分段PID在雙反饋板帶材糾偏系統中的應用

程軍周，劉渭苗，崔衛華，任玉成

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

由于受生產設備及帶鋼原材料等各種因素影響，帶鋼在運行過程中會偏離機組作業線，影響機相組穩定運行，甚至損壞機組設備。為保證帶鋼穩定地運行在生產線上，必須解決板帶材跑偏問題。因此，帶鋼運行過程中的對中控制(CPC)成為板帶材連續生產工藝和設備研究的一個重要課題［1］。在當前生產線中已經大量使用的雙反饋板帶材糾偏系統中，其輔助反饋機構反饋信號經過PI調節器疊加給控制系統，但是單純的PI調節器不能夠滿足不同機組速度下對控制系統不同動態響應的要求。本文提出了一種分段PID調節器來替代原PI調節器，該方法經過現場使用后，調節效果更好。

1 帶鋼連續處理過程的跑偏分析

影響帶材跑偏的主要因素有板形缺陷和設備精度。板形缺陷主要有:帶鋼斷面形狀、平直度、帶頭焊接不齊或者月牙剪剪切后的月牙。設備精度包括:轉向輥、張力輥和活套車的安裝精度，夾送輥壓力不均，輥子輥面摩擦系數不均勻等因素［2］。

根據跑偏理論計算公式，板帶材的跑偏速度與跑偏角和輥子的傳輸速度有關。

式中，F為跑偏量;K為跑偏系數;L為自由帶鋼長度;α為跑偏角;υα為帶鋼跑偏速度;Vk為跑偏速度系數;Vc為輥子線速度［3-4］［6］。

實際上各種輥子在長期的運行過程中由于單邊磨損大而成錐形，錐形輥使帶材張力分布不均勻，總是向粗的一端跑偏，而錐度的大小影響了跑偏速度。帶材張力波動特別是張力不足會引起帶鋼張力的強烈波動，從而造成了帶鋼運行過程中橫向跑偏。加大單位張應力可以減少張力橫向差，從而消除部分張力不均勻帶來的跑偏，也可以消除部分帶鋼彎曲和本身缺陷，使與輥子接觸的帶材橫向偏差得到消除。但是受帶材性能和工藝條件限制大單位張應力實際上是無法提供的。

2 CPC控制系統工作原理及組成

雙反饋帶材對中控制系統的基本構成如圖1所示。系統由兩個帶鋼位置測量傳感器、控制器、執行裝置和糾偏機架組成。測量傳感器由燈箱和檢測機構組成，檢測機構通過CCD圖像傳感器的感光性將檢測到的板帶兩側邊緣的圖像信號轉變為點位信息［5］。控制器將檢測到的信號與設定值進行比較與計算，將得到的控制信號傳輸給液壓伺服執行裝置。

圖1 控制系統框圖Fig.1 Block diagram of control system

雙反饋的第1個反饋點為主反饋點，因為檢測點距離糾偏輥位置比較近，所以采用直接反饋的形式。雙反饋的第2個反饋點為輔助反饋點，一般距離糾偏輥位置比較遠，當帶材在第2個反饋點處產生偏離時，依靠糾偏輥實現遠處反饋點快速糾偏就有困難。為了能保證第2個反饋點處帶材能夠實現更好的糾偏，通常給第2個反饋信號增加PI控制器，PI控制器能加快控制系統的響應速度，并且減小控制系統的穩態誤差。使得對中系統具有較好的實時性和穩態性。但PI控制器的P、I參數一旦設定就不能改變，而不同機組速度下的對中工藝參數要求又不一樣，所以必須把速度因素加進PI控制器里。分段PID調節器可以根據不同機組速度改變PID調節器的P、I、D參數，從而能夠更好地滿足機組的工藝控制要求。

3 現場應用

廣州某重卷機組如圖2所示，在2#張力輥后有一套雙反饋的CPC對中控制系統，主反饋點就在CPC糾偏輥后，而輔助反饋點位于圓盤剪前，距離CPC糾偏輥有一段距離。輔助反饋點有助于帶材中心在圓盤剪切邊時候能夠在機組中心線位置。

圖2 機組布置圖Fig.2 Arrangement diagram of recoiling straitening unit

PDA系統能夠監控生產過程中機組的現場實時數據，本文利用IBA公司的PDA產品采集并監控CPC控制系統的以下信息:主反饋點的帶材偏離中心線位置、輔助反饋點的帶材偏離中心線位置、CPC油缸浮動位置。

使用分段PID調節器對原有PI調節器進行改進，更改前后的PID參數見表1。

表1 改進前后P、I、D參數比較Table 1 Comparison of P，I，D parameters before and after modification

在機組速度較小時候，選擇較小的P參數和較大的I參數，因為此時允許CPC系統具有稍慢的響應速度，但是要求系統具有較小的超調量和較長的調整周期。這樣整個液壓系統在工作中相對平穩，并且能夠滿足圓盤剪的剪邊要求。在機組速度較大時候，需要系統具有很快的響應速度，在短時間內把對中的偏差消除在圓盤剪之前以保證圓盤剪切邊功能，甚至不惜液壓系統頻繁動作，選擇較大的P參數和較小的I參數。故把機組速度范圍分為三個區間:V≤30 m/min;30＜V＜100 m/min;V≥100 m/min。經過現場實際的調試，得到三組最優的參數，分別對應三個區間。人為使帶材偏移機組中心線10 mm，然后在不同機組速度下給出相應的PID參數，監控到的輔助反饋點處帶材回到機組中心線處的過程曲線，如圖3所示。結果證明分段PID能夠糾正不同速度下的帶材跑偏情況，能夠保證圓盤剪正常投入剪邊功能。

圖3 分段PID與普通PI控制效果對比Fig.3 Control effect contrast between piecewise PID regulator and PI regulator

由圖3可看出，當機組速度30 m/min時候，機組沒有超調量，而普通PI調節需要兩個震蕩周期，并且在運行1 m左右時候完成糾偏。當機組速度90 m/min時候，分段PID的P參數和I參數與普通PI調節相同，只是D參數使得系統減少一次震蕩周期。當機組速度210 m/min時候，分段PID響應時間更短，大約在1 m處完成糾偏，而普通PI調節器完成調整需要5 m左右距離，滿足不了圓盤剪單邊最小剪切的工藝要求。

4 結語

分段PID方法替代普通PI方法，改進了不同機組速度下的帶材糾偏方案，保證了機組圓盤剪前帶材的對中，減少了因圓盤剪不能投入剪邊產生的故障停機時間，使生產線能夠連續、穩定生產。本文根據重卷拉矯機組的實際生產工藝把機組速度分成常見的穿帶速度、低速運行和高速運行三種情況，完全滿足了重卷拉矯機組的CPC對中工藝要求。對于具有更復雜工藝的其他板帶材連續生產機組，也可以根據實際生產工藝要求，用分段PID方案分取更多的分段。甚至可以使用模糊PID方案的模糊規則使機組速度更加吻合于實際生產對CPC對中的要求。

［1］ 習中革，王永亮．立式還原退火爐爐內對中糾偏系統［J］．軋鋼，2005，22(6):29－31．

［2］ 陳勇，李天石．帶材的糾偏控制［J］．機床與液壓，2003(6):190－191．

［3］ 張強，宋念龍，王東等．一種新型CPC控制系統的設計與應用［J］．重型機械，2011(4):97－102．

［4］ 劉寧，章一樊，魯祖鳳等．CPC在冷軋帶鋼生產線上的應用［J］．安徽冶金，2006(1):40－43．

［5］ 魏志毅，劉援朝，魏維剛等．CPC系統在銅軋機中的應用及改進［J］．重型機械，2011(4):89－91．

［6］ 戴保泉，胡國平，陳仕華等．帶鋼運動過程中對中糾偏原理研究與應用［J］．冶金設備，2010(4):20－23．