PID控制功能双路测径仪的研发与应用

  摘要：现代生产中，对产品的外径测量不仅需要进行在线检测，还要具有自动控制线径尺寸的功能，为此本文主要介绍了双向PID自动控制的测径仪。

  关键词：PID；双路测径仪；双向；

  单向测径仪的研制大都基于“截面为正圆”的假设，而实际中，由于重力和夹持力作用，很多较软的无芯管材如胶管等，在生产线上自然放置时发生弹性形变，无法保持截面为正圆而呈椭圆形（长轴水平，短轴竖直）由于“截面正圆”的假定与实际并不相符，因此，模型本身必然带来一定的误差，而且简单地提高测径仪的精度并不能消除这一误差。针对这些问题，在单向高速高精度测径仪的基础上设计研制出了双向测径仪。

  1.1、工作原理

  以光电测量原理为基本原理，将两组光电测头成垂直分布，测量时每次可测2个相互垂直的直径尺寸，根据这两个直径尺寸还可计算出被测物的椭圆度。下图为测头分布图。

  1.2、系统结构

  双路测径仪可以分为两个系统：光学系统和测量控制系统。其中，光学系统分为以下几个模块：光源系统，作为长寿命点光源；发射模块，形成平行于主光轴的平行光线；接收模块，接收发射系统发射出的光线。测量控制系统包括：光电转换模块，将光信号转换为电信号；采集计算及控制显示模块，完成数据的采集计算，显示管材直径，并对直径进行PID控制。

  2.1、PID介绍

  PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation))控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器(比例-积分-微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID应用范围广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。PID参数较易整定，也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。PID控制器在实践中也不断的得到改进。

  双路测径仪具备PID调节功能，可通过内置增量式PID 系统变频器，电子调速器，空气压缩机等多种外接设备对工件生产的尺寸进行精准控制，即根据实测线径与设定标称值之间的偏差，来控制挤塑机螺杆转速或牵引机的转速，使实际的线径尽可能地接近标称值。

  2.2、PID的概念

  以线缆生产为例。在线缆的生产过程中，由于环境条件（如温度、电源电压等）的变化、机械震动（如牵引轮加工误差）和随机因素的影响，都会造成线径的变化。是用曲线记录仪记录的某电线生产线产品外径变化情况。从图中可以看出，外径的变化可以分解成两个分量：

  1)快速波动，其变化周期为零点几到几秒，幅度通常较小。如果快速波动的幅度很大，一般是由于生产线的设计不合理、加工精度不够或生产工艺有问题。

  2)慢速漂移，其变化周期为几分钟到几小时，幅度可能较大。

  下图为某电线生产线产品外径变化情况

  PID调节，就是利用在线测量仪器测量产品的外径，计算线径与设定标称值之间的偏差，通过调节器来控制挤塑机螺杆转速或牵引机的转速，使实际的线径尽可能地接近标称值。由于（1）从挤出机或牵引机的转速改变，到产品外径改变并达到稳定，需要一定的时间（约零点几到几秒）。（2）从挤出机头出线的外径发生改变，到它运行至测径仪处，也需要一定的时间（根据线速度及测径仪安装位置的不同，约为零点几到几十秒不等） 。因此，外径反馈控制系统具有时间滞后特征，其典型值为 1～10 秒。控制理论告诉我们，反馈控制不能消除或减小变化周期比系统的滞后时间更短的快速波动。因此，外径反馈控制的作用是消除慢速漂移。而快速波动应采用合理地设计生产设备、提高零部件的加工精度、优化生产工艺等方法解决。下图为采用PID控制后的产品外径变化情况

  例如，如图所示的生产线，采用外径反馈控制以后，其产品线径的变化明显改善。比较两图可以看到，采用外径反馈控制以后，完全消除了外径的慢速漂移变化。产品线径的变化范围从原来的 0.05mm 以上，减小到±0.01mm 以内，大大提高了产品的质量。

  对原来的生产线加上反馈控制，就是将原来的给定信号与测径仪的输出相加，形成新的控制电压，来控制挤出机或牵引机的转速。在外径反馈控制系统中，通常采用 PID调节器（即比例-积分-微分调节器）。PID控制系统的特性主要由比例系数 KP、积分系数KI和微分系数KD来确定。为了取得较好的控制效果，应恰当地选择三个系数。如果取得太小，则系统的响应速度太慢，反馈控制效果不好。如果取得太大，则会造成系统不稳定而发生震荡。

  2.3、控制系统

  以挤出机为例，实现测径仪的采集计算电路将计算值送入以单片机为核心的控制显示电路，分别实时显示X-Y方向上在线轧材的直径及经过计算后的等效直径值及其偏差，同时根据偏差值按照单片机中测径仪——挤出机数字PID控制模块实现对挤出机的控制功能。

  挤出机需要的是位置信号，因此，测径仪——挤出机数字PID控制模块采用位置式PID控制算法。其基本的工作原理是：程序按照用户设定的时间间隔从测径仪采集直径数值，与设定值作比较，得到偏差e，再根据PID控制程序运算得到电压控制量U，并将U叠加到挤出机电机的直流驱动器电压之上，起到对直径的调整作用。

  对于测径仪——挤出机数字PID控制模块，结合系统的实际情况，我们选用了现场凑试法来进行PID参数的整定。采用PID控制（实际是PI控制）后，管材直径波动范围被控制在设定值以内，完全满足了工艺的要求。

  接线

  双路测径仪可连接变频器或者电阻调速机实现电机调速，连接变频器时，变频器运行命令方式设定为用“端子控制”调节功能。频率设定选择端为AI1或者AI2(以ADT变频器为例)。接线如图14。

  若干变频器本身有AI1和AI2两个模拟量输入端且具备加 ** 能，则可以采用接线方式2，如图15。

  双路测径仪的软硬件设计是在单向测径仪的基础上进行了相应的改进和优化，并且在双向测量的基础上添加了PID控制模块，实现了对直径的自动控制功能，增加了所生产的管材规格的稳定性，更有利于实现生产的智能化及工作人员随时掌握生产情况。双路测径仪可以实现双向测量、椭圆度测量，进行尺寸超差报警，尺寸自动控制，历史数据保存等功能，另外可以配备软件系统，实现波动图、缺陷图、截面图、趋势图等的显示。

  本文由保定市编写

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