基于双闭环变积分PID的中频弯管机控制系统的研究

冯晓　严静　樊占全

摘 要：针对中频加热弯管机在温度控制过程中温度波动范围大、推管速度与温度控制匹配度较低问题，本文对中频加热弯管机的加热系统和液压系统进行了详细分析，建立了系统的传递函数，采用双环控制器控制温度，并将变速积分PID控制技术引入中频加热弯管机的液压控制系统。实验结果表明，基于双环变速积分PID控制系统的具有较高的温度准确性和弯管的成型质量。

关键词：双闭环 变速积分PID 中频加热 弯管机

中图分类号：TG151 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（b）-0005-04

Abstract： For the large range of temperature fluctuations and pushing tube speed and temperature control matching problems， the heating system and hydraulic in the intermediate frequency bender are analyzed， transfer function of heating system and hydraulic system are established. A double closed loop controller is developed and variable integral PID method is adopted in hydraulic system control strategy. The results show that base on a double closed loop and variable integral PID control method ensures accurately control to the temperature and high-level quality to the elbows.

Key Words： Double closed loop； Variable integral PID control； Medium-frequency heating； Pipe bender

大口径中频加热弯管机是石油、电力和城市建设使用弯管的常用加工设备，由传动机械、加热系统、液压系统、冷却系统以及控制系统5个部分组成。中频加热弯管机工作时，液压系统推动钢管以给定速度前进，同时中频电源对钢管进行加热，使其沿给定半径弯曲，形成所需管件。因此中频加热系统和液压系统是整个弯管机的关键部位。推管速度和管件的加热温度，直接影响钢管的成型效果。当前的文献[1-3]对加热系统和液压系统分别控制，其精度较低。未能体现液压系统控制和温度控制的关联性。其控制精度较低，易引起管径开裂、管壁厚度不均匀等缺陷。本文所研究的双闭环温度控制系统，在保证温度的基础上调节推管速度，同时使用变速积分算法调节弯管推进速度，加快系统反应速度，抑制超调震荡。通过仿真分析，调试控制参数，并通过实验数据对比分析。

1 中频加热弯管机的工作原理

中频加热弯管机的总体结构简图如图1所示，主要由机械装置、中频加热系统、液压系统、冷却系统及电气控制系统等组成。其基本过程是：中频加热系统采用感应加热方法对钢管待弯部分中的极窄区域进行局部加热至塑性狀态，同时液压机构沿钢管轴向施加推力，钢管在4个滚轮夹持下沿推力方向运动，使钢管在加热部分绕机械转臂的轴心发生弯曲，感应加热线圈的位置相对机床是固定的，所以在推力的作用下钢管发生变形的部分逐渐移出加热区，并被强迫冷却，从而实现钢管弯制[2，5]。

由中频加热弯管机的工作原理可知，中频加热系统和液压系统是整个弯管机的核心系统，其中，钢管受热变形温度的控制，直接关系着钢管的弯曲效果，如果控制不当将引起钢管的开裂、褶皱、椭圆化等不利情况。因此，液压推进系统速度控制和加热系统温度控制，是控制钢管成型质量的关键。

2 中频加热控制控制系统设计

2.1 大口径中频加热弯管机控制模型

2.1.1 温度系统模型

2.2.2 温度控制器

式中，u（t）为PI调节器的输出值；e（k）为系统第k次采样时给定温度与实测温度之间的偏差值；Kp为比例系数；KI为积分系数。为了执行PI控制得到良好的控制结果，就必须求得适合于控制对象的各参数的最佳值。

3 结果与分析

采用Matlab进行整定仿真，钢管的加热温度T=（950±20）℃，η=0.7，C=0.46×103J/（kg·℃），m=17.4kg，cos=0.9，Ii=1200A，=0.001。液压缸活塞行程12m，缸径0.3m，活塞杆直径0.24m，外负载力200kN，速度范围0.1～0.6m/min以及电液比例阀的参数Ksv，ωsv=39.8rad/s， sv=0.7，代入相应传递函数。内环速度控制器的PID参数选择过程中，采用Ziegler-Nichols整定公式来确定参数Kp=4.3，KI=1.1；变速积分中常数A和B分别为20和12。变速积分算法的过渡过程为1s，无超调的输出结果。

外环温度控制器直接调节PI参数，Kp=0.7，KI=2.2，时通过对仿真的PID参数进行二次整定，温度控制符合（950±20）℃要求。其温度控制系统的仿真结果如图4所示，图中过渡过程为2.5s，超调量为0，温度控制范围最大波动为15℃。

根据设计的液压速度控制系统，实时在线检测外径1016mm的钢管在950℃弯制90°时的数据，

如表1所示，表1记录了10s内的时间、温度、速度、中频电压、中频电流、中频功率等数据。从检测数据可看出速度系统能够使速度在38～42mm/min间，且速度会随着温度的变化做出调整，温度控制稳定。

4 结语

本文对弯管机控制系统进行了分析，然后根据具体参数得到了温度控制系统和液压控制系统的传递函数，采用温度、速度双闭环控制器，并在液压控制系统中引入变积分PID控制算法，最后通过仿真和实验验证了基于双闭环变积分PID中频加热弯管机温度控制系统的可行性，该控制器能够快速响应速度变化，保证了弯管的温度误差控制在指定的温度范围以内。

参考文献

[1] 方秀荣，孟祥焱，范海峰.大型推弯式弯管机超低恒速液压控制系统研究[J].机床与液压，2017，45（19）：61-64.

[2] 严方.中频加热弯管机加工工艺仿真及控制算法研究[J].热加工工艺，2015，44（9）：148-154.

[3] 谭宝成，张海东.大口径弯管机控制系统建模与实现[J]. 西安工业大学学报，2014，34（2）：167-172.

[4] 谭宝成，成法坤.自适应模糊PID在中频弯管机温度控制中的应用[J].西安工业大学学报，2010，30（2）：191-195.

[5] 方秀荣，曹文胜.大口径弯管机中频加热装置的技术研究与实现[J].现代制造工程，2011（3）：85-87.

[6] 徐刚，杨东.基于上下位机的中频弯管机控制系统[J].焊管，2008，31（3）：58-60.

[7] 王春行.液压控制系统[M].北京：机械工业出版社，1999： 94-100.