（机械电子工程专业论文）长钢轨双频淬火生产线微机测控系统的研制.pdf

摘要 针对保定工务器材厂钢轨淬火生产线的工艺特点和需求，提出了 一套实用微机测控方案，进行了系统软硬件详细设计，重点阐述了主 要参数的测控方案和系统采用的控制策略。 论文首先简要介绍了生产线的生产工艺，分析了存在的问题，提 出了保留原有手动操作功能的集中式测控方案。其次进行了软硬件设 计，硬件设计的重点是加热温度和线圈与轨顶间隙的测量解决方案， 软件设计的重点是数据管理软件的开发。最后阐述了系统的控制策略 和抗干扰措施l 针对不同工艺参数采用不同的控制策略。对流量、功 率、速度等参数，采用改进的p i d 控制算法；由于加热温度主要受间 隙和功率影响，而且三个参数之间的数学模型难以确定，因此采用传 、 统的控制算法难以奏效多诱文将b p 神经网络引入加热温度控制模块， 利用一组经验生产数据训练、检验三层b p 网络，建立了三个参数之间 的数学模型，从而解决了加热温度的控制问题。 关键词。钢轨淬火线峥咚b p 网络 徽搠删桂录统 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n to fb a n d i n g d o u b l e f r e q u e n c yq u e n c h i n g l i n eo f l o n g r a i l ，a a d a p t a b l e m i c r o c o n t r o l l e r d e t e c t i n g a n d c o n t r o l i n gi n t e g r a t e d s c h e m ei s p r o p o s e d t h ed e s i g na n dc o n s t r u c to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei s d e t a i l e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f s y s t e m i sa l s od i s c u s s e di nd e t a i l i nt h ef i r s tp a r t so ft 1 1 i sp a p e r ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h e e x i s t e n tp r o b l e mo ft h ep r o d u c t ，l i n e ，ac e n t r a l i z i n gd e t e c t i n ga n d c o n t r o ls c h e m ei s p r o p o s e d i nt h i ss c h e m e ，t h eo l dm a n u a l o p e r a t i o nf u n c t i o n i sr e s e r v e d i nt h es e q u e n t p a r t s ，t h ed e s i g na n d c o n s t r u c to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei si n t r o d u c e d 。e s p e c i a l l yt h e s o l u t i o no fm e a s u r e m e n to f h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dg a db e t w e e n c o i la n dt h e t o p o fr a i la n dt h e d e v e l o p m e n t o ft h ed a t a m a n a g e m e n t s o f t w a r ea r e e x t e n s i v e l y d e s c r i b e d i n 也el a s t p a r t s ，t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ea n t i d i s t u r b a n c em e a s u r ea r e r e s e a r c h e d a c c o r d i n gt o t h ec o n t r 0 1f e a t u r e so fp a r a m e t e r s ， d i f r e r e n tc o n t r o l s t r a t e g i e s a r e a p p l i e d f o rp o w e r 、f l o w 、 v e l o c i t y ，r e v i s e dp i dc o n t r o lm e t h o di sa p p l i e d b e c a u s et h e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei se f f e c t e db y t h eh e a t i n gp o w e ra n d g a pa n d t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n sa m o n gt h e s et h r e ep a r a m e t e r sa r en o t f o u n do u t ，s ot h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sc a nn o tb ea p p l i e d t h ea r t i c l eu s eag r o u pe x p e r i m e n t a ld a t at o 缸a i na n dc h e c ka t h r e e 1 a y e r b pn e t w o r km o d e l ，t h e nf i n do u tt h e q u a n t i t a t i v e r e l m i o n s a m o n g t h e s et h r e e p a r a m e t e r s a t l a s tt h ec o n t r o l p r o b l e mo f t h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e i ss u c c e s s f u l l ys o l v e d k e y w o r d s ：r a i l q u e n c h i n g l i n e g a p b pn e t w o r k 北方交通大学硕士论文 第一章前言 1 1 长钢轨双频淬火微机控制系统研究背景 铁路运输是国民经济发展的“大动脉”，在我国国民经济建设中发 挥着越来越大作用。随着国民经济的高速发展，铁路运输正向着重载、 高速方向发展，对线路的重要部件之一一钢轨的强韧性、耐磨性、使 用寿命等性能提出了更高的要求。对新、旧钢轨进行全长热处理被普 遍认为是提高钢轨综合性能、缓解钢轨需求供给矛盾的非常有效的措 施。实验表明，经全长热处理后的钢轨强韧性、塑性、耐磨性、抗疲 劳剥离性能和使用寿命得到明显改善。在我国，已有多条钢轨全长热 处理生产线建成并相继投入使用，大量热处理钢轨现已铺设使用，为 提高铁路运量和行车安全提供了保障，取得了巨大的经济效益和社会 效益。 尽管钢轨全长热处理发展比较成熟，然而这些生产线大都以手工 操作为主，各项工艺参数的控制采用手工给定的办法，生产的钢轨质 量主要依赖于工人的生产经验和工作责任心，工人劳动强度大，淬火 轨的质量也得不到可靠保证。据了解，有不少生产线投产后均出现过 严重质量事故。随着科学技术的进步和铁路事业的大力发展，这些生 产线现状必须而且完全可能得到根本改变。 保定工务器材厂( 以下简称“保定厂”) 采用重庆钢铁研究院研 制的“双频感应加热钢轨全长缓速淬火s q ( s l a c kq u e n c h ) ”先进工 艺，于1 9 9 2 年建成了当时国内比较领先的钢轨淬火生产线，并于当 年投产，各项指标符合设计要求。该生产线生产的钢轨先后在榆次、 石家庄、燕山等工务段进行铺设，运营效果良好。尽管这条生产线采 用了部分参数的仪表显示和开环控制，但是主要工艺参数仍需工人手 动给定和调节，生产效率低下，未能充分发挥生产线的潜力，产品质 量也不稳定，出现过两次大的质量事故，造成了很大损失。针对生产 线的现状，1 9 9 7 年我们与保定厂达成合作协议，对现有生产线进行改 造，研制“长钢轨全长热处理微机自动控制系统”( 以下简称“系统”) ， 并得到铁道部科技司的支持，被列为铁道部部级研究课题。本论文就 是在完成该系统研制的基础上完成的。 北方交通大学硕士论文 1 2 国内外现状及可行性研究 在国外，钢轨双频淬火工艺研究较早，淬火生产线工艺成熟，自 动化程度很高。钢轨进入生产线后，从淬火到硬度的连续测量再到钢 轨的调直，整个工艺流程均实现了自动化，美国、德国、日本在该领 域处于领先地位。但一方面由于国内相应的设施、配套条件、人员素 质跟不上，另一方面也由于价格昂贵，成本太高，因此全部引进国外 成套生产线不符合国情，因而我国最终还是选择了自行开发、自我发 展的思路。 国内在钢轨淬火生产线自动化方面起步较晚，直到1 9 8 7 年才由呼 和浩特铁路局工务修配厂与内蒙古工学院联合研制了第一条微机控制 淬火自动生产线。与原来以手动操作为主状况相比，这条生产线自动 化功能在提高生产质量方面，发挥了一定作用，但存在控制精度不高、 可控参数较少的缺点。后来随着多条淬火生产线的相继建成并投产 后，主管部门和厂家非常重视生产线自动化程度的提高，以保证生产 质量。先后有多家科研机构和高等院校参与了生产线自动化的研制工 作，取得较大的突破，并有多篇关于自动控制系统方面的硕士论文， 但论述的重点集中在系统软硬件组成与选型，对某些重要参数如加热 温度、线圈与轨顶的间隙的测量没有很好地解决，对加热温度的控制 方案和算法的实用性还需完善。本论文针对保定厂淬火生产线，对长 钢轨淬火生产线自动控制系统的软硬件组成及关键技术的实现作了一 些研究，成功地解决了加热温度、线圈与轨顶的间隙的测量问题和加 热温度的控制问题。 2 北方交通大学硕士论文 第二章保定厂长钢轨淬火生产线简介及系统 功能目标 2 1 基本原理简介 2 1 1 感应加热原理 电磁感应加热是利用感应涡流对工件直接加热。与使用煤气或石 油为燃料的加热装置对金属进行加热的方法相比，感应加热具有加热 效率高、加热速度快、加热深度可控等特点，因而得到广泛应用。感 应加热设备根据频率分为工频、中频、高频三类。由于中频感应加热 设备具有变频效率高、加热过程中能根据负载变化自动改变频率等特 点，淬火生产线一般先采用工频( 5 0 h z ) 加热设备先对钢轨进行全断 面预热，再根据钢轨加热深度的要求选用可控硅中频( 2 5 0 0h z ) 感 应加热设备对钢轨进行轨顶部分的局部加热。 2 1 2 气一水介质冷却原理 在淬火过程中，冷却方法有多种。常规的浸没式整体冷却方法操 作简单，淬火质量取决于工件的材质和冷却介质的冷却特性，冷却速 度难以控制，容易产生较大的变形、淬裂或淬不硬。淬火钢轨要求调 质处理后有较高的屈服极限和低的脆性转变温度，因此常规的浸没式 整体冷却方法不能满足要求。 保定厂淬火生产线选用气一水介质和“先风后水”的欠速冷却工 艺进行冷却。在冷却箱中依次安装了一路喷气嘴和四路喷水嘴实现了 对钢轨先风冷后水冷。这种冷却工艺既克服了“风水混合物”进行雾 淬和“先风后雾”而出现的“喘气”现象，又弥补了全风淬硬层偏浅 的缺点。“先风后水”的欠速冷却工艺具有稳定、操作简单、变形小 的优点。 气一水冷却介质的冷却特性取决于水和空气的压力、喷嘴与钢轨 表面的间隙等参数。生产线采取固定喷嘴与钢轨表面的间隙，稳定风 压力，不断调节冷却风量和四路冷却水流量的措施，使介质获得理想 的冷却特性，从而保证钢轨的淬火质量。 2 1 3 中频淬火原理 北方交通大学硕士论文 由于钢轨的磨损带有局部性，往往是轨顶、轨侧部分磨损较大。 为减小局部磨损，往往采用热处理使局部磨损区产生淬硬层方法，但 是应用常规热处理方法无法达到目的。中频淬火的原理就是利用中频 交流电产生的集肤效应和邻近效应，在钢轨表面产生感应电流，使钢 轨表面迅速达到奥氏体化温度，再以压缩空气和水为冷却介质进行缓 慢冷却方法，使钢轨头部获得淬火索氏体组织，产生淬硬层，达到提 高头部的耐磨性的目的。 2 1 4 “s q ”工艺 “s o ”工艺就是将钢轨轨头部分加热到奥氏化温度，再用缓慢冷 却( 低于临界淬火速度) 的方法，也就是不完全淬火的方法，获得淬 火索氏体组织。保定厂淬火生产线“s q ”工艺具有如下特点： ( a ) 为减小钢轨的变形，先采用5 0 h z 的工频电源将钢轨整体预热 至6 0 0 c 左右，再用2 5 0 0h z 的中频电源继续加热，将钢轨轨顶部分 加热至奥氏化温度( 1 0 0 0 ) 以上。 ( b )采用气一水介质进行“先风后水”的缓速淬火冷却。 2 2 生产线工艺流程及测控现状 2 2 1 保定厂淬火生产线简介 保定工务器材厂淬火生产线组成示意图如图2 一l 。 开关 三组工频 线圈感器 爪螋 感器 。0 。需丽。闸0 - l y 0 几u 0 o u 。虿嗣f 可嗣f i 嗣oi o 。i f l i 送轨机 图2 - 1 生产线组成示意图 4 北方交通大学硕士论文 整个生产线主要由进给机构、工频预热装置、中频加热装置、冷 却系统、操作控制台等几大部分组成。按生产工艺流程大致可分为三 部分：工频预热部分、中频加热部分和冷却部分。钢轨经送轨机以给 定速度连续送入，首先进入工频预热部分，通过三组工频预热线圈依 次对其进行整体预热处理，使钢轨全断面温度达6 0 0 左右，其次进 入中频加热部分，经过两组中频加热线圈对钢轨进行感应加热( 局部 加热) ，使钢轨轨头部分达到奥氏化温度，最后钢轨进入冷却部分， 先后进行压缩空气的风冷和水冷却，最终使轨顶部分获得索氏体组 织，完成整个“s o ”淬火工艺过程。 生产线的操作工序如下：生产线启动时，操作工人通过调节操作 台上旋钮，手动给定钢轨走行速度、中频加热功率、冷却风量、4 路 水流量；在钢轨淬火过程中，操作工通过目测加热部分钢轨的亮度， 判断加热温度与给定值的偏移量，用手轮不断调节加热线圈与轨顶的 间隙( 以下简称间隙) 和中频加热功率来调节加热温度，同时注意观 察4 路水流量和风量的显示值，判定水流量和风量是否在正常范围， 如有偏移，手动调节各自的控制阀，使它们处于正常范围内。 为保证钢轨生产质量，在所有工艺参数中，加热温度、冷却风量 和冷却水流量是直接影响钢轨淬火质量最重要的参数，其中加热温度 必须要达到奥氏化温度，冷却风量、冷却水流量也必须稳定在给定范 围内，否则就会出现次品。 2 2 2 生产线的测控现状 目前生产线已对预热部分的工频电压、三相工频电流，加热部分 的中频电压、中频功率、中频电流和冷却部分的风量、风压、水温、 4 路水流量以及钢轨走速( 从驱动电机处取信号) 等工艺参数进行了 检测，并通过仪表在操作台上进行显示，同时对中频功率、钢轨走行 速度、风量等参数进行了开环控制，通过电位器旋钮，可进行手动调 节。对四路水流量，装有不太精确的浮子流量计，利用手动阀门可调 节水流量。经测试，生产线上部分电类参数测量还是比较准确，对风 量、中频功率、走速的控制已实现自动采集和手动控制。但经过认真 的现场调研，发现该生产线存在以下问题： ( 1 ) 参数检测不全，部分参数测量精度不高。加热温度、回火温度、 北方交通大学硕士论文 钢轨的根数、轨顶与线圈的间隙未检测；走速由电机转速计算测得， 检测不可靠( 卡轨时测量错误) 、误差大，水流量依靠工人读标记， 误差太大。 ( 2 ) 由于风量风压显示与控制、水流量显示与控制、风压显示、 水压显示均与工人操作台分离，工人操作时，不能全面观察生产线所 有参数变化状况，往往生产线出现故障后，才发现参数异常，操作也 不能兼顾。 ( 3 ) 参数调整完全靠手动，误差大，调整不及时。 ( 4 ) 间隙的调整靠人工调节手轮实现，工人劳动强度太大、环境条 件恶劣。 2 3 系统功能目标、实施方案及难点分析 2 3 1 系统功能目标 经充分的现场调研和认真分析需求，系统的总体目标为：在保留 原有手动操作功能基础上，对系统进行自动化改造，对淬火线工艺参 数进行连续自动检测、显示、记录；对影响钢轨淬火质量的重要工艺 参数实时控制，使系统始终按给定的工艺参数连续、稳定、可靠运行； 对大量生产数据实时、科学地存贮，提供高效、方便的数据管理功能； 测控软件操作简单、界面友好、容错性好，大幅度提高车间管理水平。 具体功能目标细化为以下几点： ( 1 ) 现场实时监测各种工艺参数，动态图形和数字显示。 ( 2 )对主要工艺参数在线给定、实时控制。 ( 3 )手动自动切换方便且无冲击，保证生产的连续性。 ( 4 ) 系统要具有很强的适应性，满足不同类型钢轨淬火生产的需 要。 ( 5 )异常报警及追忆功能，紧急情况下系统自我保护功能。 ( 6 ) 对每根钢轨各种数据进行存贮，建立生产数据库。 ( 7 )历史数据模糊查询和图形显示功能。 ( 8 )日报表、月报表自动生成与打印输出。 ( 9 )与车间管理微机通信，实现生产数据及时上传。 根据系统功能目标，系统检测的工艺参数如下： 预热部分：工频电压、三相工频电流； 6 北方交通大学硕士论文 加热部分：中频电压、中频加热功率、加热温度、轨顶与线圈的间隙 冷却部分：四路冷却水流量、冷却风压风量、冷却水温、回火温度； 其他部分：钢轨走行速度、钢轨的根数。 系统控制的主要工艺参数及控制目标列表如下： 表2 - 1 系统工艺参数控制目标列表 控制参数控制范围控制精度 钢轨走行速度1 2 5 0 0 l m m i n 0 0 0 2 m m i n 中频加热功率2 1 5 1 5 k w2 k w 线圈与轨项间隙1 0 2 m m0 1 m m 冷却风量2 9 5 0 5 01 h 2l i l 冷却水流量工艺给定值2l l l o 5l m 2 3 2 系统实施方案选择 根据上述介绍的生产线现状，在进行系统方案设计时，提出了下 列几个原则： ( 1 ) 为保证生产的连续性和可靠性，在不破坏原有手动操作功能基 础上，对系统进行改造。 ( 2 ) 为降低系统成本，保护原有投资，尽可能发挥现有测控装置的 效用。 考虑成本、操作人员素质等因素，采用性能价格比较高的集中 式控制方案，以研华工业控制机为系统测控核心，外围选用公认兼容 性、可靠性较强研华测控板卡，经济适用、可靠的传感器、执行器， 采用最新软件平台和软件技术自行编制灵活的功能强大的软件应用系 统，完成系统的目标。 2 3 3 系统实现的重点与难点分析 ( 1 ) 加热温度是影响钢轨淬火质量的最重要参数，只有达到一定加 热温度，才能使钢轨获得理想的组织，因此对加热温度比较准确的测 量是系统实现的重点。由于钢轨在淬火过程中以给定速度连续运动， 现场环境恶劣，烟尘严重，环境温度较高，这些都给温度的准确测量 带来难度，因而加热温度的测量是系统实现的难点。 ( 2 ) 现场实验表明，线圈与轨顶的间隙是影响加热温度的最主要因 北方交通大学硕士论文 素，间隙的可靠的测量与实时精确的调节是保证加热温度的重要测控 环节。由于问隙在81 2 m m 之间，空间非常小，环境噪声严重，给直 接测量带来困难，因此间隙的准确测量是系统实现的重点和难点。 ( 3 ) j 下由于温度测量误差较大，影响加热温度的因素很多，给加热 温度的控制带来难度，选用适合系统特点的控制方案和算法也是系统 的难点。 北方交通大学硕士论文 第三章系统的硬件设计 3 1 硬件总体设计 系统硬件总体设计框图如图3 - 1 。 工 频 电 压 互 感 器 p c l 8 1 3 b p c l d 一8 8l 甲枷7 温度测 量部分 数字量输 出部分 上业控制机i p c - 6 1 0 数字量测 一于。：三 p c l 8 3 0 l l 弦l 7 4 1 模拟t 潮 量部分 模拟量信 号调理板 工 频 电 流 互 感 器 中 频 电 压 互 感 器 中 频 电 流 互 感 器 由 频 电 流 互 感 器 风 压 风 量 变 送 器 水 温 传 感 器 差 动 变 压 式 位 移 传 感 器 擞字量信 ：号接口板 7 0 c n 光 电 开 关 b 2 光 电 编 码 器 图3 - 1 系统硬件框图 9 红 外 高 温 测 试 箱 红 外 低 温 测 试 箱 = 二二二z ，上出部分 p c l d - 7 8 5 输出接口板 0 步进电机 一风量调节 一 一 ”卫-_二出 一间隙调节 一 订iijiiiii儿 1水流量调节 一 丌iiiiiiiiiiii且 一 l钢轨走速调节 一 一 ril_l_11_-lll_【 _ 儿一 一中频功率调节 一 一 仃h啊翻朗髓旧hh口h雌lit 一红外低温传感器一 一 丌iijiiiiiiiiiii卜j一 一红外中高温传感器iii】，1i1lll_ ”iiiiihhiiiiiihiii小_-j 一涡轮流量传感器一 一 北方交通大学硕士论文 系统硬件大致可分为主机系统、模拟量输入通道、数字开关量 输入通道、温度输入通道、数字量输出通道设计、模拟量输出通道设 计、系统电源( 图3 1 中未显示) 等几大部分。下面对这几部分作详 细介绍。 32 主机系统设计 主机系统是系统的测控和管理核心，由两台微机组成。微机1 安 装在现场操作台上，主要负责参数的采集、控制、数据的存贮与管理， 并与另微机2 联网，实现数据和资源的共享；微机2 主要负责生产数 据的管理及报表的打印以及车间的日常管理。 微机1 担负这整个系统主要功能，而且周围环境恶劣，需要长时 间连续运行。由于工业p c 由于是专为工业现场需要而设计，具有能 够经受恶劣工作环境影响，如高低温、振动、电磁干扰、粉尘等优点， 因此微机1 选用工业控制机。工控领域常见的数据总线有s t d 总线和 p c 总线，由于p c 总线具有开放式结构、价格低廉、使用灵活、具有 良好而广泛的软硬件支持环境等特点，成为测控领域的主流总线机 种。从易用性、可靠性和性能价格比角度，我们最终选用的主机为研 华公司生产的i p c 6 1 0 工控机。 微机2 主要担负的是日常管理功能，周围环境比较好，选用普通 5 8 6 p c 机。 由于现场2 0 0 0 a 左右的工频电流形成了强大的磁场，经实验，基 于电子枪式普通显示器严重受磁场干扰，屏幕闪烁抖动非常厉害，我 们选用平板式液晶显示器，它具有省电、薄且不受电磁干扰的影响等 优点，效果良好。 3 3 模拟量输入通道设计 模拟量输入通道主要完成对工频电压、工频电流、中频电压、中 频功率、线圈与轨顶间隙、空气压力、空气流量以及冷却水温度等8 类模拟信号1 1 路输入量的信号调理、滤波、放大及a d 转换，由信 号拾取、信号调理电路、采集板卡等部分组成。下面主要介绍各路模 拟量信号的拾取和采集卡的选型。 ( 1 ) 模拟量信号的拾取 工频电压、工频电流、中频电压、中频功率等电参数的测量，生 北方交通大学硕士论文 产线初建时，己通过电流互感器、电压互感器进行测量并通过操作台 上电流表、电压表、功率表进行显示，精度能够满足系统要求，我们 直接从操作台显示仪表输入端取出信号，引至模拟量调理板的输入端 子上。冷却j x l 压力参量，生产线也已通过压力传感器和气压表进行测 量、显示，直接从配电器的输入端取信号送模拟量调理板的输入端子 即可。 由于冷却水温为低温，我们选用半导体集成温度传感器a d 5 9 0 进 行测量。由于a d 5 9 0 是恒流源形式的温度传感器，输出也易于被计算 机转换，因而有较强的抗干扰能力和使用方便特点，另外不需温度补 偿和专门的线性电路。直接将输出信号送模拟量调理板的输入端子。 线圈与轨顶的间隙这一参数是影响钢轨淬火温度最重要的参数， 对它的较为精确的测量是系统目标实现的关键。由于钢轨在加热过程 中上下变形量很大，线圈也由手动随时上下调整，线圈与轨顶的间隙 动态地变化，钢轨上下变形量又不易测量，因此不能采用直接测量方 法测间隙。我们曾尝试了多种方案，但由于间隙很小，测量空间有限， 环境恶劣，无法实施或测量结果根本不可靠。最后我们设计了如图所 示间隙测量装置，在轨底安装一个随动装置，通过位移传感器2 跟踪 轨底上下位移的变化，在线圈上安装位移传感器1 跟踪线圈上下位移 的变化，这样就可间接测量出轨顶与线圈的间隙，测量原理如图3 2 所示。 轨底随动装置原理简单，但设计起来有一定难度。首先，轨底与 支承面间的空间高度有限，并且随着钢轨变形而动态变化，这对随动 装置的高度和调节范围提出了较高的要求。其次，新旧钢轨的变形量 和同一钢轨在淬火过程中不同位置上下变形量差别很大，这就要求随 动装置上下调整要特别方便。为此，我们在设计时充分考虑调试的方 便，随动装置的自然高度主要通过不同高度的垫片进行调节，另外设 计了微调螺丝。 在实际应用中，把控制线圈升降的控制信号与手动控制按钮并 联，实现手动自动控制同时有效。手动操作随时可调节线圈的升降； 自动状态下，闭环控制线圈的升降，达到线圈跟随轨底上下运动的目 的，从而保证间隙始终保持在给定的范围内。为防止失控时线圈与钢 北方交通大学硕士论文 轨发生碰撞，在线圈升降台上安装下限保护开关。 2 图3 - 2 线圈与轨顶间隙测量原理图 l 一中频加热线圈2 一位移传感器3 钢轨4 轨底随动装置 根据钢轨变形量和间隙测量精度要求，位移传感器选用水利水电 科学研究院研制的d a 2 0 型直流差动变压器位移传感器，它是利用处 于交变磁场中的磁芯位移产生的互感变化转换为与该位移成基本线性 函数关系的电信号，根据输出信号的大小和极性，计算出位移的大小 和方向，具有测量可靠、精度高等特点，适用于远距离传输与控制。 d a 一2 0 型直流差动变压器位移传感器主要技术指标如下： 测量范围：0 - 4 0 m m 线性度 0 ，当l e ( k ) pe 时，采用p 或p d 控制，可避免过大的超调量，又使系统有较快的响应。当le ( i e 时，采用p i 或p i d 控制，可保证系统的控制精度。积分分离p i d 控制算法示意图如图4 1 所示，图中p 点为积分环节投入和解除的切 换点。 r 图4 - 1 积分分离p i d 控制算法示意图 2 、带死区的p i d 控制算法 为了避免控制动作的过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振 荡，常常采用带死区的p i d 控制算法。控制算式为： 。：j 0 斗( 七) 障。时 ”“7 l p ( t )斗( 七) l 时4 - 4 式中，死区e 。是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象 由实验确定，若e 。太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象 的目的；若e 。太大，则系统产生较大的滞后。 4 2 3 p i d 调节器参数的整定 北方交通大学硕士论文 在调节器投入运行之前，必须对其特性参数进行整定，选定适当 的群、k 、r ，使p i d 调节器的特性与被控对象配合协调，以便 获得满意的控制效果。对控制系统的要求是稳定性、准确性和快速性， 要同时满足上述要求很困难，必须根据具体被控对象的动态特性，满 足主要方面，并兼顾其他方面。 整定调节器参数的方法有几十种，但在实际应用中，p i d 参数整 定通常采用实验方法或根据经验值凑试办法达到目的。 1 、采样周期7 1 的确定 在数字控制系统中，采用周期r 是一个比较重要的因素，采样周 期的选取，应与p i d 参数的整定综合考虑。选取采用周期时，一般要 考虑下列因素： ( 1 ) 采样周期首先要满足采样定理。 ( 2 ) 采样周期应远小于对象的扰动信号的周期，并比对象的时间 常数小得多，否则无法反映瞬变过程。 ( 3 ) 采样周期越短，对计算机运算速度、a d 和d a 转换速度要 求越高。 ( 4 ) 巡回测控回路越多，采样周期越长。 采样周期受以上等各种因素的影响，有些是相互矛盾的，必须视 具体情况和主要要求作出折中的选择。在现场调试时，我们综合考虑 测控板卡的性能以及各参量的特性参数，参考了一些经验数值，确定 了系统采样周期为o 8 s 。 2 、p i d 调节参数的整定 确定采样周期后，在各数字p i d 调节控制回路中，去掉积分控制 作用，只采用比例调节环节来确定系统的振荡周期瓦和临界比例系数 咫。逐渐增大缉，直到回路发生持续的等幅振荡，记录临界比例度占 。和相应的临界振荡周期瓦。根据测得的j 。、瓦，便可初始确定数字 p i d 的控制参数。利用初始参数投入实时控制，并不断修正，直至取 得满意效果。 4 2 4 基于p i d 控制算法的速度、流量、中频功率控制算法 系统中，速度、中频功率、四路水流量的执行机构采用步进电机 或电动调节阀，由于步进电机、电动调节阀具有累加积分特性，因此 北方交通大学硕士论文 采用增量式数字p i d 算法。对四路水流量，由于进水总管路只有一个， 1 路水流量的大幅调节会影响到其它水路流量的变化，为避免频繁的 控制动作，采用带死区的p i 控制算法。其控制框图如4 2 所示。 带死区的p i 控制箅法流程图如4 3 所示。 盟舻 干。( 七) 划h l 控制器 图4 - 2 带死区的水流量p | d 控制原理框图 图4 - 3 带死区的水流量p i d 控制算法程序框图 对钢轨走速和中频功率采用增量式p i 控制算法，其控制原理框图 北方交通大学硕士论文 如44 所示。 图4 - 4 增量式p i 控制原理框图 由于风量调节阀无累积作用，输出直接控制阀门的开度，因此我 们选用积分分离p i 控制算法。为方便编程，根据前述积分分离p i 控 制算法原理，写成计算公式如下： r 印 1 “( 女) = 如 e ( 七) + o 了1 - p ( j ) ( 4 5 ) 式中 f 1当扣( 七) 阵e p 2 o部( t ) l s 当i e ( 女) i 时，p = o ，进行比例控制，即 “()=kpg()(4-6) 当l 口( 女) i e 时，p = l ，进行比例积分控制， 由式4 2 得 7 1 u ( k ) 一“( 一1 ) = k p ( 1 + ) e ( 七) 一k p p ( 一1 ) 1 1 ( 4 7 ) u ( k ) = m e ( k ) + g ( k 1 ) 式中 m = k p ( 1 + = 1 ) i g ( k 1 ) = u ( k 1 ) 一k p e ( k 一1 ) 有了式( 4 - 5 ) 和式( 4 6 ) ，便可编制出计算机控制程序，其控 制原理框图如4 5 所示，程序框图如图4 6 所示。 北方交通大学硕士论文 图4 - 5 积分分离风量p i 控制原理框图 图4 - 6 积分分离风量p i 控制算法程序框图 北方交通大学硕士论文 4 3 基于神经网络的温度控制策略 4 3 1 人工神经网络简介 古典控制理论和现代控制理论都有一个共同的局限性，即被控对 象或过程的数学模型必须预先知道。但工业过程中有很多被控对象， 特别是那些不确定的系统或过程，尚无法建立精确的模型，尽管近年 来系统辨识的理论与方法受到人们的重视，得到了很大发展，但在实 际应用中特别是对实时控制系统来说，建模仍然遇到一定的困难，即 使建立了粗略模型，往往也不能满足时间和精度的要求。 人工神经网络a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是一种基于生理 学的智能仿生模型，是由大量处理单元( 神经元) 互联而构成的一种 并行分布处理网络。从控制论的角度可以把神经网络理解为一高维非 线性动力学系统，基于神经网络的控制系统也可以看作是特殊形式的 自适应控制系统，它具有自组织、自适应、非线性、非定常性等特点。 通过一组实例使神经网络自学习形成网络中的权函数，使得网络能够 正确理解和解决特定问题，并达到最佳性能。由神经网络构成的控制 系统具有以下特点： ( 1 )适应性 由于神经网络具有独特的非线性映射能力，所以适应能力很强。 对于具有非线性特性的控制对象，特别是当对象的非线性特性模型不 清楚时，用一般控制方法很难得到满意的控制效果，而应用神经网络 可以通过对网络的训练、掌握控制对象的非线性函数关系，从而做出 恰当的控制决策。神经网络还可以用自联想推理功能解决时变系统的 参数自适应问题。另外，由于神经网络本身的结构特点，还可以很容 易组成多输入、多输出系统。 ( 2 )柔软性 由于神经网络构成的控制系统具有很强的环境适应能力。对于那 些不确定的系统，神经网络可以通过在线学习，及时跟随系统的变化， 并且不需要改变网络的结构和算法。 ( 3 )鲁棒性 神经网络是由许多神经元构成的，它对系统特性的记忆表现为各 个神经元之间的连接权值，且单个神经元在整个系统中不起决定性作 北方交通大学硕士论文 用。一个经过训练的神经网络可以按相似输入模式产生相似的输出模 式。因此，当系统因干扰或其它因素造成参数漂移或输入模式变形时， 网络仍可保证稳定的输出。 ( 4 )实时性 神经网络无论是学习还是运行都采用并行计算。虽然网络训练时 比较费时，但在运用时因其采用单巡回并行计算，使响应速度非常快， 很适于实时控制。 a n n f 是由于具有自学习、适应、自组织、函数逼近和大规模并 行处理等能力，因而具备了应用于智能控制系统的潜力。a n n 理论是 8 0 年代中后期世界范围内迅速发展起来的前沿研究领域，是人工智能 理论研究的一个分支。a n n 主要有两大类：递归( 反馈) 网络，如 h o p f i e l d 、j o r d a n 网络；前馈网络，如多层感知器( m l p ) 、反向传播( b p ) 网络。本系统采用理论和应用上发展都比较成熟的b p 网络来实现中 频加热温度模块的控制。 4 3 2 误差反向传播( b p ) 网络基本原理 b p 网络是三层或以上的阶层型神经网络，三层前馈神经网络的拓 扑结构如图4 7 所示。其特点是：各层神经元之间无反馈连接，每层 神经元之间无连接，上下层之间神经元全连接。 图4 7 b p 网络连接示意图 输出层 隐含层 输入层 北方交通大学硕士论文 如果网络的输入节点数为m ，输出节点数为l ，则这种神经网络 可看成是从m 维欧氏空间到l 维欧氏空间的映射，这种映射是高度 非线性的。因而b p 网络被广泛用来解决非线性问题。通过调整b p 网 络中连接权值、网络规模，可实现非线性分类并可以任意精度逼近任 何非线性函数。 b p 学习算法的基本思想是最小二乘学习算法，或称l m s 算法。 它采用梯度搜索技术，以期使网络的实验输出值与期望输出值的误差 均方值为最小。网络学习过程是一种误差边向后传播边修正加权系数 的过程。具体来说，学习由四个过程组成：输入模式由输入层经隐含 层向输出层的“模式顺传播”过程；网络期望输出与网络实际输出之 差的误差信号由输出层经隐含层向输入层逐层修正连接权的“误差逆 传播”过程，由“模式顺传播”与“误差逆传播”的反复交替进行的 网络“记忆训练”过程，网络趋向收敛即网络的全局误差趋向极小值 的“学习收敛”过程。归结起来为： “模式顺传播”_ “误差逆传播”斗“记忆训练”_ “学习收敛” b p 学习算法原理框图如图4 8 所示。上述采用梯度下降算法容易 陷入局部极小点，收敛速度慢，因此出现了许多改进算法。下面具体 介绍具有一层中间层的三层网络的改进反传学习算法。 图4 7 中，输入层、中间层和输出层的单元数分别是、三和m 。 k 、z 。是加到网络的连续值输入矢量：h 、h z h 。，是中间层 输出矢量；y o 、y 。y m - 。是网络的实际输出矢量，并用磊、矾叱。来 表示训练组中各模式的目标输出矢量。输入单元f 到隐单元的权重式 k ，而隐单元，到输出单元的权重是件0 。另外0 。、西，来分别表示 输出单元和隐单元的阈值。 于是，中间层各单元的输出为： - i h ，= 厂( p ，) = 厂( g x ，一中，) i = 0 而输出层各单元的输出是： m l 6 + 一h j ( 1 一_ ) 6 。 北方交通大学硕士论文 图4 - 8b p 算法流程图 m 个输出误差 6 = ( d i y t ) y t ( 1 一y ) 中问层隐单元也计算出l 个误差项： 北方交通大学硕士论文 0 t ) 依次计算出各权重的调整量 女( ”) = t 1 6 i h ， 圪) = 1 1 6 + ，x ， 调整权重： w ，女( 门十1 ) = ，女( n ) + 址( 玎) + 形成( ”一1 ) ，( n + 1 ) = k ，( ) + k ，( ) + “，( 一1 ) 其中： ( ”一1 ) 和一1 ) 是上次训练时计算出的调整量。 增加这一项可加快收敛速度，并使收敛过程中权重的变化较为平 滑。再重新输入训练组，直至v ”w 。达到稳定。 4 3 3b p 网络应用中的几个问题 ( 1 )输入与输出层设计 输入与输出层维数完全根据使用者要求来设计，研究的问题一旦 确定，输入与输出层单元数就确定了。原则上应尽量减小系统规模， 使学习时间缩短和系统的复杂性减小。 ( 2 )隐层数目的确定 1 9 8 9 年r o b e r th e c h t - n i e l s o n 证明了对于任何在闭区间内一个连 续函数都可以用一个隐层的b p 网络来逼近，因而一个三层b p 网络可 完成任意维到膨维映射。 ( 3 )隐层单元数选择 这是一个十分复杂的问题，也是“一种艺术”。因为没有很好的 解析式表示，可以说隐单元数与问题的需求、输入与输出单元的多少 都有直接关系。事实上，隐单元数太少可能不能训练出来或网络不“强 壮”，容错性差，但隐单元太多，又使学习时间过长，误差也不一定 最佳，因此存在一个最佳单元数。如何求解，下面几个经验公式可作 参考： t nc ( n j l ) = 0 l ( 4 - 7 ) 脚 (厂 = ) 口 (， | ， 北方交通大学硕士论文 式中：丘为样本数，月，为隐单元数，7 为输入单元数。 l = n + m + a( 4 8 ) 式中：n l 为隐单元数，z 为输入神经元数，m 为输出神经元数，a 为l 1 0 之间的数。 对于用作函数逼近的b p 网络，中间层单元数与要逼近函数的精 度和函数本身的波动情况有关，要求逼近精度高，隐单元数也多；函 数在闭区间上波动越多，隐单元数也多。但这只是粗略说明，并没有 严格的关系。可以初始放入较少的个数，学习一定次数后，不成功再 增加数目。 ( 4 )初始值选择 由于系统是非线性的，初始值对于学习是否达到局部最小和是否 能收敛关系很大。一个重要的要求是希望初始权值再输入累加时使每 个神经元的状态值接近0 。这样可保证初始时不落到那些平坦区，权 值一般取随机数，而且权值要求比较小，这样可保证每个神经元一开 始都在它们转换函数变化最大的地方进行。 4 3 4 基于a 脯的温度控制模块的实现 4 3 。4 。1 加热温度控制模块控制方案 首先，分析淬火线中影响钢轨加热温度的因素，如图4 9 所示。 ：网的电压 - ；圈的电流 钢 度 - f 材质 - 网的电压 - 轨 ：圈的电流 - i 轨顶间隙 图4 - 9 加热温度影响因素示意图 加热温度 北方交通大学硕士论文 其中，室温在一段时间内可视为定值，钢轨的材质对于同一批钢 轨来说也是定值，送轨速度根据工艺要求现场设为定值( 1 2 5 m m i n ) ， 预热线圈的电压、电流根据工艺也设为定值，中频加热功率和线圈与 轨顶的间隙是可手动调节的。但是，中频加热功率和线圈与轨顶的间 隙与加热温度之间函数关系并无法得知。通过现场实验得出以下大致 关系：加热功率一定，间隙越大，加热温度越低，间隙越小，加热温 度越高；中频加热功率越大，加热温度越高，中频加热功率越小，加 热温度越低：间隙变化时，加热功率也发生变化，发生相互耦合作用， 因此加热温度模块的控制算法用经典控制理论难以实现。我们利用三 层b p 网络强大的的非线性函数逼近能力，用现场经验数据对网络进 行离线学习( 使用m a t l a b 软件中的神经网络工具箱) ，得到权系数固 定的神经网络模型，以此模型的输出作为间隙控制目标信号，实现对 温度的实时控制。加热温度控制框图如图4 一l o 所示。 目标 信号 + _ j b p 网络 l燕型 增量式p i d 算法 一加热温度测量值 中频功率测量值 嘲i ? 黼出 装置ll 间隙测量装置 图4 1 0 基于b p 加热温度控制原理框图 4 3 4 2b p 网络的结构设计 我们以加热温度和中频功率作为网络的输入，以间隙作为网络的 输出，组成双输入单输出网络。根据前文提供的经验公式( 4 - 7 ) 和 ( 4 - 8 ) ，按样本数2 0 计算，隐单元数要大于等于5 个，初步确定为5 ， 这样网络结构为2 5 1 ，隐层传递函数采用t a n - - s i g m o i d 型函数t a n s i g ( ) ，输出层传递函数采用线性传递函数p u r d i n ( ) 。为便于用m a t l a b 软件工具箱进行训练和仿真，将网络结构表示为图4 1 1 。 北方交通大学硕士论文 a 1 。t a n s i g ( w 1 + p ，b 1 )a 2 2 p u r e l i n ( w 2 + a 1 ，b 2 ) 幽4 - 1 1b p 网络结构图 图4 1 1 中，s 1 为隐单元数，s 2 为输出单元数，p 为输入矩 阵，w