào)量為0，溫度控制范圍最大波動(dòng)為15℃。

根據(jù)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線檢測外徑1016mm的鋼管在950℃彎制90°時(shí)的數(shù)據(jù)，如表2所示，表2記錄了10s內(nèi)的時(shí)間、溫度、速度、中頻電壓、中頻電流、中頻功率等數(shù)據(jù)。從檢測數(shù)據(jù)可看出控制系統(tǒng)能夠使溫度上下波動(dòng)的范圍控制在±10℃內(nèi)，且溫度隨速度變化而做出調(diào)整，滿足實(shí)際控制要求。

4 結(jié)語

本文對(duì)彎管機(jī)控制系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，然后根據(jù)具體參數(shù)得到了溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并在溫度控制系統(tǒng)中引入PID控制算法，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于PID中頻加熱彎管機(jī)溫度控制系統(tǒng)的可行性，保證了彎管的溫度誤差控制在指定的溫度范圍以內(nèi)。

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