湛钢连铸机回转台与长水口把持器同步控制优化论文_杨得宾

摘要：本文以湛江钢铁连铸机回转台与长水口把持器的液压同步控制为例，论述了速度同步和位移同步两种同步跟踪控制策略。实际调试应用效果表明，采用位移同步控制省去了速度计算环节，提高了控制系统的同步精度和稳定性。

关键词：速度同步；位移同步；PLC；

0 引言

宝钢湛江钢铁连铸机大包回转台和长水口把持器的升降均采用电液比例阀进行控制，同时各配置位移传感器进行位置反馈。在实际生产时，要求大包回转台升降与长水口把持器同步升降，否则会因大包下降过快会导致把持器压弯变形，或者因把持器下降过快发生冒钢危险。

根据生产工艺的要求，本文对大包回转台与长水口把持器位置关系、同步控制方案进行了分析，并调试验证同步方案的可行性，希望能够为广大工控人员提供一种分析问题的思路，供参考。

1 控制方案

大包回转台与长水口把持器的同步控制属于一个典型的跟踪系统。大包回转台下降为主、长水口把持器下降为从，只要长水口把持器下降的速度和大包回转台下降速度相同，或者下降的位移相同即可满足同步的要求。基于此，提出速度同步和位移同步两种控制方案。

1.1 速度同步

长水口把持器和大包回转台升降速度同步，把持器跟踪大包的速度，如图1所示。

图1速度同步控制系统图

大包回转台下降的速度作为速度给定，控制系统通过长水口把持器的位移变化计算出的速度作为控制系统的速度反馈。通过速度闭环调节，保证两者的速度同步。该控制方案的优点是不需要确认初始位置在何处，只要大包回转台有速度变化，把持器就按此速度变化即可，避免因初始位置不准确引起的跟踪偏差；缺点是大包回转台和长水口把持器的速度都需要程序计算，尤其是大包回转台的速度的准确性决定了整个系统控制性能。

1.2 位移同步

长水口把持器和大包回转台升降位移同步，把持器跟踪大包的位移，如图2所示。

图2位移同步控制系统图

大包回转台下降的位移作为位移给定，控制系统通过长水口把持器的位置变化计算出位移作为控制系统的位移反馈。通过位移闭环调节，保证两者的位移同步。相对于速度同步控制方案，该控制方案不需要控制系统对速度进行计算，直接对位移进行处理。缺点是控制系统的性能受初始位置的影响。

1.3 数学建模

由于大包回转台和长水口把持器的位移传感器均安装在设备的油缸上，油缸的运行轨迹与设备的运行轨迹不同，需要找出油缸升降位移与设备实际升降位移的关系。通过作图分析，大包回转台油缸和大包回转台升降的位移关系是非线性的，为了便于调试，对位移变化进行离散分段处理，见表1。

表1 大包回转台油缸与实际位移关系

可以看出油缸位移传感器每变化100mm，大包的实际升降位移是非线性变化的。表2为在不同的比例系数下的长水口把持器与大包回转台实际升降的位移偏差。其中比例系数为长水口把持器位移与大包升降油缸位移的比值（即由位移传感器读取的位移的比值），位移偏差为实际位移的偏差。位移偏差为正，代表大包下降要多一点，长水口把持器会被压到；位移偏差为负，代表长水口把持器走得要多一点，有脱开冒钢的风险。

表2 不同比例系数下的实际位移偏差

正常生产时，大包下降的开始位置及最终的停止位置不一定相同。表2中的累积偏差是大包回转台油缸位置从700mm到0mm的累计。但若从中间某个位置开始下降，如400mm处，若比例系数取1.14，累计值为负值，会有脱开冒钢的风险，若从700mm处下降，累积偏差为正，满足工艺要求。为了解决实际生产初始点、最终停止点不同，又能保证不出现冒钢的风险，考虑采用分段处理的方法。由于长水口把持器允许一定压下量的挠度，比例系数k取值如下：

k= （1）

式（1）中，s为大包回转台油缸位移传感器的数值。

2软件设计

软件设计流程如图3所示。

图3软件设计流程图

（1）输入数据处理子程序中，需要采集当前在浇铸位的大包回转台及长水口把持器的油缸位移数据，同时需要考虑位移零点的标定、位移传感器故障时的处理；

（2）速度计算：通过PLC程序扫描周期内位移变化量进行计算，位移变化量与扫描时间的比值即为速度；

（3）位移计算：在同步投入时，记录位置初始值，取相对于该初始位置的位移；

（4）比例系数k计算：据大包油缸的位置，k值分段取值；

（5）PID给定值计算：速度同步时，由比例系数k乘以大包油缸运行的速度；位置同步时，由比例系数k乘以大包油缸运行的位移；

3 调试

自动化系统配置：控制系统采用西门子S7 PLC控制系统。比例阀：电气接口为 4~20mA；大包回转台位置传感器：电气接口为SSI，量程为750mm；长水口把持器位置传感器：电气接口为4~20mA，量程为920mm。

（1）速度同步调试

图4大包回转台油缸位移、速度曲线

图4为大包回转台正常下降时，位移曲线（a）和速度曲线（b）。图中可以看到大包下降时的速度波动较大，若以此速度作为速度给定值，长水口把持器速度跟踪难以实现。

（2）位移同步调试

图5为采用位移闭环控制后，大包回转台和长水口把持器位移曲线。其中，曲线a为长水口把持器位移，曲线b为大包回转台油缸位移。

图5位移同步控制曲线

在该控制方式下，位移变化连续，有利于做闭环控制及控制系统的稳定。

最终同步方案：经过调试分析，速度同步方式下，大包速度变化波动过快过大，以此作为长水口把持器的速度给定，比例阀的响应速度无法满足要求；位移同步控制要更稳定，满足工艺生产要求。

4 结束语

本文从速度同步、位移同步两种控制方式下如何实现设备跟踪进行了论述。位移同步下位移变化连续稳定，有利于闭环控制；速度同步方式下的速度给定值波动频繁是速度控制的缺点，可以通过滤波的方式进行处理，但滤波造成的时间延时也会影响控制系统的响应速度。对于类似的同步跟踪控制均可借鉴本文中的处理思路及方法。

参考文献：

[1] 蔡开科.连续铸钢[M].北京：科学出版社，1990：253-258.

论文作者:杨得宾

论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期

论文发表时间:2020/3/16

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