D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.02.010 北京钢铁学院学报 J.Beijing Univ.of Iron Steel Technol, Vo1.9No.21987 微型计算机控制 起动式飞剪的控制模型和软件设计 李华德吴小鸣王继海赵殿甲 王顺晃黄承云 (电气传动教研室) (自动控制教研室) 摘 要 本文介绍了起动式飞剪的剪切控制模型，分析了影响剪切精度的原因，提出了 一种用软件手段消除剪切误差的方法。工业试验证明：根据控制模型研制的软件是 可行的，它使剪切误差下降到定尺的0.7%，成品率提高6%， 关键词：飞剪，微机控制，软件，剪切误差 Flying Shears Controlled by the Micro-Computer Control System Li Huade Wang Shunhuang Abstract A start-type flying shear controlled by the micro-computer control system can complete the works of cut head and tail,cut-to-length and cut-to-average length for high speed continuous hot rod mill.Based on the principle,it can descride the shearing errors and the method of improving accuracy.The hardware figures and softwares block diagrams of the system are presented in this paper. It has been proved by the industrial scale experiment that the 1985一12一27收稻 69
北 京 · 钢 铁 学 院 学 报 丫 微型计算机控制 起动式飞剪的控制模型和软件设计 李华德 吴小 鸣 王 继海 赵殿 甲 王 顺晃 黄承云 电气传动教研室 自动控制教研室 卜 摘 要 本文介绍 了起动式飞剪的剪切 控制模型 ， 分析了影响剪切精度的原因 ， 提出了 一种用软件手段 消除剪切误差 的方法 工业试验证明 根据控制模型研制 的软件是 可行 的 ， ‘它使剪切误差下降到定尺的。 拓 ， 成品率提高 书 关键 词 一 匕剪 ， 微机控制 ， 软件 ， 剪切误差 一 五 研 夕 一 一 ， 一 一 一 一 ， 一 一 交稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．02．010
shearing eorror was decreased greatly. Key Words:flying shear,micro-computer coatrol,software,shcaring eorror 前 言 长期以来，飞剪对高速线材的剪切是通过机械定时来完成的。它虽然可以满足切定 尺的工艺要求，但是造成较大的头、尾部浪费。面且由于是开环控制，不能克服钢速、 钢材硬度等各种扰动因素对剪切精度的影响。为了提高成品率和减少浪费，采用微型机 实现闭环控捌是必然趋势。我们用微型机构成飞剪控制系统，应用现代控制理论实现了 参数自寻优，从而达到了较高的剪切精度。 1系统的控制模型和工作原理 用微型计算机控制起动式飞剪，不仅可以通过夹送辊控制线材的速度和具有切头、 切定尺，切分尺及切尾的逻辑功能，还可以提高剪切精度和给出浪费最小的剪尺分配。 这是通过Z一80单板机来实现的，见图1。它根据五个输人信号控制飞剪电机和夹送辊 电机的可控硅电流速度双环系统的速度给定。 Hleed signal Tail signal Cut sigmel 7-00 Output signal rii6背al sitios rigml 图1微机输入箱出简图 图2系统工作原理图 Fig.1 Input and output of computer Fig.2 Principles of work 如图2，线材以夹送辊的线速度向飞剪运动，B点是钢材上的待剪切点，A点是剪 刃位置，0是剪断点。我门的控制目的就是使运动的B点和钱动的A点在剪断点0上重 合。它的数学形式是根据初态： X(0)=立(0) X(0)=L (1) Y(0)=S>L 尽快达到位置随动： X(t)=Y(t) (2) 其中，X(t)是A点转到0点的弧长，T(t)是B点到0点的距离，L是飞剪剪刃 70
，。 ， 一 卫 七 ， 。 ， 昆蟋 画 长期以来 ， 一飞剪 对 高速 线材 的剪切 是通 过机械 定 时来完 成的 。 它 虽然可 以满 足切 定 尺 的工 艺要 求 ， 但是造 成较大的头 、 尾部浪 费 。 而 且 由于是 开环控制 ， 不 能克服钢 速 、 钢材硬度 等各种扰动 因素对剪切 精度 的影响 。 为 了提 高成品率和 减少浪费 ， 采 用微 型机 实现 闭环控 制是 必然趋势 。 我 们用微型机构成飞剪控 制系统 ， 应用现 代控制理论 实现 了 参 数 自寻 优 ， 从而达 到 了较高的剪切精 度 。 系统的控制模型和工作原理 用 微型计算机控制起动 式 飞剪 ， 不 仅可 以通 过夹送辊控制线材 的速 度和具 有切 头 、 切 定尺 ， 切 分尺 及切 尾 的逻辑功 能 ， 还可 以提 高剪切 精度和给 出浪费最小 的剪尺分配 。 这 是 通 过 一 单板机来实现 的 ， 见 图 。 它 根据五个输 人信号 控制 飞剪 电机 和夹 送 辊 电机 的可 控硅 电流速 度双 环系统 的速 度给定 。 图 微机输入输出简图 图 系统工作原理图 ￡ ， 如 图 ， 线材 以夹 送 辊 的线速 度 向飞剪运 动 ， 点是钢 材 上 的待剪切 点 ， 点是 剪 刃 位置 ， 是 剪 断 点 。 我 们 的控制 目的就 是 使运动 的 点和转动 的 点在剪 断 点 上 重 合 。 它 的 数学 形式 是 根据初 态 、了 尽快达 到 位置 随动 关 ’ 其 中 ， 是 点转到 点的 弧长 ， 是 点到 。 点 的距离 ， 是 飞剪剪 刃
周长，S是要剪切的尺寸。 由于线材的高速度，只能对飞剪电机采用砰碎控惻，使飞剪电机一直处于制动，起 动和稳速状态。我们用剪尺误差不断修正微机RAM中的开关曲线，以保证剪切精度。 当Y(t)=S时立即发制动命令；而当Y(t)=C时立即发起动命令直到剪刃和线材具 有同步速度。由于剪尺S的不同，飞剪电机可能连续运转，也可能有停车状态。C值是 否合适将直接影响剪切精度。 2误差分析及其消除方法 实际上，C不仅是剪尺S的函数，而且与线材的速度、线材的硬度、可控硅双环调 速系统的起制动曲线有直接的关系。设T(S,X(0))是飞剪起动到剪断的时间， Y,(t)是线材速度在这段时间的平均值，则所剪切的第K根长度SK Sx=Cx+Y,(t)T〔Sk,X(0）) (8) 剪切误差： △Sx=AY,(t)T〔S,X(0)】+△T〔Sx,X(o))Y,(t) (4) 从上式看出，缩短起制动时闻，将成比例地消除剪切误差。实际上，线材的硬度是 成批变化的，夹送辊速度扰动和飞剪电机起制动曲线都是绥慢变化的。因此可以采用位 置反馈不断对参数C进行修正，即使反馈的采祥间隔是切一个剪尺的时间，仍能保证剪 切精度。 在下面的修正公式中，K是收敛因子。 CK+1=Cx +KASK (5) 下面证明该反馈系统的稳定性。由(5)式可以推出： dc S-Sx= d55=5（Sx+1-SR) (6) K 其中是S和Sx的中值。 上式可整理成一个一阶差分方程： 晨8s=54+(1-s=6)5x=s (7) 其稳定条件是特征根绝对值小于1，则： K-dc d (8) ds= 显而易见，C越大，剪下的尺寸越长，即 dc.>0 ds 71
周长 ， 是要剪切 的尺寸 。 由于线材 的高速度 ， 只 能对 飞剪 电机采用 砰砰控 制 ， 使飞剪 电机 一直 处于 制动 ， 起 动 和稳 速状态 。 我们 用剪 尺误 差不 断修正 微机 中的开关 曲线 ， 以保证剪切 精 度 。 当 时立 即发制 动 命令 而当 ‘ 时立 即发起动 命令直 到剪 刃 和 线 材具 有 同步速 度 。 由于剪尺 的不 同 ， 飞剪 电机可 能连续运 转 ， 也可 能有停车状 态 。 值 是 否合适将直接影响剪切 精度 。 误差分析及 其消除方法 实 际 上 ， 不 仅是剪尺 的 函数 ， 而 且与线材的速 度 、 线材 的硬度 、 可 控硅双 环 调 速 系统 的起制动 曲线 有直接 的关 系 。 设 ， 是飞剪起动 到 剪 断 的 时 间 ， 是线材 速 度在这 段 时 间的平 均 值 ， 则所剪 切 的 第 很 长度 ，、 ’ 〔 ， 〕 剪切误 差 △ 二 二 △ 〔 ， 〕 一 卜△ ’ 〔 ， 〕 从 上式 看 出 ， 缩 短起 制动 时间 ， 将 成比例地消除 剪切 误差 。 实际 上 ， 线 材 的硬 度是 成批 变化 的 ， 夹 送辊速 度 扰动 和 飞剪 电机起制动 曲线 都是 缓慢 变化 的 。 因 此可 以采用 位 置反馈不 断对参 数 进行修正 ， 即使反馈 的采 样间隔 是切 一 个剪 尺 的时 间 ， 仍 能保 证剪 切 精度 。 在下面 的修正 公式 中 ， 是 收敛 因子 。 十 ， 」一 △ 下面 证 明该 反馈 系统 的稳 定性 。 由 式可 以推 出 一 】 ， 。 。 丁厂 、 一 毛又 。 ， ， 一 。 其 中邑是 和 的 中值 。 ， 仁式可 整理 成一个 一 阶差 分方程 其稳 定条件 是 特征 根绝对值小于 ， 则 一豁 一 尝 显而 易见 ， 越 大 ， 剪 下 的尺寸 越长
因此，总可以选择K,使(8)式得到满足。若取K为的平均值，特征根接近0， 将有最快的收敛性。本系统选K=1。 3软件设计和实用效果 图3是主程序框图，它除了完成上述反馈控制和其它逻辑功能外，还对输入信号进 行抗干扰处理及打印报表。图4是在天津治金试验厂试运行时拍摄的动态波形。两根曲 线分别是计算机发出的速度给定信号和飞剪电机的速度曲线。试验剪切定尺6m,剪切 误差小于40mm。 Start shear Cut-tail N Start shear Scl up sign Clear up sigr of cut-head of eut-head cy(t)>Ck NHead signed> Have cut Judge next length A Brake shear Cut-head Calculate Ck 图3程序框图 Fig.3 Block of 6oftware Comnputer'command 图！剪切过程中计算机给定特性和电动机速度特性 Fig.4 Character of computer coiand and mnotor speed in cutting 参考文献 〔1)李庆扬等：数值分析，华中工学院出版社，1984 〔2)陈伯时：自动控制系统，机械工业出版社，1982 72
因 此 ， 总可 以选择 ， 将 有最快的收敛 性 。 ，卜 ， 。 、 ， 。 ， ， 、 ‘ 口 二 、 ， ， ， 爪 二 冲 山 、 幼 、 已 ， 义 、 ， 丁、 仔王 了两 忠 。 右 肚几 刀 一丁一 阴 月‘ 叼 且 ， 特优 于民债〕几 ， 本系 统选 。 软件设计和实用效果 图 是 主程序框 图 ， 它 除 了完 成上述 反馈控制 和其它 逻 辑功能外 ， 还对输 人信号进 行 抗干 扰处理 及打 印报表 。 图 是 在天津 冶金 试 验厂试运行 时 拍摄 的动 态波 形 。 两根 曲 线分别是计算机发 出的速度给 定信号 和 飞剪 电机 的速 度 曲线 。 试 验剪切 定尺 ， 剪切 误 差 小于 。 一 忿 · 一 。 一 一 口 ’ 图 程序框图 ‘ 段 ‘ 图 剪切过程中计算机给定特性和 电动机速度特性 七 一 ，， ‘ 七 参 考 文 献 〔 〕 李庆 扬 等 数值分 析 ， 华 中工 学 院 出版 社 ， 〔 〕 陈伯 时 自动 控制 系统 ， 机 械工 业 出版 社