专利名称：多道次联动设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多道次联动设备的电气控制。
背景技术：
在众多的传统行业、新兴行业中，需要一种多机械传动机构一起联动的设备，例如造纸业的造纸机、金属制品的拉拔设备，机械加工业的数控机床，冶金业的轧机，这些设备在产品生产过程中对产品的质量起着至关重要的作用，同时也是产品能否进行深度加工的关键。图1为用于金属生产的N道次联动设备示意图，其中收卷机为成品收卷用，不作为普通的道次，所以图1为N道次。每一道次主要有变频器、电机、机械连接到压辊或者卷筒(简称辊/筒)、机台信号、调谐器信号。机台信号包括单机运行信号、左联动信号、右联动信号、切除信号、制动信号和安全信号，这些信号输入到控制器，由控制器给出相应的命令使变频器或其它执行元件完成相应的动作。调谐器是为检测位置或张力而设置的，它协调了相邻两道次的工作速度关系。由多道次组成的联动设备，其相邻道次之间存在着一定的速度比例关系，以保证协调工作。然而由于工艺的要求不同、原料与成品的规格不同，都有可能要求N道次的联动设备只需要N-1道次甚至更少道次数运行。这样在联动设备上必须实现任意切除几个道次、而其它的道次照样正常运行的功能，例如图1中，从材料进入A点经过辊/筒1直接到H点收卷、从材料进入A经过辊/筒1到B、再经过辊/筒2然后直接到H点最后到收卷机等等，这些情况都应使联动设备正常工作，然而目前的联动设备控制器还不能实现多道次任意切除，极大地影响了生产和设备使用率。
发明内容为了克服已有的联动设备不能实现多道次任意切除、影响生产效率和设备使用率的不足，本发明提供一种能够实现多道次任意切除、提高生产效率和设备使用率的多道次联动设备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种多道次联动设备，包括各个道次机构、收卷机机构、联动控制器，每个道次机构由变频器、电机以及运行机构组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接运行机构，收卷机机构由变频器、电机、收卷机组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接收卷机，相邻道次机构的运行机构之间和最后道次的运行机构与收卷机之间都设有用于协调两个机构之间工作速度的调谐器，各个变频器连接联动控制器，所述的联动控制器包括单机运行信号单元、机台信号单元、调谐器信号单元；所述的联动控制器还包括道次机构运行初始化单元，用于设定各道次的运行机构是否切除的参数；切除信号判断单元，用于在运行到每个道次机构时，判断道次i(i大于1小于N的整数)是否存在切除信号；切除道次的变频器给定速度电压计算单元，用于在判断道次i切除后，计算道次i-1的变频器给定速度电压，其计算式为Gq(i-1)＝(Ki-1·Gi)/(1-qi) (1)上式(1)中，i大于1小于N的整数，Gq(i-1)为道次i切除时、道次i-1的变频器给定速度电压，它与道次i-1电机速度相对应，Ki-1为理想情况下的第i道次与第i-1道次的传动系数，它与未切除时第i道次与第i-1道次的电机速度比值相等，Gi为道次i的给定速度电压，qi为道次i的金属材料压缩率；未切除道次的变频器给定速度电压计算单元，用于在判断道次i未切除时，计算道次i-1的变频器给定速度电压，其计算式为Gi-1＝Ki-1·Gi+ΔGi-1(2)上式(2)中，Gi-1为道次i未切除时、道次i-1的变频器给定速度电压，Ki-1为理想情况下的第i道次与第i-1道次的传动系数，Gi为道次i的变频器给定速度电压，ΔGi-1为实际工作过程的偏差量；归一化单元，用于处理切除道次的变频器给定速度电压计算单元或未切除道次的变频器给定速度电压计算单元的计算结果，设定该计算结果为道次i-1的变频器给定速度电压；所述的归一化单元的输出连接变频器。
本发明的有益效果主要表现在1、根据任意切除信号，控制器自动协调了运行道次的速度关系，实现了一台设备多种用途；2、根据各道次的切除信号，控制器能自动实现运行道次的速度协调关系，极大地增加了联动设备的运行时间和工作效率，降低了生产成本。
图1是现有的多道次联动设备的结构图。
图2是本发明的多道次联动设备的结构图。
图3是相邻道次的电机速度和变频器的速度给定电压归一化处理示意图。
图4是本发明的联动控制器的控制框图。
图5是本发明的速度给定电压计算的流程图。
(五)
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图2、图3、图4、图5，一种多道次联动设备，包括各个道次机构、收卷机机构、联动控制器1，每个道次机构由变频器、电机以及运行机构组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接运行机构，收卷机机构由变频器、电机、收卷机组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接收卷机，相邻道次机构的运行机构之间和最后道次的运行机构与收卷机之间都设有用于协调两个机构之间工作速度的调谐器，各个变频器连接联动控制器1，所述的联动控制器1包括单机运行信号单元2、机台信号单元3、调谐器信号单元4；所述的联动控制器1还包括道次运行机构初始化单元5，用于设定各道次的运行机构是否切除的参数；切除信号判断单元6，用于在运行到每个道次机构时，判断道次i是否存在切除信号；切除道次的变频器给定速度电压计算单元7，用于在判断道次i切除后，计算道次i-1的变频器给定速度电压，其计算式见式子(1)Gq(i-1)＝(Ki-1·Gi)/(1-qi)(1)上式(1)中，i大于1小于N的整数，Gq(i-1)为道次i切除时、道次i-1的变频器给定速度电压，它与道次i-1电机速度相对应，Ki-1为理想情况下的第i道次与第i-1道次的传动系数，它与未切除时第i道次与第i-1道次的电机速度比值相等，Gi为道次i的给定速度电压，qi为道次i的金属材料压缩率；未切除道次的变频器给定速度电压计算单元8，用于在判断道次i未切除后，计算道次i-1的变频器给定速度电压，其计算式见式子(2)Gi-1＝Ki-1·Gi+ΔGi-1(2)
上式(2)中，Gi-1为道次i未切除时、道次i-1的变频器给定速度电压，Ki-1为理想情况下的第i道次与第i-1道次的传动系数，Gi为道次i的变频器给定速度电压，ΔGi-1为实际工作过程的偏差量；归一化单元9，用于处理切除道次的变频器给定速度电压计算单元或未切除道次的变频器给定速度电压计算单元的计算结果，设定该计算结果为道次i-1的变频器给定速度电压；所述的归一化单元9的输出连接变频器。
联动设备是一种典型的机电一体化产品，在金属制品的生产中，其功能是把截面较大的金属材料通过多道挤压(或模径逐道次细小的模子)加工成各种不同规格的截面较小的金属材料。工作时，各道次的辊/筒是由交流电机通过传动机构驱动的，而交流电机的运行是由变频器来控制的，因此，辊/筒的运行速度实际上是由送给变频器的速度给定电压值来决定的。
辊/筒的速度要求很精密，要严格保证各道工作过程的金属材料秒体积流量相等SiVi＝Si-1Vi-1(3)式(3)中Vi-第i道金属材料的线速度；Si-第i道金属材料的截面积。根据压缩率的定义Vi-1＝(1-qi)Vi(4)设ni为对应异步电动机的转速，它与Vi之间有一定的比例关系，当稳定工作时Vi＝2πRi·ni/Ci(5)式(5)中，Ci为第i道电动机至辊/筒的传动比，Ri为第i道辊/筒的半径。
根据式(4)、(5)，相邻两道次的电动机速度关系为(1-qi)·2πRi·ni/Ci＝2πRi-1·ni-1/Ci-1(6)即ni-1＝(1-qi)Ci-1·Ri·ni/(Ci·Ri-1) (7)设Ki-1＝(1-qi)Ci-1·Ri/(Ci·Ri-1)，理想情况下ni-1＝Ki-1·ni(8)Ki-1为理想情况下的第i道次与第i-1道次的传动系数，它与未切除时第i道次与第i-1道次的电机速度比值相等，由于ni与相应变频器的速度给定电压Gi之间也有一定的比例关系，上式也可以写成Gi-1＝Ki-1·Gi(9)式(8)、(9)中，对于已经设计制造完毕的联动设备来说，各道次辊/筒半径Ri和传动比Ci是不变的，故Ki-1随着压缩率qi的变化而变化。此时要考虑两种情况(1)在设计设备时，一般会根据金属工艺，给出各道次理想的压缩率；(2)工作过程中，压缩率将根据实际的情况有所调整，或者在工作过程中也会出现偏差现象，于是，实际工作过程中的压缩率不同于理想压缩率，两者之间有一定的差异。这两种情况，在控制器设计中也要有所体现，以达到联动设备能够良好工作的目的。据此，可对式(8)、(9)进行优化，不妨设qi为第i道理想的压缩率，则Ki-1为理想压缩率qi时的系数，当实际压缩率与理想压缩率不一致或实际压缩率发生变化时，则式(8)、(9)可分别表示为ni-1＝Ki-1·ni+Δni-1(10)Gi-1＝Ki-1·Gi+ΔGi-1(11)式(8)、(9)表明了联动设备相邻两道次之间的速度存在着某种的比值关系，而式(10)、(11)则表明了当外界条件(比如压缩率)发生变化时，这种比值关系不再恒定，前一道次的速度或速度给定量可以表示成后一道次的速度或速度给定量乘以比例系数与相应偏差量之和，这就给控制器设计一种启示，以N道次为例，第N道次为最后一道次，它的辊/筒速度决定了成品材料的生产速度，因此这一道次的电机旋转速度往往由操作台直接给定，第N-1道次的电机旋转由第N道次的电机旋转速度乘以比例系数加上第N-1道次的偏差量，依此类推。
现在的问题是相应的偏差量如何求得，从图1可以看出，相邻的两个辊/筒之间，存在着一个活动的调谐器，放置调谐器的目的就是为了协调两个辊/筒速度的，在每个调谐器处都装有位置或张力传感器，用来检测调谐器的位置或张力，一般来说，当金属材料没有张紧时，调谐器依靠自身的反力向外运动(图1中的向下箭头方向)，当金属材料张紧时，调谐器则被金属材料拉向内运动(图1中的向上箭头方向)。调谐器的运动范围是有最里和最外极限的，一般调谐器的中间位置为金属材料工作的最佳位置，电气控制时同样要把中间位置作为控制的目标位置。以辊/筒N、辊/筒N-1、调谐器N-1三者的关系为例，运行时，当调谐器N-1位置偏外时，说明辊/筒N-1的运行速度比辊/筒N快，通过控制算法，要降低辊/筒N-1的速度；反之，当调谐器N-1位置偏内时，说明辊/筒N-1的运行速度比辊/筒N慢，通过控制算法，要提高辊/筒N-1的速度。这样，可以始终保持调谐器N-1在中间位置。同样，以辊/筒3、辊/筒4、调谐器3三者的关系为例，当调谐器3位置偏外时，说明辊/筒3的运行速度比辊/筒4快，通过控制算法，要降低辊/筒3的速度；反之，当调谐器3位置偏内时，说明辊/筒3的运行速度比辊/筒4慢，通过控制算法，要提高辊/筒3的速度。这样，可以始终保持调谐器3在中间位置。其它辊/筒的速度与调谐器之间的关系类推。
从上面的分析可以看出，为了使第i-1道次的电机速度ni-1完全跟踪第i道次的电机速度，采用了前馈+调节的控制方式，调节器的控制算法为先进控制+PID，其中前馈量为前一道次的电机速度ni(或Gi-1)乘以传动系数Ki-1，调节量为Δni-1(或ΔGi-1)，也就是式子(10)、(11)所表示的情况。这种方案最为实用，精度最高、响应最快。如图2所示。
收卷机的速度是跟随成品辊/筒N的速度，其工作情况与辊/筒的工作情况有所不同，当金属材料没有拉紧时，调谐器依靠自身的反力向外运动(图1中的向下箭头方向)，说明收卷机的工作速度太慢，此时应提高收卷机的工作速度；反之，当金属材料拉紧时，调谐器则被金属材料拉向内运动(图1中的向上箭头方向)，说明收卷机的工作速度太快，此时应降低收卷机的工作速度。另外，在工作过程中收卷轮子上金属材料的卷径越来越大，收卷半径发生了变化，则收卷机电机的速度ns与成品道次的电机速度nN的比值也是变化的，此时，应分别计算出最大卷径和最小卷径所对应的比值，然后取平均值作为前馈比例系数，即2πRN·nN/CN＝2πRs·ns/Cs(12)ns＝Cs·RN·nN/(CN·Rs) (13)式(12)、(13)中，R8为收卷半径，Cs为收卷机传动比，ns为收卷机运行速度，设Ksv＝Cs·R8/(CN·Rs)，则KsvminCs·RN/(CN·Rsmax)(14)Ksvmax＝Cs·RN/(CN·Rsmin) (15)Ks(Ksvmax+Ksvmin)/2 (16)式(14)、(15)、(16)中，Rsmax、Rsmin分别为最大、最小收卷半径，Ksvmin、Ksvmax分别为收卷电机与成品电机的最小、最大传动系数，Ks为传动系数的平均值，仿照式子(10)、(11)，则ns＝Ks·nN+ΔnN(17)Gs＝Ks·GN+ΔGN(18)如果说联动设备各种工作关系可以通过操作人员的经验可以确定的话，那么其它涉及到深层次的技术问题则需要技术人员的设计；涉及到理论问题则需要数学的支撑。联动设备的技术指标中，停止、快停的时间一般远小于启动爬行时间，为了在快速停止时金属材料不断开，就要求各辊/筒的速度保持严格的协调关系，在式子(10)、(11)中，Δni和ΔGi由调节器(控制器)的输出产生，在快速停止过程中，同样要求能够快速产生合理的ΔGi(Δni)，在PID控制方法里，快速性和稳定性是矛盾的，设计时，一般首先保证稳定性，然后解决快速性。解决快速跟踪的方法有二一是通过先进控制理论，检测调谐器的位置，设定极限位置，当调谐器的位置在机台的里面并接近极限位置时，则快速提高前一道次变频器的速度给定电压，快速提高前一道次电机的速度和辊/筒的运行速度以快速跟踪后一道次辊/筒的速度；当调谐器的位置在机台的外面并接近极限位置时，则快速降低前一道次变频器的速度给定电压，快速降低电机的速度和辊/筒的运行速度以与后一道次辊/筒的速度协调(注在机械上所说后一道次，在控制上应该是的前一道次，为了统一，都以机械上说法为准)。二是通过参数自学习方法，计算出实际的传动系数Kis，使调节量Δni和ΔGi趋于0，实现了快速响应。
以前的联动设备控制算法往往是单道次控制、整体组合，即每一道次的运动速度是根据前一道次机构运动后导致后一道次机构位置传感器变化反馈后进行PID调节的，这种方法无法满足联动设备既对控制稳定性有很高的要求，又对控制快速性有严格的指标要求。从控制角度首先要保证设备的控制稳定性，其快速性通过异步自学习算法来实现。为了说明此方法的可行性，首先假设已知联动设备相邻两道次速度关系的比值，那么后一道次机构的基准速度是前一道次的速度乘以此比值，后一道次机构的实际速度就是基准速度加上位置传感器反馈的控制调节量，由于控制调节量只是起一个微调的作用，而且决定了设备的稳定性，因此控制器的参数整定可以主要考虑稳定性。而设备的快速性由相邻两道次速度关系的比值来决定。
虽然传动系数Ki的初始值可通过现场调试或计算获得，但是在实际系统中相邻两道次速度关系的传动系数Ki是变化的，因而在控制器中采用了异步自学习控制。控制系统在运行的过程中可以不断地调整这个参数，使它们逐步地逼近最佳值，从而改进系统的性能以提高产品的产量和质量。异步自学习控制是将迭代自学习控制和重复自学习控制统一起来，即第k次重复训练的迭代自学习控制系统，看成是对第k个重复周期的“间断”的重复自学习控制系统，且前者的训练时间等于后者的重复周期；将重复自学习控制系统的重复控制器视为一个记忆系统。
联动设备电气控制系统的学习算法如下①运行前根据操作人员的设定，从数据库中获得与某品种金属材料相应的各辊/筒间的预置的传动系数Ki。②运行时，从变频器中读取各电机的速度。③分别计算实际的各辊/筒传动系数Ki。④按照学习所得的传动系数Kis以及所设定的预置的传动系数Ki，使预置的传动系数Ki逐渐向实际的传动系数Kis逼近，在此值基础上对各辊/筒速度的调节器正常工作。⑤将学习所得的速度比值存入记忆单元。通过自学习达到了快速性和稳定性的完美统一，此时式子(10)、(11)转化为ni-1＝K(i-1)s·ni+Δni-1(19)
Gi-1＝K(i-1)s·Gi+ΔGi-1(20)由于工艺的要求不同、原料与成品材料的规格不同，都有可能要求N道次的联动设备只需要N-1道次运行甚至更少道次数运行，这样在联动设备上必须实现切除几个道次、而其它的道次照样正常运行的功能，根据切除信号，被切除的相应道次的变频器无论有没有速度给定电压，只要变频器没有接收到运行信号，变频器就不会运行。能运行的各道次要能相互协调工作。用逻辑判断各种组合情况则过于复杂，道次数越多情况越复杂，以8道次为例，共有255种情况，如果13道次则有更多种情况，显然很难在程序中实现；如果用线速度法则很好地解决这一问题。其基本想法是前一道次的辊/筒线速度代替被切除这道次运行时(实际不运行)的辊/筒线速度，只要检测到这一道次被切除，前一道次的速度上升到后一道次所对应的线速度，即Vq(i-1)＝Vi，据式子(4)，则Vi-1＝(1-qi)Vq(i-1)(21)Vq(i-1)＝Vi-1/(1-qi)(22)上式中Vq(i-1)表示后一道次(第i道次)被切除对应的线速度，第i道次被切除后，切除控制规则是第i-1号控制器(调节器)不起作用，ΔGi-1＝0，Δni-1＝0，同时，第i号变频器、电机、辊/筒不运行，于是得到式子(1)，即Gq(i-1)＝(Ki-1·Gi)/(1-qi)，这里，nq(i-1)、Gq(i-1)表示后一道次(第i道次)被切除时，第i-1道次辊/筒线速度所要求的电机速度和速度给定电压，注意此时第i-1的控制不起作用，系数Ki-1不能写成K(i-1)s。Gq(i-1)与式子(20)中的Gi-1所表示的都是电机速度所对应变频器的速度给定电压值，含义相同，但条件不同，需要归一化处理。
图3表明了nq(i-1)、Gq(i-1)与ni-1、Gi-1只是不同条件下的不同符号，其结果表示的含义是相同的，这给计算和编程带来许多方便。通过上述处理就可以实现任意道次切除而其它道次照常工作。下面分别分析各种切除情况。
第一，前面1或多道次连续切除时，对应的变频器、电机不运行即可。
第二，中间的第i-1道次被切除时，根据切除控制规则，第i-2道次的控制器起作用，根据式子(19--20)，则ni-1＝K(i-1)s·ni+Δni-1。根据式子(1)，就可以得到nq(i-2)＝Ki-2·K(i-1)s·(ni+Δni-1)/(1-qi-1) (23)Gq(i-2)＝Ki-2·K(i-1)s·(Gi+ΔGi-1)/(1-qi-1) (24)式子(23)、(24)表明了第i-2道次和第i道次控制意义上的速度协调关系，此时，第i-2道次辊/筒的线速度相当于第i-1道次辊/筒未切除时的线速度，协调关系保持不变。当中间连续m个道次被切除时(从i-m+1道次到i道次)，则nq(i-m)＝Ki-m…Ki-1·Kis·(ni+1+Δni)/[(1-qi-m+1)…(1-qi)] (25)Gq(i-m)＝Ki-m…Ki-1·Kis·(Gi+1+ΔGi)/[(1-qi-m+1)…(1-qi)] (26)式子(25)、(26)同样表明了第i-m道次辊/筒的线速度相当于第i道次辊/筒未切除时的线速度，协调关系同样保持不变。由于i是大于1、小于总道次数的任意整数，m是小于i-2的任意整数，所以式子(25)、(26)适合于在中间道次、不管多处连续或非连续、1个道次或多道次切除时的情形。
第三，最后一个成品辊/筒第N道次切除时，速度给定电压GN(电机速度nN)还是存在的，只不过第N道次的变频器没有输出、电机不工作而已。根据式子(22)，在相同的给定电压情况下，VN-1与第N道次未切除时的VN相等，第N-1道次到收卷机的金属材料的线速度是一样的，即对收卷机的工作速度不受任何影响。当第i及其以后各道次都切除时，Vi-1与第N道次未切除时的VN相等，收卷机的工作速度同样不受任何影响，即nq(i-1)＝Ki-1·Ki-1…KN-1·nN/[(1-qi-1)…(1-qN-1)](27)Gq(i-1)＝Ki-1·Ki-1…KN-1·GN/[(1-qi-1)…(1-qN-1)](28)上述的3种情况及其组合包含了所有任意道次切除的情况，现在的关键问题是要寻求统一的规律，以简单的方式实现任意道次切除后其它道次也能协调运行，研究式子(27)、(28)与式子(25)、(26)并做相互比较，发现后一道次是否切除，影响了前一道次的速度，这样只要判别某一道次是否切除，就可以得到前一道次的速度计算式子，这样，把各种不同的切除情况简单化了，如图5所示。
根据图5的给定电压计算流程，所有的切除情况都可以从中计算出工作着的各道次速度给定电压，同样可以计算出电机速度，相应地，式子(25)--(28)也可以从图5的计算流程中直接得到，比较方便地实现了任意切除后的协调运行问题。另外，由于传动系数Kis是一个学习后的参数，Kis可以使两个工作着的相邻道次的速度比值接近于实际速度比值，在快速停止时同样可以实现严格的协调关系。
权利要求
1.一种多道次联动设备，包括各个道次机构、收卷机机构、联动控制器，每个道次机构由变频器、电机以及运行机构组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接运行机构，收卷机机构由变频器、电机、收卷机组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接收卷机，相邻道次机构的运行机构之间和最后道次的运行机构与收卷机之间都设有用于协调两个机构之间工作速度的调谐器，各个变频器连接联动控制器，所述的联动控制器包括单机运行信号单元、机台信号单元、调谐器信号单元；其特征在于所述的联动控制器还包括道次运行机构初始化单元，用于设定各道次的运行机构是否切除的参数；切除信号判断单元，用于在每个道次机构运行时，判断该道次是否存在切除信号；切除道次给定速度电压计算单元，用于在判断该道次切除后，计算道次i的给定速度电压，其计算式为Gq(i-1)＝(Ki-1·Gi)/(1-qi)(1)上式(1)中，i为大于1小于N的整数，Gq(i-1)为道次i切除时、道次i-1的给定速度电压，Ki-1为理想情况下的第i道次与第i-1道次的传动系数，Gi为道次i的给定速度电压，qi为道次i的压缩率；未切除道次给定速度电压计算单元，用于在判断道次i未切除时，计算道次i-1的给定速度电压，其计算式为Gi-1＝Ki-1·Gi+ΔGi-1(2)上式(2)中，Gi-1为道次i未切除时、道次i-1的给定速度电压，Ki-1为理想情况下的第i道次与第i-1道次的传动系数，Gi为道次i的给定速度电压，ΔGi-1为实际工作过程的偏差量；归一化单元，用于将切除道次给定速度电压计算单元或未切除道次给定速度电压计算单元的计算结果，设定该计算结果为道次i-1的给定速度电压；所述的归一化单元的输出连接变频器；所述的归一化单元的输出连接变频器。
全文摘要
一种多道次联动设备，包括各个道次机构、收卷机机构、联动控制器，道次机构由变频器、电机、运行机构组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接运行机构，收卷机机构由变频器、电机、收卷机组成，变频器的输出连接电机，电机通过传动机构连接收卷机，相邻道次机构的运行机构之间、最后道次的运行机构与收卷机之间都设有用于协调工作速度的调谐器，各个变频器连接联动控制器，联动控制器包括单机运行信号单元、机台信号单元、调谐器信号单元，还包括道次运行机构初始化单元、切除信号判断单元、切除/未切除道次给定速度电压计算单元、归一化单元；归一化单元的输出连接变频器。本发明能实现多道次任意切除、提高生产效率和设备使用率。
文档编号H02P5/46GK1728530SQ200510049690
公开日2006年2月1日 申请日期2005年4月28日 优先权日2005年4月28日
发明者南余荣, 俞立, 孙明轩 申请人:浙江工业大学