多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節方法及系統與流程
本發明涉及一種多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節方法及系統，屬于多道次金屬拉拔軋制技術加工系統自適應速度控制技術領域。
背景技術：
在金屬絲繩及板材類加工領域，通常采用拉絲機、軋機等專業加工設備對絲狀、棒狀和板狀等金屬材料進行拉拔及軋制。在專業加工設備的控制設計過程中，均遵循“金屬運動秒流量相等”的原則。例如對于金屬絲的拉拔加工，在金屬絲由大直徑被拉拔至小直徑的過程中，從前、后道拉軋出的金屬物質在單位時間內的體積相同。但是，由于金屬絲在拉拔的過程中其直徑由大變小，即金屬絲截面積變小，則后道驅動的速度與前道驅動的速度的比值需為前、后道金屬絲直徑比例的平方乘積，才能進行準確控制。
圖1給出了金屬絲加工過程中八個道次間電機速度的控制過程，在該控制過程中，以金屬絲進入加工模具前繞過的擺臂位置作為PID控制的給定源，以擺臂上連有的張力傳感器所測得的金屬絲的張力作為PID控制的反饋源，對系統各道次電機的速度進行調節控制。在加工系統正常運行過程中，當以最后一道次電機的當前速度作為整個控制系統的速度基準值，按照“金屬運動秒流量相等”的原則向前遞推，依次確定前面七個道次中電機的控制速度。其中，當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，其他各個道次電機的速度控制方法為：
Vi′＝Vi+1/ρi″+PIDOi
其中，Vi′為第i道次電機的實時速度，Vi+1為第i+1道次電機的當前速度，ρi″為第i道次電機的系統速度系數，PIDOi為第i道次電機的PID控制的當前輸出量。
在上述控制過程中，各個道次的電機根據相鄰道次電機的速度以及PID控制的輸出量進行實施調整，最終達到系統平衡。當任意一道次的參數波動使得本道次電機速度發生變化時，其前面各道次電機的速度均需要進行相應調整，以保證整個系統的正常運行。但是，由于系統需要實時更新PID參數調節參與量，PID參數調節的參與量較大，各道次電機速度調節頻繁，系統的穩定性和快速響應能力較差。
因此，如何在避免由于參數波動而影響到系統運行狀態的同時，減小PID參數調節的參與量，降低各道次電機速度的調節頻率，提高系統的運行穩定性和響應能力，成為金屬絲及板材類加工設備的控制設計過程中的主要研究問題。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節方法及系統，用于解決金屬絲及板材類加工設備的常規控制設計過程中，由于PID參數調節的參與量較大，而導致系統穩定性較差的問題。
為解決上述技術問題，本發明提供了一種多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節方法，包括以下方案：
方法方案一：包括以下步驟
步驟1，根據除最前一道次或最后一道次外的其他任意一道次電機PID控制的當前輸入量求出本道次電機相應的PID控制的當前輸出量，當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，除去最前一道次電機，當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，除去最后一道次電機；
步驟2，判斷本道次電機PID控制的當前輸出量波動和輸入量波動是否穩定在各自設定范圍內且穩定時間均超過設定時間；
步驟3，若滿足步驟2的條件，當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，獲取本道次電機的當前速度及其前一道次電機的當前速度，計算出本道次電機的當前速度系數；當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，獲取本道次電機當前速度及其后一道次電機的當前速度，計算出本道次電機的當前速度系數；
步驟4，用本道次電機的當前速度系數更新系統內存儲的本道次系統速度系數，當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，根據本道次電機PID控制的當前輸出量、前一道次電機的當前速度以及本道次電機的系統速度系數計算本道次電機的實時速度，當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，根據本道次電機PID控制的當前輸出量、后一道次電機的當前速度以及本道次電機的系統速度系數計算本道次電機的實時速度。
方法方案二：在方法方案一的基礎上，本道次電機PID控制的當前輸出量波動的設定范圍為±25％，本道次電機PID控制的當前輸入量波動的設定范圍為25％～75％，本道次電機PID控制的當前輸入量波動和當前輸出量波動穩定的設定時間為2秒。
方法方案三、四：在方法方案一或二的基礎上，步驟3中當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，除最前一道次外的其他各個道次電機的當前速度系數的計算公式為：
ρi′＝Vi-1/Vi
其中，ρi′為第i道次電機的當前速度系數，Vi-1為第i-1道次電機的當前速度，Vi為第i道次電機的當前速度；
當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，除最后一道次外的其他各個道次電機的當前速度系數的計算公式為：
ρi′＝Vi+1/Vi
其中，ρi′為第i道次電機的當前速度系數，Vi+1為第i+1道次電機的當前速度，Vi為第i道次電機的當前速度。
方法方案五、六：在方法方案一或二的基礎上，步驟4中當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，除最前一道次外的其他各個道次電機的速度控制方法為：
Vi′＝Vi-1/ρi″+PIDOi
其中，Vi′為第i道次電機的實時速度，Vi-1為第i-1道次電機的當前速度，ρi″為第i道次電機的系統速度系數，PIDOi為第i道次電機的PID控制的當前輸出量；
當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，除最后一道次外的其他各個道次電機的速度控制方法為：
Vi′＝Vi+1/ρi″+PIDOi
其中，Vi′為第i道次電機的實時速度，Vi+1為第i+1道次電機的當前速度，ρi″為第i道次電機的系統速度系數，PIDOi為第i道次電機的PID控制的當前輸出量。
方法方案七、八：在方法方案一或二的基礎上，當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，最前一道次電機的初始速度為設定值，其他任意一道次電機的初始速度為其前一道次電機的初始速度與本道次電機的初始速度系數的比值；當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，最后一道次電機的初始速度為設定值，其他任意一道次電機的初始速度為其后一道次電機的初始速度與本道次電機的初始速度系數的比值；其中本道次電機的初始速度系數根據金屬運動秒流量相等的原則確定。
本發明還提供了一種多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節系統，包括以下方案：
系統方案一：該系統包括至少三個金屬加工道次，當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，除最前一道次外的其他各個道次電機的速度控制方法為：
Vi′＝Vi-1/ρi″+PIDOi
其中，Vi′為第i道次電機的實時速度，Vi-1為第i-1道次電機的當前速度，ρi″為第i道次電機的系統速度系數，PIDOi為第i道次電機的PID控制的當前輸出量；
當以最后一道次電機的速度作為基準值時，除最后一道次外的其他各個道次電機的速度控制方法為：
Vi′＝Vi+1/ρi″+PIDOi
其中，Vi′為第i道次電機的實時速度，Vi+1為第i+1道次電機的當前速度，ρi″為第i道次電機的系統速度系數，PIDOi為第i道次電機的PID控制的當前輸出量；
除最前一道次或最后一道次外的任意一道次實時判斷本道次電機PID控制的當前輸出量波動和輸入量波動是否穩定在各自設定范圍內且穩定時間均超過設定時間；若本道次電機PID控制的當前輸出量波動和輸入量波動穩定在各自設定范圍內且穩定時間均超過設定時間，當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，獲取本道次電機的當前速度及其前一道次電機的當前速度，計算出本道次電機的當前速度系數；當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，獲取本道次電機的當前速度及其后一道次電機的當前速度，計算出本道次電機的當前速度系數；用本道次電機的當前速度系數更新系統內存儲的本道次系統速度系數。
系統方案二：在系統方案一的基礎上，本道次電機PID控制的當前輸出量波動的設定范圍為±25％，本道次電機PID控制的當前輸入量波動的設定范圍為25％～75％，本道次電機PID控制的當前輸入量波動和當前輸出量波動穩定的設定時間為2秒。
系統方案三、四：在系統方案一或二的基礎上，當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，除最前一道次外的其他各個道次電機的當前速度系數的計算公式為：
ρi′＝Vi-1/Vi
其中，ρi′為第i道次電機的當前速度系數，Vi-1為第i-1道次電機的當前速度，Vi為第i道次電機的當前速度；
當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，除最后一道次外的其他各個道次電機的當前速度系數的計算公式為：
ρi′＝Vi+1/Vi
其中，ρi′為第i道次電機的當前速度系數，Vi+1為第i+1道次電機的當前速度，Vi為第i道次電機的當前速度。
系統方案五、六：在系統方案一或二的基礎上，當以最前一道次電機的當前速度作為基準值時，最前一道次電機的初始速度為設定值，其他任意一道次電機的初始速度為其前一道次電機的初始速度與本道次電機的初始速度系數的比值；當以最后一道次電機的當前速度作為基準值時，最后一道次電機的初始速度為設定值，其他任意一道次電機的初始速度為其后一道次電機的初始速度與本道次電機的初始速度系數的比值；其中本道次電機的初始速度系數根據金屬運動秒流量相等的原則確定。
本發明的有益效果是：
根據判斷除最后一道次或最前一道次電機外的其他任一道次電機的PID控制的當前輸入量和當前輸出量的波動是否滿足設定條件，僅在滿足設定條件的情況下，電機的系統速度系數才進行更新，然后以更新后的電機系統速度系數和PID控制的當前輸出量來實現電機的速度調整控制，由于減少了PID控制輸出量對電機速度的影響，電機在每次進行過速度調整以后會進入一個短周期的穩態運行狀態，相應提高了整個系統的穩定性和響應能力。
附圖說明
圖1是現有技術中八個道次間電機速度的控制結構框圖；
圖2是八個道次間電機速度PID運算的功能模塊；
圖3是八個道次間電機速度的控制結構框圖1；
圖4是八個道次間電機速度的控制結構框圖2。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
在金屬絲加工過程中，金屬絲通過每道卷筒的拉拔后先繞過一個連接有張力傳感器的擺臂，再進入拉絲模具，經過拉絲模具的加工后進入下一道卷筒。金屬絲每次通過拉絲模具后，都有一次減徑過程，此過程遵循“金屬運動秒流量相等”原則。下面以八個道次間帶動各卷筒轉動的對應電機速度的控制過程為例，對傳動速度自適應調節方法進行詳細介紹。
多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節方法實施例1：
在初始條件下，根據各個道次拉絲模具的進出口直徑的平方比，計算每個道次電機的初始速度系數例如：若某道次拉絲模具的進口直徑為2.8mm，出口直徑為2.6mm，則本道次電機的初始速度系數
以第八個道次電機的初始速度作為整個控制系統的初始速度基準值，通過計算前面第i(1≤i≤7)個道次電機的初始速度系數依次計算出各個道次中電機的初始速度具體的，除最后一道次外的第i(1≤i≤7)道次中電機初始速度的計算方法為：
其中，為第i+1道次電機的初始速度，為第i道次電機的初始速度，為第i道次電機的初始速度系數。
在金屬絲正常加工過程中，以金屬絲進入拉絲模具前繞過的擺臂的位置作為PID控制的給定源，以擺臂上連有的張力傳感器所測得的金屬絲的張力作為PID控制的反饋源，對系統各道次電機的速度進行調節。圖2給出了八個道次間電機PID運算的功能模塊FB51，其中DB1.DBW0-DBW14為PID控制的輸入值，即對應各個張力傳感器所測得的金屬絲的張力，DB1.DBW16-DBW30為PID控制的輸出值。當以最后一道次電機的當前速度作為基準值，即以第八個道次電機的當前速度V8作為整個控制系統的速度基準值時，其他各個道次中電機速度的控制框圖如圖3所示，具體包括以下步驟：
步驟1，根據除最后一道次外的其他任意一道次電機PID控制的當前輸入量求出本道次電機相應的PID控制的當前輸出量。
步驟2，判斷本道次電機PID控制的當前輸出量波動和輸入量波動是否穩定在各自設定范圍內且穩定時間均超過設定時間。
在本實施例中，本道次電機PID控制的當前輸出量波動的設定范圍為±25％，即本道次電機PID控制的當前輸出量和本道次設定的電機PID控制的輸出量的差值與本道次設定的電機PID控制的輸出量的比值在-25％～25％范圍內；設定當金屬絲進入拉絲模具前繞過的擺臂位于擺動幅度的中間位置時PID輸入量波動為50％，則本道次電機PID控制的當前輸入量波動的設定范圍為25％～75％，即若以該擺臂位于擺動幅度的中間位置時的PID輸入量波動為基準值，則PID輸入量上下波動的范圍為-25％～25％；本道次電機PID控制的當前輸入量波動和當前輸出量波動穩定的設定時間為2秒，即本道次電機PID控制的輸入量和輸出量的波動在各自設定的范圍內維持時間至少為2秒。
當然，在不同的加工生產線中，也可以根據需要對各道次電機PID控制的輸出量和輸出量的波動范圍以及兩波動維持的時間進行適當調整。
步驟3，若滿足步驟2的條件，獲取本道次電機當前速度及其后一道次電機的當前速度，計算出本道次電機的當前速度系數。
其中，本道次電機的當前速度系數為本道次后一道次的電機當前速度與本道次的電機當前速度的比值。具體的，除最后一道次外的第i(1≤i≤7)道次電機的當前速度系數ρi′的計算公式為：
ρi′＝Vi+1/Vi
其中，Vi為第i道次電機的當前速度，Vi+1第i+1道次電機的當前速度。
步驟4，用本道次電機的當前速度系數更新系統內存儲的本道次系統速度系數，根據本道次電機PID控制的當前輸出量、后一道次電機的當前速度以及本道次電機的系統速度系數計算本道次電機的實時速度。
具體的，除最后一道次外的第i(1≤i≤7)道次電機的實時速度Vi′的計算公式為：
Vi′＝Vi+1/ρi″+PIDOi
其中，Vi+1為第i+1道次電機的當前速度，ρi″為第i道次電機的系統速度系數，PIDOi為第i道次電機的PID控制的當前輸出量。
另外，上述控制過程不僅可以運用于金屬絲的加工控制過程，同樣也適用于金屬板的軋制控制過程。
多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節方法實施例2：
在初始條件下，每個道次電機的初始速度系數的計算方法參見調節方法實施例1，此處不再贅述。
以第一個道次電機的初始速度作為整個控制系統的初始速度基準值，通過計算后面第i(2≤i≤8)個道次電機的初始速度系數依次計算出各個道次中電機的初始速度具體的，除最前一道次外的第i(2≤i≤8)道次中電機初始速度的計算方法為：
其中，為第i-1道次電機的初始速度，為第i道次電機的初始速度，為第i道次電機的初始速度系數。
在金屬絲正常加工過程中，以金屬絲進入拉絲模具前繞過的擺臂的位置作為PID控制的給定源，以擺臂上連有的張力傳感器所測得的金屬絲的張力作為PID控制的反饋源，對系統各道次電機的速度進行調節。當以第一道次電機的當前速度V1作為整個控制系統的速度基準值，其他各個道次中電機速度的控制框圖如圖4所示，具體包括以下步驟：
步驟1，根據除最前一道次外的其他任意一道次電機PID控制的當前輸入量求出本道次電機相應的PID控制的當前輸出量。
步驟2，判斷本道次電機PID控制的當前輸出量波動和輸入量波動是否穩定在各自設定范圍內且穩定時間均超過設定時間。
在本實施例中，本道次電機PID控制的當前輸出量波動的設定范圍為±25％，即本道次電機PID控制的當前輸出量和本道次設定的電機PID控制的輸出量的差值與本道次設定的電機PID控制的輸出量的比值在-25％～25％范圍內；設定當金屬絲進入拉絲模具前繞過的擺臂位于擺動幅度的中間位置時PID輸入量波動為50％，則本道次電機PID控制的當前輸入量波動的設定范圍為25％～75％，即若以該擺臂位于擺動幅度的中間位置時的PID輸入量波動為基準值，則PID輸入量上下波動的范圍為-25％～25％；本道次電機PID控制的當前輸入量波動和當前輸出量波動穩定的設定時間為2秒，即本道次電機PID控制的輸入量和輸出量的波動在各自設定的范圍內維持時間至少為2秒。
當然，在不同的加工生產線中，也可以根據需要對各道次電機PID控制的輸出量和輸出量的波動范圍以及兩波動維持的時間進行適當調整。
步驟3，若滿足步驟2的條件，獲取本道次電機當前速度及其前一道次電機的當前速度，計算出本道次電機的當前速度系數。
其中，本道次電機的當前速度系數為本道次前一道次的電機當前速度與本道次電機的當前速度的比值。具體的，除最前一道次外的第i(2≤i≤8)道次電機的當前速度系數ρi′的計算公式為：
ρi′＝Vi-1/Vi
其中，Vi為第i道次電機的當前速度，Vi-1為第i-1道次電機的當前速度。
步驟4，用本道次電機的當前速度系數更新系統內存儲的本道次系統速度系數，根據本道次電機PID控制的當前輸出量、前一道次電機的當前速度以及本道次電機的系統速度系數計算本道次電機的實時速度。
具體的，除最前一道次外的第i(2≤i≤8)道次電機的實時速度Vi′的計算公式為：
Vi′＝Vi-1/ρi″+PIDOi
其中，Vi-1為第i-1道次電機的當前速度，ρi″為第i道次電機的系統速度系數，PIDOi為第i道次電機的PID控制的當前輸出量。
另外，上述控制過程不僅可以運用于金屬絲的加工控制過程，同樣也適用于金屬板的軋制控制過程。
多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節系統實施例1：
該系統包括八個金屬加工道次，以第八道次電機的速度作為基準值時，除最后一道次外的第i(1≤i≤7)道次電機的實時速度Vi′的計算公式為：
Vi′＝Vi+1/ρi″+PIDOi
其中，Vi+1為第i+1道次電機的當前速度，ρi″為第i道次電機的系統速度系數，PIDOi為第i道次電機的PID控制的當前輸出量。
在各個道次電機更新自身系統速度系數和速度之前，首先判斷本道次電機PID控制的當前輸出量波動和輸入量波動是否穩定在各自設定范圍內且穩定時間均超過設定時間。若本道次電機PID控制的當前輸出量波動和輸入量波動范圍以及兩波動在設定的范圍內維持的時間滿足條件，則獲取本道次電機當前速度及其后一道次電機的當前速度，計算出本道次電機的當前速度系數，并用本道次電機的當前速度系數更新系統內存儲的本道次系統速度系數，并相應更新本道次電機的速度；若不滿足上述條件，則系統內存儲的本道次系統速度系數不進行更新，本道次電機按照現有速度運轉。
其中，本道次電機的當前速度系數為本道次后一道次的電機當前速度與本道次的電機當前速度的比值。具體的，除最后一道次外的第i(1≤i≤7)道次電機的當前速度系數ρi′的計算公式為：
ρi′＝Vi+1/Vi
其中，Vi為第i道次電機的當前速度，Vi+1第i+1道次電機的當前速度。
在本實施例中，本道次電機PID控制的當前輸出量波動的設定范圍為±25％，即本道次電機PID控制的當前輸出量和本道次設定的電機PID控制的輸出量的差值與本道次設定的電機PID控制的輸出量的比值在-25％～25％范圍內；設定當金屬絲進入拉絲模具前繞過的擺臂位于擺動幅度的中間位置時PID輸入量波動為50％，則本道次電機PID控制的當前輸入量波動的設定范圍為25％～75％，即若以該擺臂位于擺動幅度的中間位置時的PID輸入量波動為基準值，則PID輸入量上下波動的比例范圍為-25％～25％；本道次電機PID控制的當前輸入量波動和當前輸出量波動穩定的設定時間為2秒，即本道次電機PID控制的輸入量和輸出量的波動在各自設定的范圍內維持時間至少為2秒。
另外，在初始條件下，根據各個道次拉絲模具的進出口直徑的平方比，計算每個道次電機的初始速度系數例如：若某道次拉絲模具的進口直徑為2.8mm，出口直徑為2.6mm，則本道次電機的初始速度系數
以第八個道次電機的初始速度作為整個控制系統的初始速度基準值，通過計算前面第i(1≤i≤7)個道次電機的初始速度系數依次計算出各個道次中電機的初始速度具體的，除最后一道次外的第i(1≤i≤7)道次中電機初始速度的計算方法為：
其中，為第i+1道次電機的初始速度，為第i道次電機的初始速度，為第i道次電機的初始速度系數。
上述多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節系統不僅可以進行金屬絲的加工控制過程，同樣也適用于金屬板的軋制控制過程。
多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節系統實施例2：
該系統包括八個金屬加工道次，以第一道次電機的速度作為基準值時，除第一道次外的第i(2≤i≤8)道次電機的實時速度Vi′的計算公式為：
Vi′＝Vi-1/ρi″+PIDOi
其中，Vi-1為第i-1道次電機的當前速度，ρi″為第i道次電機的系統速度系數，即第i-1道次電機的當前速度與第i道次電機當前速度的比值，PIDOi為第i道次電機的PID控制的當前輸出量。
在各個道次電機更新自身系統速度系數和速度之前，首先判斷本道次電機PID控制的當前輸出量波動和輸入量波動是否穩定在各自設定范圍內且穩定時間均超過設定時間。若本道次電機PID控制的當前輸出量波動和輸入量波動范圍以及兩波動在設定的范圍內維持的時間滿足條件，則獲取本道次電機當前速度及其前一道次電機的當前速度，計算出本道次電機的當前速度系數，并用本道次電機的當前速度系數更新系統內存儲的本道次系統速度系數，并相應更新本道次電機的速度；若不滿足上述條件，則系統內存儲的本道次系統速度系數不進行更新，本道次電機按照現有速度運轉。
具體的，除最前一道次外的第i(2≤i≤8)道次電機的當前速度系數ρi′的計算公式為：
ρi′＝Vi-1/Vi
其中，Vi為第i道次電機的當前速度，Vi-1為第i-1道次電機的當前速度。
在本實施例中，本道次電機PID控制的當前輸出量波動的設定范圍為±25％，即本道次電機PID控制的當前輸出量和本道次設定的電機PID控制的輸出量的差值與本道次設定的電機PID控制的輸出量的比值在-25％～25％范圍內；設定當金屬絲進入拉絲模具前繞過的擺臂位于擺動幅度的中間位置時PID輸入量波動為50％，則本道次電機PID控制的當前輸入量波動的設定范圍為25％～75％，即若以該擺臂位于擺動幅度的中間位置時的PID輸入量波動為基準值，則PID輸入量上下波動的比例范圍為-25％～25％；本道次電機PID控制的當前輸入量波動穩定的設定時間為2秒，即本道次電機PID控制的輸入量和輸出量的波動在各自設定的范圍內維持時間至少為2秒。
另外，在初始條件下，根據各個道次拉絲模具的進出口直徑的平方比，計算每個道次電機的初始速度系數例如：若某道次拉絲模具的進口直徑為2.8MM，出口直徑為2.6MM，則本道次電機的初始速度系數
以第一個道次電機的初始速度作為整個控制系統的速度基準值，通過計算后面第i(2≤i≤8)個道次電機的初始速度系數依次計算出各個道次中電機的初始速度具體的，除最前一道次外的第i(2≤i≤8)道次中電機初始速度的計算方法為：
其中，為第i-1道次電機的初始速度，為第i道次電機的初始速度，ρi為第i道次電機的初始速度系數。
上述多道次金屬加工系統的傳動速度自適應調節系統不僅可以進行金屬絲的加工控制過程，同樣也適用于金屬板的軋制控制過程。
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